《凝固的温度场》课件

凝固的温度场本课程将探讨金属凝固过程中温度场的变化及其影响。我们将深入研究凝固的基本原理、数值模拟方法以及实际应用。导言凝固的重要性凝固过程是材料科学和工程中的核心主题，对产品质量至关重要。温度场的作用温度场决定了凝固的速度、方向和最终的微观结构。课程目标本课程旨在帮助学生深入理解凝固过程中的温度场变化及其应用。凝固过程概述1液态材料处于完全液态，温度高于凝固点。2形核温度降低至凝固点，开始形成固态晶核。3晶体生长晶核逐渐长大，形成晶体结构。4完全凝固整个材料转变为固态，温度场趋于稳定。凝固的基本定律热力学第一定律凝固过程中能量守恒，释放潜热。热力学第二定律系统熵增加，向更稳定状态发展。Fick扩散定律描述凝固过程中溶质的扩散行为。Fourier热传导定律描述凝固过程中的热量传递。凝固时间的预测Chvorinov法则凝固时间与铸件模数的平方成正比。Schwarz方法考虑热物性参数变化的改进预测模型。数值模拟利用计算机进行更精确的凝固时间预测。凝固的驱动力1过冷度2表面能3浓度梯度4压力差过冷度是最主要的驱动力，决定了凝固的速度和方向。表面能、浓度梯度和压力差也在不同程度上影响凝固过程。凝固界面的迁移平面界面在纯金属或共晶合金中常见，界面平稳移动。枝晶界面在大多数合金中出现，形成树枝状结构。胞状界面在某些条件下形成，介于平面和枝晶之间。凝固过程的控制因素温度梯度影响凝固速度和组织形态。冷却速率决定晶粒大小和分布。合金成分影响凝固范围和组织类型。铸型特性影响热传导和凝固方向。温度场方程∂T/∂t=α(∂²T/∂x²+∂²T/∂y²+∂²T/∂z²)其中：T-温度t-时间α-热扩散系数x,y,z-空间坐标此方程描述了三维空间中温度随时间的变化。它是研究凝固过程温度场的基础。边界条件1第一类边界条件表面温度已知，如恒温冷却。2第二类边界条件表面热流密度已知，如辐射冷却。3第三类边界条件表面与环境的热交换，如对流冷却。4第四类边界条件界面上的温度和热流连续，如复合材料。初始条件1浇注温度液态金属的初始温度。2温度分布铸型和周围环境的初始温度分布。3材料状态初始时刻的相态和成分分布。准确设定初始条件对于凝固模拟的精度至关重要。它们决定了凝固过程的起始状态。数值模拟方法有限差分法将连续域离散为网格点，用差分代替微分。适用于简单几何形状。有限元法将连续体划分为有限个单元，适用于复杂几何形状。边界元法仅对问题的边界进行离散，减少计算量。适用于无限域问题。有限差分法网格划分将计算域划分为规则网格。差分方程用差分代替微分方程中的导数。迭代求解通过迭代计算得到每个网格点的温度。结果分析处理数据，绘制温度场分布图。有限元法几何建模创建计算域的几何模型。网格划分将几何模型划分为有限个单元。单元分析建立每个单元的刚度矩阵。组装求解组装全局方程组并求解。单晶凝固1籽晶选择选择合适的单晶籽晶。2定向凝固控制温度梯度，实现单一取向生长。3去除缺陷消除二次晶粒和其他缺陷。4后处理热处理以优化性能。多晶凝固1异质形核2晶粒生长3晶粒碰撞4晶界形成多晶凝固过程中，多个晶核同时生长，最终形成具有晶界的多晶结构。晶粒大小和取向分布对材料性能有重要影响。凝固缺陷收缩孔洞体积收缩液态金属凝固时体积减小。补缩不足液态金属无法及时填充收缩空间。微观孔洞枝晶间形成微小收缩孔洞。偏析宏观偏析大尺度成分不均匀，如正偏析和反偏析。微观偏析晶粒尺度的成分变化，如枝晶间偏析。带状偏析周期性成分变化，形成条带状结构。组织结构的形成1形核液态中形成固态晶核。2晶体生长晶核长大，形成初生相。3二次相析出残余液体凝固，形成共晶或其他相。4固态相变冷却过程中可能发生相变。树枝晶的生成不稳定界面凝固界面出现微小扰动。枝晶尖端生长扰动加剧，形成主枝晶。侧枝发展主枝晶侧面长出次生枝晶。枝晶网络形成形成复杂的三维树枝晶结构。组织结构的表征光学显微镜观察微观组织形貌。电子显微镜高分辨率观察和成分分析。X射线衍射晶体结构和相组成分析。热分析相变温度和潜热测定。金相分析1样品制备切割、磨制和抛光金属样品。2腐蚀处理选择合适的腐蚀剂显示组织。3显微观察使用光学显微镜观察组织形貌。4图像分析定量分析晶粒大小和相分布。凝固理论的应用铸造工艺优化改善铸件质量，减少缺陷。焊接过程控制预测和控制焊缝组织结构。晶体生长半导体和光学晶体的生长。增材制造3D打印中的材料凝固控制。铸造工艺的优化1模拟分析利用凝固模拟软件预测缺陷。2工艺改进优化浇注系统和冷却条件。3材料选择选择合适的合金成分和铸型材料。4质量控制实施严格的过程监控和检测。凝固工艺参数的控制浇注温度控制液态金属的初始温度。冷却速率调节冷却介质和冷却方式。温度梯度控制定向凝固的温度场。成分调控添加合金元素或细化剂。凝固模拟软件的使用几何建模创建铸件和铸型的3D模型。参数设置输入材料属性和工艺参数。网格划分生成计算网格。求解计算运行凝固模拟。结果分析分析温度场和缺陷预测。凝固理论的发展趋势多尺度模拟结合宏观和微观模型，实现更精确的预测。人工智能应用利用机器学习优化凝固过程和预测性能。原位观测技术