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1、液态成形过程的传热第1页，共32页，编辑于2022年，星期一7.1 7.1 液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式浇铸 铸件铸型热交换 （显热、潜热）液态金属接触铸型开始热交换 强制对流 金属受到激冷 充满后 强制对流停止 继续降温 自然对流停止（由温差、浓度差引起）从表面开始凝固至完毕三个层 铸型层 金属与铸型界面 金属凝固层第2页，共32页，编辑于2022年，星期一7.1 液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式7.1.1 7.1.1 铸型的热阻起决定作用铸型的热阻起决定作用铸型热阻较大：（绝热铸型）
2、导热系数21；如砂型、陶瓷型；金属铸件的温度梯度铸型中的温度梯度，则可忽略不计；绝热铸型本身的热物理性质是决定整个传热过程的主要因素；第3页，共32页，编辑于2022年，星期一7.1.2 7.1.2 金属金属-铸型界面热阻起决定作用铸型界面热阻起决定作用界面热阻较大：如较薄的铸件在工作表面涂有隔热涂料的金属型中铸造如较薄的铸件在工作表面涂有隔热涂料的金属型中铸造;金属铸型界面处热阻较铸件和铸型中的热阻大得多；金属铸型界面处热阻较铸件和铸型中的热阻大得多；若金属无过热浇注，则界面处铸件的温度等于凝固温度（若金属无过热浇注，则界面处铸件的温度等于凝固温度（t tF F=t=tC C)7.1 液态成
3、形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式第4页，共32页，编辑于2022年，星期一铸件热阻较大：通过控制冷却水温度通过控制冷却水温度和流量使铸型温度保和流量使铸型温度保持近似恒定持近似恒定不考虑金属铸型界不考虑金属铸型界面热阻；面热阻；7.1.3 7.1.3 金属凝固层热阻起决定作用金属凝固层热阻起决定作用7.1 7.1 液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式液态成形过程的传热特点与方式第5页，共32页，编辑于2022年，星期一1、温度场基本概念不稳定温度场不稳定温度场：温度场不仅在空温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的间上变化，并
4、且也随时间变化的温度场温度场：稳定温度场稳定温度场：不随时间而变的温不随时间而变的温度场度场（即温度只是坐标的函数）：7.2 铸件凝固温度场铸件凝固温度场第6页，共32页，编辑于2022年，星期一等温面等温面：空间具有相同温度点的组合面。：空间具有相同温度点的组合面。等温线等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方：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。温度梯度越大，图形上反映为等温面向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。（或等温线）越密集。第7页，共32页
5、，编辑于2022年，星期一2、传热基本方式7.2 铸件凝固温度场铸件凝固温度场A A 热传导热传导热传导热传导导热，属于接触传热导热，属于接触传热导热，属于接触传热导热，属于接触传热傅里叶第一定律傅里叶第一定律热流密度热流密度热导率热导率温度梯度温度梯度第8页，共32页，编辑于2022年，星期一B B 热对流热对流热对流热对流由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流自然对流：质点间温度差或密度差引起的浮力流强迫对流：外力驱动下的质点相对位移牛顿冷却定律h-换热系数Tw壁面温度Tf流体温度第9页，共32页，编辑于2022年，星期
6、一C C 热辐射热辐射热辐射热辐射由物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递，一切由物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递，一切自身温度高于自身温度高于0K的物体都会发出辐射能的物体都会发出辐射能斯蒂芬-玻耳兹曼定律玻耳兹曼常数物体的黑度第10页，共32页，编辑于2022年，星期一7.2 7.2 铸件凝固温度场铸件凝固温度场铸件凝固温度场铸件凝固温度场傅里叶第二定律傅里叶第二定律3、热传导过程的偏微分方程由于金属液凝固时还要释放出凝固潜热，故描述铸件凝固过程的热传导由于金属液凝固时还要释放出凝固潜热，故描述铸件凝固过程的热传导方程与上述还有所不同：方程与上述还有所不同：二维二维传热传
7、热：一维一维传热传热：第11页，共32页，编辑于2022年，星期一 对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体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。问题给出导热体的初始条件与边界条件。初始条件初始条件：初始条件是指物体开始导热时（初始条件是指物体开始导热时（即即 t=0 时）的瞬时温度分布。时）的瞬时温度分布。边界条件边界条件：边界条件是指导热体表面与周围边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。介质间的热交换情况。第12页，共32页，编辑于2022年，星期一A 解析法解析法解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去解析方法是直接应用现有
8、的数学理论和定律去推导推导和演绎数学方程和演绎数学方程（或模型），得到用（或模型），得到用函数形式函数形式表示的解，也就是解析解。表示的解，也就是解析解。优点优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚：是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。温度高低的影响。缺点缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合：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，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，实际情况，这就使解的精确程度受到不同
9、程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（只有简单的一维温度场（“半无限大半无限大”平板、圆柱体、球体）平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。才可能获得解析解。4、凝固温度场的求解方法、凝固温度场的求解方法第13页，共32页，编辑于2022年，星期一B B 数值方法数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的来求解数学模型的近似解（数值解）近似解（数值解），又称，又称为为数值模拟数值模拟或计算机模拟。或计算机模拟。差分法差分法:差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间领域和
10、空间领域内温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点有限个离散点的温的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。数值解。有限元法有限元法:有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分
11、割为的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。阵。第14页，共32页，编辑于2022年，星期一C 测温法a.温度场测量温度场测量b.凝固动态曲线凝固动态曲线无限长圆棒试样无限长圆棒试样测温及结果处理测温及结果处理t1t4第15页，共32页，编辑于2022年，星期一5、影响凝固温度场的因素、影响凝固温度场的因素1 金属性质金属性质1）热扩散率）热扩散率:
12、物体加热冷却时，内部各部分温度趋于一致的能力。物体加热冷却时，内部各部分温度趋于一致的能力。2）凝固潜热：潜热大，表面被加热的温度高，铸件的温度梯度小。）凝固潜热：潜热大，表面被加热的温度高，铸件的温度梯度小。3）金属的凝固温度：凝固温度高，铸件、型腔表面温度高，铸型）金属的凝固温度：凝固温度高，铸件、型腔表面温度高，铸型内外的温差增大，铸型热导率提高，铸件温度分布变陡峭。内外的温差增大，铸型热导率提高，铸件温度分布变陡峭。2 铸型性质的影响铸型性质的影响1）铸型的蓄热系数：吸热能力强，梯度大）铸型的蓄热系数：吸热能力强，梯度大2）铸型预热温度：）铸型预热温度：第16页，共32页，编辑于202
13、2年，星期一3 浇铸条件浇铸条件 过热度占潜热的过热度占潜热的5%-6%，相当于提高了铸型温度，温度梯度而减小。，相当于提高了铸型温度，温度梯度而减小。4 铸件结构的影响铸件结构的影响1）铸件的壁厚：厚壁存储的热量更高，铸型被加热，温度梯度小。）铸件的壁厚：厚壁存储的热量更高，铸型被加热，温度梯度小。2）铸件的形状）铸件的形状:L形、形、T形，形，内角：冷速慢结壳晚，强度低，线性收缩时容易热烈可以改为圆角，内角：冷速慢结壳晚，强度低，线性收缩时容易热烈可以改为圆角，避免热量交叉；避免热量交叉；内角内角平面平面外角外角第17页，共32页，编辑于2022年，星期一7.3 7.3 铸件凝固时间的确定
14、铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定概念概念：凝固时间液态金属充满铸型后直至凝固完毕所 需时间。凝固速度单位时间内凝固层的增长厚度目的目的计算方法计算方法计算方法计算方法：无限大平板铸件凝固时间的理论计算；平方根定律计算法：折算厚度法：=2/K2R=V1/A1，=R2/K2Q 吸吸=Q放放第18页，共32页，编辑于2022年，星期一铸型吸收的热量铸件放出的热量铸型吸收的热量铸件放出的热量7.3.1 理论计算理论计算7.3 铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定第19页，共32页，编辑于2022年，星期一7.3.2平方根定律法平方根定律法7.3 7.3 铸件凝固时间的确定铸件凝固
15、时间的确定铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定 为凝固厚度为凝固厚度平方根定律适用于大平板和结晶间隔小的合金平方根定律适用于大平板和结晶间隔小的合金第20页，共32页，编辑于2022年，星期一对于任意形状的对于任意形状的V1、A1的铸件，折算厚度（或铸件模数）的铸件，折算厚度（或铸件模数）R=V1/A1K为凝固系数。为凝固系数。7.3.2 折算厚度法折算厚度法7.3 7.3 铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定铸件凝固时间的确定第21页，共32页，编辑于2022年，星期一 铸件的形状对凝固时间有重要的影响。同时铸件的形状对凝固时间有重要的影响。同时还受铸件结构、热物性参数、浇
16、注条件的影响。还受铸件结构、热物性参数、浇注条件的影响。平方根定律对大平板、球体和长圆柱体铸件比较平方根定律对大平板、球体和长圆柱体铸件比较准确。对于短而粗的杆和矩形，由于边角效应的准确。对于短而粗的杆和矩形，由于边角效应的影响，计算结果一般比实际凝固时间长影响，计算结果一般比实际凝固时间长1020。因此，工业生产中之比较他们的模数，由此因此，工业生产中之比较他们的模数，由此制定生产工艺。制定生产工艺。第22页，共32页，编辑于2022年，星期一（一）（一）铸件凝固方式分类铸件凝固方式分类（二）（二）铸件动态凝固曲线铸件动态凝固曲线（三）（三）铸件凝固方式的影响因素铸件凝固方式的影响因素7.4
17、7.4铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素7.4.1铸件动态凝固曲线铸件动态凝固曲线第23页，共32页，编辑于2022年，星期一 铸型型腔内各个部位的凝固状况的动态变化，可通过在铸型型腔内各个部位的凝固状况的动态变化，可通过在浇注前在铸浇注前在铸型型腔内预置测温热电偶型型腔内预置测温热电偶，来记录凝固过程中各点的温度变化，来记录凝固过程中各点的温度变化，从而可以绘制出各个瞬间铸型内的凝固状况。所得图形称为从而可以绘制出各个瞬间铸型内的凝固状况。所得图形称为铸铸件动态凝固曲线件动态凝固曲线。可以根据可以根据“液相边界液相边界”与与“固相
18、边界固相边界”之间的之间的横向距离横向距离直观直观地得出铸件内各部位的地得出铸件内各部位的开始凝固时刻开始凝固时刻与与凝固结束时刻凝固结束时刻，也可以根据，也可以根据“液相边界液相边界”与与“固相边界固相边界”之间的之间的纵向距离纵向距离得出凝固过程中得出凝固过程中的任一时刻的任一时刻铸件断面上铸件断面上已凝固已凝固固相区固相区、固液两相区固液两相区和尚未凝固的和尚未凝固的液液相区相区的的宽度宽度。7.47.4铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素7.4.1铸件动态凝固曲线铸件动态凝固曲线第24页，共32页，编辑于2022年，星期一固相
19、区固相区固固-液液固液相区固液相区液液-固固液相区液相区图图7-7 凝固区域结构示意图凝固区域结构示意图7.47.4铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素7.4.2 凝固区域及其结构凝固区域及其结构第25页，共32页，编辑于2022年，星期一根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式固液两相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为，反之为糊糊状凝固方式状凝固方式，固液两相区宽度介于两者
20、之间的称为，固液两相区宽度介于两者之间的称为“中中间凝固方式间凝固方式”。铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大，从，从而影响而影响最终铸件的致密性最终铸件的致密性和热裂纹产生几率。和热裂纹产生几率。第26页，共32页，编辑于2022年，星期一合金凝固温度区间的影响合金凝固温度区间的影响温度梯度的影响温度梯度的影响 逐层凝固逐层凝固 中间凝固中间凝固 体积凝固体积凝固窄宽陡平7.4 7.4 铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素铸件凝固方式及其影响因素7.4.2 铸件的凝固方式及其影响因素铸件的凝固方式及其影响因素第2
21、7页，共32页，编辑于2022年，星期一c.铸件的两种凝固方式铸件的两种凝固方式图图43 合金成分和温度梯度对凝固方式的影响合金成分和温度梯度对凝固方式的影响a)、b)为层状凝固，为层状凝固，c)、d)为体积凝固为体积凝固影响因素影响因素:(1）化学成分（液固相线距离）化学成分（液固相线距离）（2）温度梯度）温度梯度内因内因外因外因第28页，共32页，编辑于2022年，星期一层状凝固过程层状凝固过程层状凝固缩孔特点：层状凝固缩孔特点：集中缩孔集中缩孔体积凝固过程体积凝固过程体积凝固的缩孔特点：体积凝固的缩孔特点：分散缩松分散缩松第29页，共32页，编辑于2022年，星期一7.4.5 灰铸铁和球
22、墨铸铁的凝固方式灰铸铁和球墨铸铁的凝固方式第30页，共32页，编辑于2022年，星期一第31页，共32页，编辑于2022年，星期一特殊的窄结晶温度范围的合金特殊的窄结晶温度范围的合金共同点：共同点：两个阶段：枝晶凝固阶段和共晶凝固阶段两个阶段：枝晶凝固阶段和共晶凝固阶段枝晶凝固阶段相同枝晶凝固阶段相同不同点：不同点：共晶凝固阶段时间有重大差异共晶凝固阶段时间有重大差异灰铁：层状凝固、片状石墨析出、体积膨胀利于枝晶间补缩灰铁：层状凝固、片状石墨析出、体积膨胀利于枝晶间补缩球铁：体积凝固、球状石墨析出、球体膨胀增大缩松球铁：体积凝固、球状石墨析出、球体膨胀增大缩松第32页，共32页，编辑于2022年，星期一