海南大材料科学基础课件Chapter 8 材料加工成形的传热过程

第八章材料加工成形

的传热过程液态成形的传热塑性成形的传热焊接过程的传热内容高温材料的塑性变形抗力材料加工成形大多在加热状态下进行材料的加工成形方法不同、加热方式不同，传热过程也不一样此外加热过程还存在氧化、脱碳、化学冶金等现象对材料的组织结构及缺陷的形成、产品的质量和生产效率有重要影响8.0前言热传递的三种方式：热传导、热辐射、热对流8.1液态成形的传热定义：液态成形是将材料加热溶化到液态，然后浇注到与零件的形状、尺寸相适应的型腔中，经冷却凝固获得所需的毛坯或零件过程。传热过程绝大多数为三位传热问题结晶潜热热物理参数随温度变化而变化传热相当复杂铸件与铸型传热通过若干区域进行……8.1.1液态成形的传热特点加热方式传热方式传热特点焦炭或煤气对流为主传导为辅范围广、热量大、加热速度有限、温度不是很高电弧加热对流为主传导为辅加热速度快、温度高感应加热传导为主能量高度集中、加热速度快、温度高铸件在凝固过程中断面上存在固态外壳、固液态并存的凝固区域和液态区，在金属型铸造凝固时还可能出现中间层，因此传热是通过若干个区域进行的。除了三相或四相平衡的共晶、包晶和包共晶反应外，冷却凝固过程是一个温度区域范围内进行的，非恒温过程。基本液态成形过程：熔化凝固＋8.1.2液态成形的热效率

能量可通过对流、辐射、传导以及热加工工艺等因素而被损失，并不能100%被利用。热效率:有效能量提供的能量影响热效率的因素主要有：热源的性质、热加工工艺方法、被加热材料的种类性质及尺寸形状、周围介质环境等。以冲天炉为例：QL为焦炭发热量(kJ/kg);C,S,O,H,W为焦炭中碳、硫、氧、氢和水的质量分数(%)由于焦炭主要成分是碳，若不考虑其他因素影响，焦炭发热量可近似为：A为焦炭中灰分的质量分数焦炭发热量还与冲天炉的送风状况、炉型及操作工艺有关焦炭燃烧发出的热量另一部分还通过耐火材料、外壳、热风等途径散失，据统计，冲天炉的总热效率为30～50%，其中预热区的热效率在20%以上，溶化区热效率约60%，过热区热效率仅7%左右。电弧炉和感应炉的热效率比冲天炉高得多凝固过程通过铸模及浇冒口释放的热量包括两部分：结晶潜热L，取决于材料本身相变特性和结晶量；另一小部分是液相和固相在冷却降温时释放的物理热Q，它与材料的比定压热容Cp和温度变化量ΔT密切相关。

显然，凝固过程的冷却速度与材料本身、浇注凝固方式、铸型材料及零件大小及形状有关。电弧炉感应炉8.1.3液态成形的温度场温度场是指加热和冷却过程中某一时刻空间所有各点的温度分布状况。它是时间和空间的函数，可通过实测或数值模拟计算方法获得。根据铸件温度场随时间的变化，可预测其断面上每时刻的凝固区域大小、凝固前沿向中心推进的速度、缩孔和疏松的位置和凝固时间等，从而为正确设计浇注系统，采取相应的工艺措施提供可靠依据，对于消除铸造缺陷，改善铸件组织和性能很重要。该过程是不稳定的热扩散和三维传热问题铸件中液相和固相在冷却降温时释放出的热量，占总释热的20%左右；结晶潜热约占80%以纯铜为例，结晶潜热L为211.5kJ/kg,在熔点附近的液态比定压热容cpL为0.46kJ/kg,则等效温度区间ΔT*为：计算得纯铜ΔT*为456oC,即纯铜凝固时放出的潜热相当于它温度下降456oC时所放出的过热热量。再辉现象假定单位体积、单位时间内凝固时固相部分部分的增加率为:其中ρ为材质的密度(kg/m3)，L为结晶潜热(J/kg)，fs为凝固时固相的份数对于一维系统对于二维系统对于三维系统可见，若固相中fs和温度T已知，很容易进行数值求解对于一维问题：上式中，λ为材料的热导率[W/(m·K)]，c为材料的比热容[J/(kg·K)]，T为温度(K)1、绝热铸型中的凝固砂型、石膏型、陶瓷型、熔模铸造等铸造材料的热扩散系数远小于凝固金属的热导率，可统称为绝热铸型。四种主机那和铸型的温度分布特点：凝固传热过程中，金属铸件的温度梯度远小于铸型中温度梯度，可将金属温度梯度忽略不计，即铸件断面的温度分布是均匀的，铸型内表面的温度接近于铸件的温度。若铸型足够厚，由于铸型热导率低，铸型的外表面仍保持初始温度T0。绝热铸型本身的热物理性质是决定整个体系热扩散过程的主要因素。铸件的冷却强度主要取决于铸型的热物理参数2、以界面热阻为主的金属铸型中的凝固较薄的铸件在工作表面涂有涂料的金属铸型中铸造时，界面处热阻较铸件和铸型要大得多，热扩散取决于涂层的热物理性质。可见金属型铸造可通过改变涂料厚度或其热物理性质控制铸件的冷却强度。例如生产中铸铁件的金属型铸造利用涂料防止铸件产生白口。金属型铸造铝合金件中，常在冒口用的涂料中加入石棉粉增加热阻以提高冒口的补缩效果。3、厚壁金属铸型中的凝固金属型的涂料层很薄时，厚壁金属铸型中的凝固金属和铸型的热阻不可忽略，存在明显的温度梯度。由于界面的热阻相对很小可忽略不计，铸型内表面和铸件表面温度相同。可认为凝固热扩散为两个半无限大物体的热扩散，该过程取决于铸件和铸型的热物理性质。4、水冷金属铸型中的凝固通过控制冷却水温度和流量使铸型温度近似恒定，在不考虑界面热阻的情况下，凝固金属的表面温度等于铸型温度。主要热阻是凝固金属的热阻，铸件中有较大的温度梯度。熔模精密铸造中用金属型压制蜡模，在金属型中制造塑料制品就属于这种情况。8.2塑性成形的传热热塑性成形加工（热锻、热轧、热挤压等）显微组织结构变化晶粒度形状晶粒长大热应力热扩散率、膨胀系数等热物理性能参数氧化或脱碳反应……8.2.1热塑性成形的传热特点热源主要通过对流和辐射对材料加热，材料内部主要通过传导传递能量1.金属材料在加热时热扩散性能变化2.金属材料在加热过程中的氧化和脱碳现象1.金属材料在加热时热扩散性能变化

扩散的激活能–Q

：扩散系数D=Doe–Q/RT右图为若干种钢材的热扩散与温度的关系曲线。可见低温阶段各种钢的热扩散率相差很大。碳钢和低合金钢的热扩散性很好，而高合金钢的热扩散性较差，应缓慢加热。2.金属材料在加热过程中的氧化和脱碳现象1）氧化高温下，金属材料表层与O2、CO2、H2O等发生氧化反应，致使表层金属被氧化。影响氧化的因素：①炉气性质②加热温度③加热时间④钢的化学成分为防止氧化，加热工艺可采取如下措施：①保证锻件质量前提下，尽量快速加热，特别是

缩短高温下停留时间；②控制炉气性质，保证燃烧完全条件下尽可能减少

空气过剩量，减少燃料中水分含量；③介质保护。气体保护介质如惰性气体、液体保护

介质如玻璃熔体及熔盐、固体保护介质如玻璃粉

和金属镀膜等。2）脱碳

钢在高温加热时，表层中的碳和炉气中的氧化性气体如O2、CO2、H2O等，或与H2等还原性气体发生化学反应，致使钢表层碳含量降低的现象称为脱碳。注：反应的可逆性！CO和CH4则可增碳。影响脱碳的因素：①钢的化学成分②炉气成分③加热温度④加热时间

脱碳使锻件表面变软，强度和耐磨性降低。对于高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳是一种严重的缺陷。对于精密锻造，锻前加热应避免脱碳现象。8.2.2塑性成形加热过程的热效率1.火焰加热2.电加热煤、焦炭、重油或煤气等，一般而言热效率较低。1)感应电加热据感应线圈交变电流频率高低，分高频加热和工频加热由于集肤效应，金属坯料表层被加热然后通过热传导向金属内部传递能量。大直径坯料→低频电流小直径坯料→较高频电流2)接触电加热3)电阻炉加热4)盐浴炉加热

以低电压大电流形式直接通入金属胚料，依靠胚料内部电阻热作为热源加热胚料，此种方式一般热效率较高。

利用电流通入炉内均匀分布电热元件所产生的热量，以辐射、对流传热方式来加热金属胚料，加热温度一般1100oC以下。

分内热式和外热式，加热速度快，温度均匀，氧化脱碳现象轻微，但效率低。8.2.2塑性成形的温度场塑性成形的钢锭或钢材加热过程中，开始时总是表面的温度高于中心的温度，出现断面温度差。ΔT的大小取决于刚才的热扩散能力、断面尺寸、加热速率以及炉温与料温之间的温度差。断面温度差将向锻件产生三向的内应力，随着加热时间的延长，断面温度差逐渐缩小。冷却过程呢？8.3焊接过程的传热

焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接过程的实质是通过物理—化学过程（加热、加压），使两个分离的固态体产生原子（分子）间结合力，即借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。

焊接在现代工业生产中具有十分重要地作用，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越，因为它可以化大为小，化复杂为简单的方法准备坯料，然后用逐次装配焊接的方法拼小成大，这是其他工艺方法难以做到的。被焊接的物体包括同种金属：钢、合金钢、不锈钢、铸铁异种金属：Cu-Al、不锈钢-Al、碳钢-不锈钢非金属类：石墨、陶瓷、玻璃、塑料金属与非金属：金属-陶瓷、金属-塑料焊接方法分类

熔化焊属于最典型的液相连接，将材料加热至熔化，利用液相的相容而实现原子间的结合

压力焊属于典型的固相连接，通常连接的温度均低于母材金属（或金属中间层）的熔点，它利用压力使待连接表面在固态下达到紧密接触，通过塑性变形，再结晶和扩散实现原子间的结合

钎焊属于典型的液-固相连接，材料钎焊时，选用比母材熔点低的填充材料（钎料），在低于母材熔点，高于钎料熔点的温度下，借助熔化钎料填满母材间的间隙，并通过钎料与母材的相互作用，然后冷却凝固成牢固的接头8.3.1焊接过程传热特点1、加热过程的局部性2、加热过程的瞬时性3、焊接热源的移动性4、热循环过程5、焊接的复合传热1、加热过程的局部性焊接热源热量集中，功率密度大，相对加热面积小钨极氩弧焊最小加热面10-3cm2，激光焊10-8cm2，焊接熔池中心与周边偏离加热区之间的温差很大熔池前部熔化、熔池后部凝固、熔池内部复杂热源最小积热面积/cm2最大功率密度/W·cm-2温度/K氧乙炔火焰10-22×1033400~3500金属极电弧10-31046000钨极氩弧焊（TIG）10-31.5×1048000埋弧自动焊10-32×1046400电渣焊10-21042300熔化极氩弧焊（MIG）10-4104~105CO2气体保护焊10-4104~105等离子焰10-51.5×10518000~24000电子束焊10-7107~109激光焊10-8107~109常用熔焊热源的主要热特性钨极氩弧焊加热速度可达1700oC/s不稳定温度场