第2章——凝固温度场-2014.pdf

《第2章——凝固温度场-2014.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章凝固温度场刘洪喜昆明理工大学材料科学与工程学院主要内容一、传热基本原理二、铸件凝固温度场的解析解法三、熔焊过程温度场第一节传热基本原理•温度场与传热学的基本理论•凝固传热过程的基本方程•凝固温度场的求解方法一、温度场与传热学的基本理论（一）温度场基本概念凝固温度场：液态成形过程中，温度随着空间和凝固时间的变化过程不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场T=f()x,y,z,t铸造过程中不同时刻温度场激光熔覆系统及其温度场充型过程合金温度场分布稳定温度场：不随时间而变的温度场，即温度只是坐标的函数T=f()x,y,z等温面：空间上具有相同温度的点相互

2、连接所组成的面等温线：用某个特殊平面与等温面相截所得的交线。①任意一条等温线上各点的温度都相等。②物体中任何一条等温线要么形成一条封闭的曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交温度梯度：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。①温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集；②变化有两种，一种是不断升高，一种是不断降低，即正温度梯度和负温度梯度；③温度梯度是具有方向性的物理量，其矢量表达式为：ΔT→∂T→gradT=limn=nΔn→0Δn∂n凝固过程中，对凝固速度和凝固组织特征有重要影响的是固-液界面前沿液相中的温度梯度（二）传热基本方式1、

3、热传导（导热）：指物体中有温差时，由于直接接触的物质质点作热运动而引起的热能传递过程。是固体内部的热量传递。傅立叶定律指出，均质材料物体内各点的热流密度（单位时间内通过单位面积的热量）与温度梯度成正比，即∂T→q=−λgradT=−λn∂n由于热量传递的方向（由高温向低温）和温度梯度的方向（由低温向高温）相反，因此，上式中用负号表示注意，傅立叶定律在不同的温度场中可以有不同的表达式2、热对流：指由流体(液体、气体)中温度不同的各部分相互混合的宏观运动而引起的热传递现象。即固体表面与流体间的热量传递。由于引起流动的动力不同，对流类型可分为：¾自由对流：由质点间温度差或密度差而引

4、起的浮力流¾受迫对流：由外力作用形成的对流。受迫对流在传递热量的强度方面要大于自由对流加大液体或气体的流动速度，能加快对流传热3、热辐射：指物体表面对外发射热射线而在空间传递热量的现象。①即物体表面与不直接接触的周围物体间热量的传递。②凡是温度高于绝对零度的物体都能发射辐射能。③热辐射的主体和受体是相对的，辐射能的传递是往复发生的。一定时间后双方的辐射速度趋于一致便达到热平衡。④热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强4、热传导、热对流、热辐射的区别①热传导是热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象，是固体中热传递的主要方式。②对流是液体或气体中

5、较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。③热辐射是物体因自身的温度而具有向外发射能量的热量传递方式二、凝固传热的基本方程（一）凝固过程的传热特点铸造过程：液态金属在充型过程中与铸型间的热量交换以对流为主；在铸型中的凝固、冷却过程以热传导为主熔焊过程：热量从热源传递给焊件以对流和辐射为主；形成熔池后，熔池中热量则主要以热传导方式向母材传递，形成焊缝热传导传热方式是铸件凝固温度场与焊接温度场中热量传递的主要形式（二）热传导过程的偏微分方程根据能量守恒定律和傅立叶定律来建立导热物体中温度场的微分方程。其中，三维傅立叶热传导微分方程为式中，α是材料的热扩散率，α=λ/

6、cρ；即热导率（导热系数）与比热和密度乘积的比值；单位为W/(m·k)2T是拉普拉斯运算符号二维傅里叶热传导微分方程为热扩散率的物理意义热扩散率是确定物质内部温度前迁速率的一种性能①α越大，表示物体受热时，其内部各点温度扯平的能力越大一维傅里叶热传导微分方程为②α越大，表示物体中温度变化传播得越快。故α也是材料传播温度变化能力大小的指标，也称作导温系数对具体热场，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：是指物体开始导热时（即t=0时）的瞬时温度分布边界条件：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：

7、给定物体表面温度随时间的变化关系，表达式为：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，表达式为第三类边界条件：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，表达式为三、凝固温度场的求解（一）解析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：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