第4章 液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动

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1、材料成型与控制专业第四章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动8/28/20211/54第一节凝固过程中的传热在材料成形过程中，液态金属的过热热量和凝固潜热主要是通过传导而释放的。8/28/20212一、凝固过程中的热传导及傅里叶方程凝固过程中，热量传递有三种形式：传导、辐射、对流。以热传导为主。热传导过程取决于温度的分布——温度场：温度随空间和时间的变化。T=f（x，y，z，t）Fourier热传导方程：α为导热系数，λ为热导率，c为比热容，ρ为密度。8/28/20213凝固导热属非稳态导热；导热微分方程的解较复杂；形状简单的物体：大平板、长圆柱、

2、球体——可得解析解；复杂件的凝固问题：采用计算机数值模拟。8/28/20214二、铸件凝固温度场1、铸件凝固过程中热作用的特点（1）金属的流动特点影响热交换。充型时——紊流——温度均匀。（2）随温度下降——开始凝固——凝固壳从冷却表面产生、长大。（3）热量从最热的中心流经凝固层，传给铸型。（4）凝固过程温度分布：铸件中心温度最高，远离铸件/铸型界面的铸型温度最低。凝固过程中铸件与铸型的温度分布8/28/202152、凝固传热研究方法◎解析法：假设一维导热通解对铸件：边界条件初始条件对铸型：边界条件初始条件2、铸件凝固温度场8/28/20216◎实测法a

3、.温度场测量b.凝固动态曲线8/28/20217◎数值模拟法数值模拟法：把所研究的物体从时间和位置上分割成许多小单元，对这些小单元用差分方程式近似代替微分方程式，给出初始条件和边界条件，然后逐个计算各单元温度。即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦杂而已，原则上都是可以计算的。实测法直观、可靠性好，但不方便；解析法适宜简单件，有许多假设，误差大。数值模拟法比其它方法准确性高，当单元选得足够小时，差分方程的离散误差趋于零。数值模拟法有多种方法，有限差分法应用较多。8/28/202183、影响铸件温度场的因素（1）金属性质的影响1）金属的导热系数铸件凝固

4、时表面的温度比中心要低。金属的导热系数大，铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度就小，即断面上的温度分布较平坦。2）结晶潜热金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间长，铸型内表面被加热的温度也越高，因此铸件断面上的温度梯度较小，铸件冷却速度下降，温度场分布较平坦。3）金属的凝固温度金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，致使铸件断面温度场出现较大的梯度。如有色金属与钢铁相比，其温度场较平坦。8/28/20219（2）铸型性质的影响1）铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大，铸件内的温度梯度

5、就越大。铸型的导热系数越大，能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度也就大。2）铸型的预热温度铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也就越小。8/28/202110（3）浇注条件的影响过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于铸型预热温度越高。铸件内的温度场越平坦。（4）铸件结构的影响1）铸件的壁厚厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场较平坦。2）铸件的形状铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。向外凸出的部分，散出的热量被较

6、大体积的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸件内凹的表面，则相反。8/28/202111SSS+LS+LLTLTST逐层凝固糊状凝固SSS+LTLTST三、铸件的凝固方式及影响因素中间凝固8/28/202112金属或合金凝固分区示意图凝固时各区域组成：（1）固相区：全部固体（2）凝固区：液体+固体（3）液相区：全部液体8/28/2021131）逐层凝固方式纯金属、共晶合金或结晶温度范围很小的合金，铸件断面温度梯度很大，导致铸件凝固区很小或没有。这种凝固方式叫逐层凝固方式。8/28/2021142）体积凝固方式合金结晶温度范围大或铸件断面温度梯度小，铸件凝

7、固范围很大。这种凝固方式叫体积凝固方式。8/28/2021153）中间凝固方式铸件凝固范围介于逐层凝固方式和体积凝固方式之间。这种凝固方式叫中间凝固方式。8/28/202116凝固方式对铸件质量的影响1）逐层凝固方式：易补缩，不易产生缩松，组织致密，性能好。能在最后凝固部位形成集中缩孔。裂纹能愈合，热裂倾向小。充型能力好。2）体积凝固方式：不易补缩，易产生缩松。件性能差。热裂倾向大。充型能力差。8/28/202117逐层凝固过程逐层凝固缩孔特点体积凝固过程体积凝固方式的缩松8/28/202118影响凝固方式的因素1）合金的化学成分纯金属和共晶合金，凝固

8、温度区间（液相线和固相线温度差）为零，为逐层凝固方式。当合金凝固温度区间很大时，凝固范围宽，为