铸件成形原理 教学课件 作者 祖方遒 第2章　凝固温度场.pptx

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1、铸件成形原理第2章　凝固温度场2.1　传热基本原理2.2　铸件的传热特点2.3　铸件凝固温度场的研究方法2.4　铸件的凝固时间2.5　影响铸件温度场的因素2.6　铸件凝固方式及与铸件质量的关系2.1　传热基本原理2.1.1　基本概念2.1.2　热量的传递形式2.1.3　导热基本定律2.1.1　基本概念1.温度场2.等温面(线)3.温度梯度1.温度场2.等温面(线)在同一时刻，温度场中由温度相同的各点所组成的面(或线)称为等温面(或等温线)，它可以是平面(或直线)，也可以是曲面(或曲线)。在同一等温面(线)上，各处

2、的温度是相同的，所以在同一等温面(线)上没有热量传输，热量只能由温度高的等温面(线)向温度低的等温面(线)传输，其传输方向为等温面(线)的法线方向。3.温度梯度梯度是矢量，通常把温度增加的方向作为温度梯度矢量的正方向。如图2-1所示，热量传输方向为温度降低的方向，二者方向正好相反。3.温度梯度图2-1　热量传输方向和温度梯度方向3.温度梯度2.1.2　热量的传递形式热量传递有三种基本方式，即传导传热、对流传热和辐射传热。工程实际中所遇到的热量传输现象，常常是这几种基本热量传输方式的组合。热量依靠物体中微观粒子(分

3、子、原子或自由电子)的热运动，从物体中温度较高部位向温度较低部位传输，或者从温度较高物体传输到与之接触的温度较低物体，这一过程称为传导传热，简称导热。在固体、液体以及气体中都可以进行传导传热,如金属中有相当多的自由电子可在晶格间运动，故金属具有良好的导热性。2.1.3　导热基本定律1.傅里叶导热定律2.导热微分方程1.傅里叶导热定律1.傅里叶导热定律表2-1　几种非铁纯金属及合金的热物性参数1.傅里叶导热定律表2-1　几种非铁纯金属及合金的热物性参数1.傅里叶导热定律表2-2　铁及几种铁基合金的热物性参数2.导热

4、微分方程2.导热微分方程2.2　铸件的传热特点(1)非金属型　非金属型(一般皆指砂型)的热导率比金属铸件的热导率小得多，铸件在非金属型中凝固冷却时，由于铸型的热导率小，所以铸件冷却缓慢，其断面上的温差很小，即热阻较小。(2)金属型2.2　铸件的传热特点图2-2　采用非金属型铸造时铸件和铸型断面的温度分布(1)非金属型图2-3　铸件冷却和铸型被加热均不激烈时的金属型铸造铸件和铸型断面上的温度分布(2)金属型1)当金属型铸造的铸件冷却和铸型被加热都不十分激烈时，意味着同为金属的铸件和铸型的断面具有相近的温度分布规律，

5、或其热阻相近，在铸件和铸型之间的中间层的热交换性质对整个传热体系具有重要作用。2)当金属型铸造的铸件冷却和铸型被加热均很激烈时，铸件和铸型断面上的温度分布如图2-4所示。3)当采用具有很高冷却能力的铸型时，其铸件和铸型断面上的温度分布如图2-5所示。(2)金属型图2-4铸件冷却和铸型被加热均很激烈时的金属型铸造铸件和铸型断面上的温度分布图2-5　采用具有高冷却能力的金属(2)金属型2.3　铸件凝固温度场的研究方法2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法2.3.2　铸件凝固温度场的数值计算法2.3.3　铸件凝固温度场

6、的测量法2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法铸件凝固温度场的数学解析法是运用数学解析的方法研究铸件和铸型间的热交换规律，建立描述铸件凝固过程传热特征的各种物理量之间关系的微分方程式，然后根据具体问题的单值(几何、物理、初始和边界)条件对方程式进行解析求解，从而获得铸件在不同凝固时间和位置的温度解析表达式。1)铸件在铸型中凝固和冷却过程中的传热方式是非常复杂的，包括传导、对流、辐射等多种传热方式。2)铸件在铸型中凝固和冷却过程中的传热是一个非稳定的传热过程，铸件上各点的温度随时间下降，而铸型温度则随时间上升。3)

7、铸件的形状是各种各样的，且是三维的。2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法4)铸件在凝固过程中是有热源传热，在凝固过程中结晶潜热不断地释放，且释放位置随凝固进程不断变化，结晶潜热释放也是非线性的。5)铸件凝固过程存在多个不同的传热区域和传热界面，包括已凝固的固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，还存在铸件与铸型之间的非紧密接触的传热界面，以及铸件与大气和铸型与大气之间形成的界面。6)铸件的各种热物性参数随温度而变化，而铸型的各种热物性参数不但与铸型的组成及造型工艺有关，且与温度有关，均不是固定的数值。7)在数学

8、上，如式(2-12)之类的多元、高阶偏微分方程在多种复杂单值条件下解析求解中的多种问题还远远没有获得满意的解决。2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法图2-6　半无限大铸件在铸型中冷却系统示意图2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法2.3.1　铸件凝固温度场的数学解析法2.3.1　铸件凝固温度场的