液态金属成形原理第二章

1、第二章 凝固温度场,第二章 凝固温度场,一、基本概念 1.温度场 空间上一切点的瞬时温度值的集合。,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（温度只是坐标的函数）。,第一节 传热基本原理,第二章 凝固温度场 第一节 传热基本原理,一、基本概念 2.等温面（线）,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。 3.温度梯度：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，等温面（或等温线）越密集。,二、热量传递的方式： 由温差引起的自由电子的移动，使热量 从一个物体传递到另一个物体的过程。,热传

2、导：,热辐射：,热对流：,因热引起的电磁波辐射。是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。其能量分为红外线（1500-760nm）、可见光（760-390nm）和紫外线（400-10nm）等。其中红外线对人体的热效应显著。,热量通过流动介质，由空间的一处传播到另一处的现象。,第二章 凝固温度场,第一节 传热基本原理,传导、对流、辐射,热传导传热时，单位时间内通过给定面积的热量正比于垂直导热方向的截面积及温度变化率，即： 其导热量与温差之间符合Fourier导热定律。,热流密度：单位时间内通过单位面积上的热量,温度梯度,一维导热的热量传递,热阻,(热导率W m-1 K-1) (导热系数)

3、,第二章 凝固温度场 第一节 传热基本原理,三、导热的基本定律 1. Fourier导热定律,推导一维导热微分方程示意图,比热容(J kg-1 K-1),第二章 凝固温度场 第一节 传热基本原理,三、导热的基本定律 2. Fourier导热微分方程,不考虑结晶潜热,热扩散率（导温系数）,第二章 凝固温度场 第一节 传热基本原理,三、导热的基本定律 2. Fourier导热微分方程,适合轴对称场合,推导圆柱坐标系导热微分方程示意图,第二章 凝固温度场 第一节 传热基本原理,对于轴对称的物体，Fourier导热微分方程的表达式为：,三、导热的基本定律 2. Fourier导热微分方程,假 设： 铸

4、件的参数用1表示，铸型参数用2表示： 凝固初始状态时，铸件与铸型内部分别为均温， 金属的凝固温度区间很小，可忽略不计； 不考虑凝固过程中结晶潜热的释放； 铸件和铸型的热物理参数不随温度变化； 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 。,一、数学解析法求解温度场,半无限大铸件在铸型中冷却 (一维温度场数学解析法推导),则铸件侧的温度场,第二章 凝固温度场,第二节 铸件凝固温度场的研究方法,1. 解析过程,一、数学解析法求解温度场,第二章 凝固温度场,第二节 铸件凝固温度场的研究方法,初始条件：当t=0时， T1=T10， T2= T20 边界条件：在x=0处(t0) ， T

5、1=T2= Ti,代入式中，得,则,铸型侧同理，得,则,1. 解析过程,一、数学解析法求解温度场,第二章 凝固温度场,第二节 铸件凝固温度场的研究方法,初始条件：指物体开始导热（即 t = 0 ）时的瞬时温度分布 边界条件：是导热体表面与周围介质间的热交换情况,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,1. 解析过程,根据界面处热流连续的关系，可求出界面温度Ti,第二节 铸件凝固温度场的研究方法,第二章 凝固温度场,一、数学解析法求解温度场,1. 解析过程,中

6、间层：间隙及涂料层,K：传热准则数,铸件-中间层-铸型传热系统,R：,热阻 热阻越大，温度分布曲线越陡,一、数学解析法求解温度场,2. 铸件的传热特点,铸件（K11）断面上的温度分布,铸件（K11）和有厚涂料的金属铸型（K2 1）和金属铸型（K2 1）断面上的温度分布,非金属铸件（K11）和金属铸型（K2,第二章 凝固温度场,第三节 影响铸件凝固温度场的因素,一、金属的性质,二、浇注条件,浇注温度高（过热度大）： 浇注速度快： 则温度分布曲线平缓。,温度梯度曲线,三、铸型的性质,蓄热系数大： 则温度分布曲线陡峭， 温度梯度大； 初始温度高： 则温度分布曲线平缓， 温度梯度小。,黄铜铸件在不同种

7、类的铸型中凝固的温度场 （a）砂型（b）铜铸型 （c）水冷铜铸型,黄铜铸件在厚度不同的铸铁铸型中的凝固温度场 （a）厚壁铸型 （b）薄壁铸型,四、铸件的结构,壁厚大： 内角处：,则温度分布曲线平缓，温度梯度小。,L形和T形铸件不同时刻的等固相线,直角和内圆角的凝固情况,（1）金属或合金的性质： 导温系数大、结晶潜热大，则温度分布曲线平缓， 凝固温度TS低，则温度梯度小，温度分布曲平缓。 （2）浇注条件 浇注温度高、浇注速度快，则温度分布曲线平缓。,（3）铸型性质： 蓄热系数小、初始温度高，则温度分布曲线平缓。 （4）铸件的结构： 铸件壁厚越厚、形状处于内角，则温度分布曲线平缓。,内 因,外 因

8、,归纳影响铸件温度场的因素：,一、铸件的凝固区域及凝固区域结构,某瞬间的凝固区域,第二章 凝固温度场,第四节 铸件的凝固方式及与铸件质量的关系,凝固区域结构示意图,一、铸件的凝固区域及凝固区域结构,1. 逐层凝固方式 凝固区域窄，固、液相界面清晰，凝固层逐步向铸件中心推进。,无结晶温度范围,窄结晶温度范围,二、铸件的凝固方式,2. 体积凝固（糊状凝固）方式 凝固区域宽，无明显的固、液相界面，凝固结束前无固相区。,结晶温度范围宽,温度梯度小（温度分布曲线平缓）,二、铸件的凝固方式,3. 中间凝固方式 介于逐层凝固和体积凝固之间的凝固方式。,结晶温度范围宽,温度梯度小,二、铸件的凝固方式,1. 内

9、因： 结晶温度范围,2. 外因： 温度梯度,结晶温度范围窄和温度梯度大有利于铸件按逐层凝固方式凝固,三、影响铸件的凝固方式的因素,（a） （b） （c） 不同含碳量的碳钢在砂型和金属型中铸造时的凝固动态曲线,三、影响铸件的凝固方式的因素,四、铸件凝固的方式与铸件质量的关系,1. 逐层凝固方式与铸件质量的关系 柱状晶生长，界面平滑清晰，易形成集中缩孔。,逐层凝固方式中界面前沿齿形凝固过程示意图,逐层凝固方式的缩孔特点,四、铸件凝固的方式与铸件质量的关系,2. 体积凝固方式与铸件质量的关系 树枝晶发达，易形成分散缩孔（缩松）、热裂。,体积凝固方式凝固过程示意图,体积凝固方式的缩松,四、铸件凝固的方式与铸件质量的关系,3. 工业上常用合金的凝固方式倾向,常见的几种窄结晶温度范围的合金,常见的几种倾向于体积凝固的合金,一、凝固时间的理论计算,凝固时间： 液态金属充满铸型后至铸件完全凝固所需的时间。,铸件放出的热量,铸型吸收的热量,第二章 凝固温度场,第五节 铸件的凝固时间,根据Fourier导热定律,代入Q1=Q2中，整理后得,M模,K,由于热量传递随时间变化，所以,对dQ2在t 为0和t凝之间积分，得,凝固系数,二、凝固时间的经验计算法,1. 平方根定律