华科__材加考研__材料成形原理课件4资料.ppt

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1、Chapter4Transportphenomenainsolidification第四章液态金属凝固中的传热、传质及液体流动UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan§4-1凝固过程中的传热1、凝固传热的控制方程以热传导为主：T=f（x，y，z，t）液态成形过程中，液态金属一旦进入铸型，就开始了铸件与铸型间的热作用。热作用的特点决定着铸件或材质的性能。铸件凝固过程中热作用是极其复杂的。但可认为在液态金属充满铸型的时刻，整个铸型中液态金属的温度是均匀的。随着温度下降，铸件开始凝固，

2、凝固壳层从冷却表面产生、长大，已凝固的壳层进一步冷却，热量从最热的中心流经凝固层再传导给温的铸型。可见，凝固过程的温度分布是铸件中心温度最高，远离铸件——铸型界面的铸型温度最低，如图所示。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（1）传热过程及凝固过程（2）传热分析方法◎解析法：假设条件通解对铸件：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UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan◎测温法a.温度场测

3、量b.凝固动态曲线UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3．数值计算法数值计算法是把所研究的物体从时间和位置上分割成许多小单元，对于这些小单元用差分方程式近似地代替微分方程式，给出初始条件和边界条件，逐个计算各单元温度的一种方法。即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦杂而已，在原则上都是可以计算的。数值计算法比其它近似计算法准确性高，当单元选得足够小时，差分方程的离散误差趋于零。用差分法把定解问题转化为代数方程，就可由电子计算机计算。数值计算法有种种方法，目前，有限差分法应用

4、较多。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（三）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。如铝的导热系数是比铁碳合金高9-11倍，而高合金的高锰钢的导热系数只有碳钢的1/3。2）结晶潜热金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间则要长，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。UCSDMAE-1F

5、luidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3）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，其凝固温度低是主要原因之一。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，铸件是的温度梯度就越大。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。如金属型、涂料等的影响。UCSDMAE-

6、1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2）铸型的预热温度的影响铸型预热温度越高，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。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，散出的热量为较大何种的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸

7、件内凹的表面，则相反。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan三．铸件的凝固方式1．凝固动态曲线将图4－2中给出的液相线和固相线温度直线与T—t曲线各交点分别标注在X／R—t坐标系上，再将各液相线的交点和各固相线的交点分别相连，即得到液相线边界曲线和固相线边界曲线，二者组成动态凝固曲线（如图4-2d所示）。纵坐标中的X为型腔边缘到中心方向的距离，分母R是圆柱体半径。因凝固是从型腔边缘向中心推进的，所以X／R＝1表示已凝固至中心。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocu

8、sAreaLectureNotes,G.R.Tynan无限长圆棒试样测温及结果处理UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLec