材料成形基本原理第3章-凝固温度场课件

1、第三章 凝固温度场第一节 传热基本原理第二节 铸件凝固温度场的解析解法第三节 熔焊过程温度场第一节 传热基本原理一、温度场基本概念二、热传导过程的偏微分方程三、凝固温度场的求解方法一、温度场基本概念不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场：稳定温度场： 不随时间而变的温度场（即温度只是空间坐标的函数）：国家级精品课程材料成形原理 合肥工业大学 材料成型系 等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。二、热传导过程的偏微分方程

2、三维傅里叶热传导微分方程为：式中: a 导温系数， ； 拉普拉斯运算符号。二维传热：一维传热： 对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。 初始条件： 初始条件是指物体开始导热时（即 t = 0 时）的瞬时温度分布。 边界条件： 边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。常见的边界条件有以下 三 类：第一类边界条件： 给定物体表面温度随时间的变化关系 第二类边界条件： 给出通过物体表面的比热流随时间的变化关系 第三类边界条件： 给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质 的换热系数 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。qTfTw换热系数

3、 (m2/s)导温系数(W/m2)三、凝固温度场的求解方法（一） 解析法（二） 数值方法（一） 解析法解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。（二） 数值方法数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解）

4、，又称为数值模拟或计算机模拟。差分法: 差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。 有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。G102Inconel82SUS304异质钢管TIG焊温度

5、场的数值模拟 （使用Ansys软件）有限元解法举例铝合金发动机缸体压铸过程的温度分布模拟（使用 Procast软件）第二节 铸件凝固温度场的解析解法 一、半无限大平板铸件凝固过程的 一维不稳定温度场二、铸件凝固时间计算三、界面热阻与实际凝固温度场四、铸件凝固方式及其影响因素一、半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场 x Ti 铸件 1 c1 1 铸型 2 c2 2T0图2-3无限大平板铸件凝固温度场分布T20T10铸型已凝固铸件剩余液相x推导过程假 设：（1）凝固过程的初始状态为： 铸件与铸型内部分别为均温，铸件起始温度为浇铸温 度 ，铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度 ；（2）铸件金

6、属的凝固温度区间很小，可忽略不计；（3）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放；（4）铸件的热物理参数与铸型的热物理参数不随温度变化；（5）铸件与铸型紧密接触，无界面热阻，即铸件与铸型在 界面处等温Ti 。 求解一维热传导方程： 通解为： erf（x）为高斯误差函数，其计算式为：误差函数的性质为： x=0, erf(x)=0, erf(-x)=-erf(x), erf()=1, erf(-)=-1代入铸件（型）的边界条件及初始条件，得： 由在界面处热流的连续性条件可得： 铸件侧： 铸型侧：图2-4为半无限大平板铸铁件分别在砂型和金属型铸模中浇铸后在 t = 0.01h、0.05h、0.5h 时刻的温度

7、分布曲线。 TiTT20T10铸型侧铸件侧高斯误差函数二、铸件凝固时间计算 铸件的凝固时间：是指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。铸件凝固时间是制订生产工艺、获得稳定铸件质量的重要依据。无限大平板铸件的凝固时间 (理论计算法)大平板铸件凝固时间计算（凝固系数法）一般铸件凝固时间计算的近似公式（模数法） 对于铸型：所以：凝固时间 t 内导出的总热量：至凝固结束时刻，铸件放出的总热量（包括潜热L）： TiTT20T10铸型侧铸件侧根据能量守恒定律得：对于大平板铸件，凝固层厚度 与凝固层体积 V1 、铸件与铸型间接触面积 A1 三者间满足关系式： 令： （K 凝固系数，与铸件与铸型材料有关

8、，可由试验测定） 得： 或： （Chvorinov 定律） 将（2-29）中的V1与A1推广为一般形状铸件的体积与表面积，并令： 可得一般铸件凝固时间的近似计算公式： R为铸件的折算厚度，称为“模数”。“模数法” 也称为“折算厚度法则”。“模数法”用于大平板、球体和长圆柱体铸件比较准确，对于短而粗的块体，由于棱角散热效应的影响，计算结果有一定误差。 从传热学角度来说，模数代表着铸件热容量与散热表面积之间的比值关系，凝固时间随模数增大而延长。对于形状复杂的铸件，其体积与表面积的计算都是比较麻烦的，这时可将复杂铸件的各部分看作是形状简单的平板、圆柱体、球、长方体等单元体的组合，分别计算出各单元体的

9、模数，但各单元体的结合面不计入散热面积中。一般情况下： 模数最大的单元体的凝固时间即为铸件的凝固时间。三、界面热阻与实际凝固温度场上述关于铸造过程凝固温度场的分布以及凝固时间的讨论均将铸件与铸型的接触当作是理想状态下的紧密接触，实际界面存在热阻。 热阻来源界面局部接触，有间隙铸型型腔内表面常存在涂料 实际界面接触状况与涂料状况对界面热阻大小有重要影响。 根据铸件、铸型的热物理性能与界面状况，铸件凝固过程温度场的分布特点可分为四种情况来讨论： 1. 金属铸件与绝热型铸型 2. 界面热阻较大的金属铸型 3. 界面热阻很小的金属铸型 4. 非金属铸件与金属铸型 四、铸件凝固方式及其影响因素（一） 铸

10、件凝固方式分类（二） 铸件动态凝固曲线（三） 铸件凝固方式的影响因素图2-8 凝固区域结构示意图固相区固-液固液两相区液-固液相区 铸 型根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为糊状凝固方式，固液两相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大，从而影响最终铸件的致密性和热裂纹产生几率。（二）铸件动态凝固曲线 铸型型腔内各个部位的凝固状况的动态变化，可通过在浇注前在铸型型腔内预置测温热电偶，来记录凝固过程中各点的温度变化，从而可以绘制出各个瞬间铸型内的凝固状况。所得图形称

11、为铸件动态凝固曲线。 可以根据“液相边界”与“固相边界”之间的横向距离直观地得出铸件内各部位的开始凝固时刻与凝固结束时刻，也可以根据“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离得出凝固过程中的任一时刻铸件断面上已凝固固相区、固液两相区和尚未凝固的液相区的宽度。 右图为200mm厚度的25#钢大平板铸件分别在金属型与砂型中的动态凝固曲线，根据图形说明两种情况下的： （1）凝固方式； （2）凝固时间； （3）凝固过程中最宽的固液两相区； （4）距铸件表面50mm处的起始 凝固时刻及凝固结束用时； （5）凝固组织差别； （6）如果铸件两侧的铸型分别采用金属型与砂型，会出现什么情况？金属型-逐层凝固方式；

12、砂 型- 体积凝固方式。金属型11min；砂型-47min 近30min 时刻，约80mm2=160mm宽； 起始凝固时刻：金属型-5min； 砂型-17min；至凝固结束用时：金属型7min； 砂型42min； 金属型-柱状晶；砂型-外层柱状晶，内部等轴晶； 靠金属型一侧的凝固速度较快，最终凝固的对合面靠近砂型一侧。 （三）铸件凝固方式的影响因素合金凝固温度区间的影响温度梯度的影响 逐层凝固 中间凝固 体积凝固窄宽陡平第三节 熔焊过程温度场一、 焊接温度场的一般特征二、 影响温度场的因素一、 焊接温度场的一般特征 若建立与热源移动速度相同并取热源作用点为坐标原点的动坐标系，则动坐标系中各点的

13、温度不随时间而变。 移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时间及空间而变化（不稳定温度场），但经过一段时间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度场不随时间改变）。这种准稳定温度场的主要特征为：熔池前部的温度梯度大于熔池后部的温度梯度：G(前)G(后)；热源移动轴线两侧的温度分布是对称的；离熔池表面向下（Z方向）越远，温度越低；薄板熔化焊条件下，可认为板厚方向不存在温差简化为二维温度场 焊接温度场的数学表达式： T = f ( x , y , z , t ) 焊接热源作用与热传导方式可按焊件尺寸简化为以下三种类型： 无限长细杆，面状热源半无限大物体，点状热源无限大薄板，线状热源 半无限大物体表面受

14、瞬时、固定热源作用时温度场的解析解为： O x y z P厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场的计算方程 以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，在达到极限饱和状态后，焊件上的焊接温度场见图15。二、 影响焊接温度场的因素 焊件尺寸 焊件热物理性能 焊接规范 多层焊举例 当固定热源分别作用在厚大件、薄板和细长杆上时，假设焊件从热源获得的瞬时热能相等，可以比较三种情况下焊件的温度变化速率。3tT0薄板 r = 0细杆 x = 0厚大件 R = 0 图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线 厚大件对电弧加热部位的冷却作用最强，接头温度下降速度最快。其次是薄板，而细杆的散

15、热速度最慢。例： 对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。产生原因：在焊接起始端，准稳态的温度场尚未形成，周围焊件的温度较低，电弧热不足以将焊件熔透。解决办法：焊接起始段时焊接速度慢一些，对焊件进行充分预热，或起弧时采用较大的焊接电流，待焊件熔透后再恢复到正常焊接规范。生产中还常在焊件起始端固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧并进行过渡段焊接，之后再转移到焊件上正常焊接。 砂 型金属型T20 SLT非金属铸型0 x 绝热型铸型时的凝固温度分布SLT金属铸型0 xT20 以界面热阻为主的凝固温度分布SLT金属铸型0 x

16、T20 非金属铸件时的凝固温度分布SLT金属铸型0 xT20 界面热阻很小时的凝固温度分布金属铸件金属铸件金属铸件非金属铸件图2-10 不同碳钢的动态凝固曲线温度梯度 G 对凝固方式的影响:G大 两相区窄G小 两相区宽 实际铸件凝固中的温度梯度受很多因素影响, 包括铸型的导热性能、预热温度、合金的浇注温度等。铝合金的动态凝固曲线例1. 比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。例2. 下图为一灰铸铁底座铸件的断面形状，其厚度为30mm，利用“模数法”分析砂型铸造时底座的最后凝固部位，并估计凝固终了时间。 A A B BccccDD A A常见材料的凝固系数 铸件材料 铸型灰铸

17、铁砂型0.72金属型2.2可锻铸铁砂型1.1金属型2.0铸钢砂型1.3金属型2.6黄铜砂型1.8金属型3.0铸铝砂型金属型3.1 K / ( )焊接规范参数变化对温度分布的影响Q235 规格: 300 X 100 X 6mm 钨极氩弧焊 q=3750J/sv=1mm/sq=3750J/sv=4mm/sq=2250J/sv=2mm/sq=3750J/sv=2mm/sq=2250J/sv=1.5mm/sq=3750J/sv=2.5mm/s输入功率不变，提高焊接速度焊接速度不变，提高输入功率输入功率与焊接速度的比值（焊接线能量E）保持不变焊接规范：有效输入功率、焊接速度，焊接线能量输入功率一定时：V

18、，相同温度等温线椭圆所包围的范围显著减小（长度，宽度）（图2-14a）；焊接速度一定时：q，相同等温线椭圆所包围的面积显著增大，而椭圆的形态变化不大（见图2-14b）；线能量E=q/v一定时：v，q按比例增大，等温线椭圆长度方向大大拉长，宽度方向仅稍稍增大。金属热物理性能对温度分布的影响试板规格：3001006mm 钨 极 氩 弧 焊焊接电流250A 焊接电压16V，焊接速度2mm/s 热物理性能：值越大（E相同），热量向周围母材的散热损失越大，相同温度等温线所包围的区域越小。反之， 值很小（如不锈钢），散热损失小 ，热影响区容易变宽，故不锈钢焊接，线能量应尽量小 凝固终了对合面部位的缩松凝固末端的缩孔与缩松Al-10%Cu 合金凝固枝晶间的缩松本章 结束本章作业1. 在砂型中浇铸尺寸为30030020 mm的纯铝板。设铸型的初始温度为20，浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660，且在铸件凝固