1、金属成型理论基础第五章第五章 液态金属的传热与凝固方式液态金属的传热与凝固方式铸件的温度场铸件的温度场焊接温度场焊接温度场铸件铸件的凝固方式的凝固方式金属金属的凝固方式与铸件质量的关系的凝固方式与铸件质量的关系铸件铸件的凝固时间的凝固时间金属成型理论基础第一节第一节 铸件的温度场铸件的温度场数学数学解析法解析法数值模拟数值模拟法法铸件铸件温度场的测定温度场的测定影响影响铸件温度场的因素铸件温度场的因素金属成型理论基础温度场：不同时刻铸件各个部位的温度分布。根据温度场的变化：预计凝固区域大小的变化 凝固前沿向中心推进的速度 缩孔缩松的位置 凝固时间在此基础上进行工艺的设计：浇注系统、冒口、冷铁、
2、及其他的工艺措施。研究温度场的方法：实测法、数学解析法、数值模拟法。金属成型理论基础一 数学解析法应用数学方法研究铸件和铸型的传热。铸件在铸型中的凝固极为复杂：1.不稳定的传热 2.铸件的传热大多为三维传热 3.释放结晶潜热 4.铸件、铸型的热物理参数随温度而变 所以用数学解析的方法研究此过程必须进行简化 金属成型理论基础对于不稳定导热：对于不稳定导热：热扩散率：热扩散率；以上微分方程的解特别复杂，只能用来解决特殊的问题。以上微分方程的解特别复杂，只能用来解决特殊的问题。如：平壁、球、圆柱如：平壁、球、圆柱温度场是一维的温度场是一维的)at222222ztytxt（tta2ca 金属成型理论基
3、础推导过程例：假设具有一个平面的半无限大铸件在半无限大铸型冷却。条件如下：铸件、铸型1.铸型和铸件的材质是均质2.铸型初始温度为t2；3.设液态金属充满铸型后立即停止流动且各处温度均匀及铸件的初始温度为t1 4.坐标原点设在铸型与铸件接触面上。a1c11 t1p1 金属成型理论基础通解：通解：22xTatTatxDCT2erferf（x）为高斯误差函数，其计算式为：）为高斯误差函数，其计算式为：atxdeatx20222erf在以上条件下，铸型和铸件任意一点的在以上条件下，铸型和铸件任意一点的温度温度T与与y和和z无关，无关，为一维导热为一维导热问题：问题：3金属成型理论基础对于铸件：=代入边
4、界条件：t1=tF+（tF-t10）erf（）1t212xt1111x()2tCD erfaa2x1金属成型理论基础对于铸型导热微分方程为：=2t=222xtt2=C2+D2erf（a2x）同理可得：t2=tF+（t20-tF）erf（a2x）tF是未知的下面求tF：界面热流连续101xtx202xtx2金属成型理论基础 =，=110Fa t-t01xtx02xtx2F20a t-t11110F t-tc222F20 t-tc12 b1（tF-t10）=b2（t20-tF);tF=21220110bbbtbt金属成型理论基础金属成型理论基础金属成型理论基础金属成型理论基础数值模拟法 可以利用计
5、算机进行大量的计算，来得到温度场的满意结果（近似解）下面以有限差分法为例：=沿热流方向把物体分割为若干单元，端面为一单位面积，单元长度为x则用差分代替微分：t22tx金属成型理论基础1.一维系统 =t),(),(txtx22xtxxxxtxtxxtxx),(),(),(),(t2x),(t),(t2),(txxxxx),(),(txtx2x),(t),(t2),(txxxxx金属成型理论基础令：M=t =t0+(M-2)t1+t2 为不稳定导热的有限差分计算方程 ax2),(tx=t1 ),(txx=t0),(tx=t12t),(t xx此方程的解：M2X，当确定后a2x21M金属成型理论基础
6、以上为铸件或铸型内部的温度计算方式，下面讨论一个界面的单元的处理方法 金属成型理论基础2、铸件温度场数值计算中的几个问题（1）铸件一铸型界面的初始温度铸件的初始温度为浇注温度、铸型室度界面初始温度：tF=为了省去砂型单元的传热计算，可以实测求出一下各函数:作为边界条件来计算铸件的温度场.21220110bbbtbtta-ta=f();ttaa=f()maxttaaf()金属成型理论基础（2）铸件一铸型界面的处理浇入后，界面可能出现间隙：对一维传热 he：间隙对流传热的等效换热系数一 可实测。（3）凝固潜热的处理：在凝固过程中，使铸件温度下降缓慢，讨论时有以下处理方法。1)温度回升法 2)等价比
7、热容法 3)积分法 4)热焓法)(1t11aabaabaaaattxpcxtthext金属成型理论基础三、铸件的温度场的测定三、铸件的温度场的测定金属成型理论基础四、影响铸件温度场的因素四、影响铸件温度场的因素1.金属性质的影响：变大 铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度小，温度分布曲线平坦；（2）结晶潜热 L上升，铸型内表面被加热的温度也高，gradt下降温度曲线平坦。（1）金属的热扩散率：=caa金属成型理论基础（3）金属的凝固温度 tL越高，铸型内外表面温度差集越大，gradt 升高。有色金属温度场平坦，铸铁件、铸钢件较陡 因为有色合金tL低。2.铸型的吸热速度越大，则铸件的凝固速度
8、越大，断面的温度场的梯度也就越大。铸型性质的影响 金属成型理论基础（1）铸型的蓄热系数b2 b2越大，冷却能力强，铸件中的gradt越大（2）铸型的预热温度：铸型温度上升，冷却作用小，gradt下降 熔模铸造的型壳 金属型需加热，提高铸件精度减少热裂 3浇注条件的影响 砂型中 t浇上升 t2上升，gradt下降 金属型中 上升 热量迅速导出，浇注温度影响不明显金属成型理论基础4.铸件结构的影响：（1）铸件的壁厚 壁厚越大，gradt 变小；壁厚越小，gradt 变大（2）铸件的形状 铸型中被液态金属包围的突出部分，型芯以及靠近内浇道附近的铸型部分，由于大量金属液通过，被加热到很高温度，吸热能力
9、显著下降，对应铸件部分的温度场较平坦。金属成型理论基础 L、T形等固相线位置（不同时刻）外角的冷却速度平面壁内角；内角面热裂 直内角改成圆内角，散热条件得到改善，减少热裂需要直角处，应采取措施（冷铁）。金属成型理论基础 第二节第二节 焊接温度场焊接温度场 焊接传热的基本形式焊接传热的基本形式 分类分类 影响焊接温度场的因素影响焊接温度场的因素金属成型理论基础 温度场温度场焊接时，焊件上某瞬时的温度分布。焊接时，焊件上某瞬时的温度分布。用用等温线或等温面等温线或等温面表示。表示。1 1）概念）概念金属成型理论基础2 2）焊接传热的基本形式：）焊接传热的基本形式：辐射辐射自然界自然界中的一切物体中
10、的一切物体,只要只要温度温度在绝对温度零度以在绝对温度零度以 上上,都以都以电磁波电磁波 的形式时刻不停地向外传送热量的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送这种传送能量能量的方式称为的方式称为。热传导热传导热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度 较低的部分的方式。是较低的部分的方式。是固体固体中热传递的主要方式。中热传递的主要方式。对流对流靠气体或液体的流动来传热的方式。靠气体或液体的流动来传热的方式。是是液体和气体液体和气体中热传递的主要方式，中热传递的主要方式，热源热源 焊件焊件 辐射和对流为主；辐射和对流为主；母材和焊条母材和焊条其他部分热传导为
11、主；其他部分热传导为主；金属成型理论基础3 3）焊接温度场的类型）焊接温度场的类型按温度变化分按温度变化分按传热类型分按传热类型分金属成型理论基础 不稳定温度场不稳定温度场：温度场随时间变化。温度场随时间变化。t,z,y,xfT 稳定温度场稳定温度场：不随时间而变的温度场。不随时间而变的温度场。zyxfT,准准稳定温度场稳定温度场：恒定热功率的热源的温度场。恒定热功率的热源的温度场。a)按温度变化分按温度变化分金属成型理论基础焊接温度场建立建立动坐标系动坐标系热源移动速度相同；热源移动速度相同；热源作用点为坐标原点；热源作用点为坐标原点；则动坐标系中各点的温度不随则动坐标系中各点的温度不随时间
12、而变。时间而变。移动热源移动热源焊件上各点温度随时间及空间而变化（焊件上各点温度随时间及空间而变化（不不稳定温度场稳定温度场经过一段时间后，达到经过一段时间后，达到准稳定状态准稳定状态（移动（移动热源周围的温度场不随时间改变）。热源周围的温度场不随时间改变）。金属成型理论基础 b)b)按焊接传热类型分按焊接传热类型分 细棒，面状热源细棒，面状热源 一维温度场一维温度场厚大工件，点状热源厚大工件，点状热源 三维温度场三维温度场 薄板，线状热源薄板，线状热源 二维温度场二维温度场金属成型理论基础4）影响焊接温度场的因素）影响焊接温度场的因素 热源的特性热源的特性 焊接参数焊接参数 母材热物理性能母
13、材热物理性能 工件的形态工件的形态 金属成型理论基础热源的特性热源的特性 热源性质不同，温度场分布不同。热源性质不同，温度场分布不同。热源能量越集中，温度场范围越小。热源能量越集中，温度场范围越小。电弧焊电弧焊25mm25mm以上的钢板、以上的钢板、20mm20mm以上的不锈钢以上的不锈钢 点状热源点状热源。电渣焊电渣焊100mm100mm以上的钢板以上的钢板线状热源。线状热源。金属成型理论基础焊接参数焊接参数 热源功率；热源功率；焊接速度；焊接速度；焊速的焊速的影响影响金属成型理论基础热源功热源功率的影率的影响响金属成型理论基础多层焊对温度场的影响多层焊对温度场的影响金属成型理论基础母材的热
14、物理性质母材的热物理性质金属成型理论基础比热容比热容1 1克物质每升高克物质每升高1 1摄氏度所需的热摄氏度所需的热.体积比热容（体积比热容（c c）：）：单位体积物质每升高单位体积物质每升高1 1摄氏度所需的热。摄氏度所需的热。表面传热系数表面传热系数：散热体表面与周围介质每相差散热体表面与周围介质每相差1 1摄氏度时，摄氏度时，在单位时间内单位面积所散失的热量。在单位时间内单位面积所散失的热量。金属成型理论基础热扩散率（热扩散率（a a）：表示温度传播的速度表示温度传播的速度热导率 纯铁、碳钢和低合金钢纯铁、碳钢和低合金钢 温度温度，热导率，热导率；不锈钢、耐热钢和耐酸钢不锈钢、耐热钢和耐
15、酸钢 温度温度，热导率，热导率；金属成型理论基础异种钢接头的有限元模型异种钢接头的有限元模型温度场的计算结果温度场的计算结果金属成型理论基础金属成型理论基础 (假设焊件从热假设焊件从热源获得的瞬时源获得的瞬时热能相等热能相等)3tT012 固定热源直接作用固定热源直接作用 特定部位的温度随时间的变化曲线特定部位的温度随时间的变化曲线 1厚大件厚大件 2薄板薄板 3细杆细杆 厚大件对电弧厚大件对电弧加热部位的加热部位的冷却冷却作用最强，作用最强，接头接头温度温度下降速度最下降速度最快。快。其次是薄板，其次是薄板，而而细杆细杆的散热速的散热速度度最慢最慢。金属成型理论基础第三节 铸件的凝固方式 一
16、、凝固动态曲线：左边线：液相边界 凝固始点 右边线：固相边界凝固终点 凝固动态曲线：表示铸件段面上液相和固相等温线由表面向中心推移的动态曲线。金属成型理论基础二、凝固区域及其结构 除纯金属、共晶成分合金外，一般铸件的凝固过程分为固相区、凝固区和液相区。金属成型理论基础三、铸件的凝固方式及影响因素：（一）铸件的凝固方 1、逐层凝固方式：无凝固区或凝固区很窄 a）恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金 b）结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大金属成型理论基础 2.体积凝固方式（糊状凝固方式）凝固动态曲线上的两相边界的纵向间距很小或是无条件重合。a、铸件断面温度平坦 b、结晶温度范围很宽凝固动态曲线上的两相
17、边界纵向间距很大金属成型理论基础 3、中间凝固方式：a、结晶温度范围较窄 b、铸件断面的温度梯度较大 特点：凝固初期似逐层凝固 凝固动态曲线上的两相边界纵向距较小凝固后期似糊状凝固 金属成型理论基础（二）凝固方式的影响因素：1、合金结晶温度范围 2、断面温度梯度金属成型理论基础第四节 金属的凝固方式与铸件质量的关系 一、逐层凝固方式：凝固前沿与液体接触，收缩可得到补充。分散性缩松的倾向小，产生集中缩孔；补缩性好。出现中心线缩孔。收缩受阻产生裂纹时，易愈合，热裂倾向小 充型能力好（充型过程发生凝固时）金属成型理论基础二、体积凝固方式金属成型理论基础二、体积凝固方式二、体积凝固方式宽宽结晶温度范围
18、的合金，一般（如砂型）情况结晶温度范围的合金，一般（如砂型）情况下为体积凝固方式，凝固区域易发展成为树枝下为体积凝固方式，凝固区域易发展成为树枝发达的粗大等轴晶组织。发达的粗大等轴晶组织。当粗大的等轴晶相互连接以后，便将未凝当粗大的等轴晶相互连接以后，便将未凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，铸件中易形成缩松，普通冒口不易清除。铸件中易形成缩松，普通冒口不易清除。等轴晶越粗大，高温强度越低；晶间出现等轴晶越粗大，高温强度越低；晶间出现裂纹时，得不到液态金属的充填裂纹时，得不到液态金属的充填热裂倾向热裂倾向较大。较大。充型能力差。充型能力差。金属成型
19、理论基础 三、中间凝固方式三、中间凝固方式 中等中等结晶温度范围的结晶温度范围的合金：中碳钢、高锰合金：中碳钢、高锰钢，一部分特种黄铜钢，一部分特种黄铜和白口铸铁。和白口铸铁。其其补缩特性、热裂倾补缩特性、热裂倾向性、充型性能介于向性、充型性能介于以上两种凝固方式之以上两种凝固方式之间。间。金属成型理论基础第五节第五节 铸件的凝固时间铸件的凝固时间 铸件的凝固时间：从液态金属充满铸型后至凝固铸件的凝固时间：从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的时间。完毕所需要的时间。凝固速度：单位时间凝固层增长的厚度为凝固速凝固速度：单位时间凝固层增长的厚度为凝固速度。度。设计冒口、冷铁设计冒口、冷铁 估算估
20、算凝固时间。凝固时间。大型大型重要件，掌握打箱时间重要件，掌握打箱时间 金属成型理论基础一凝固时间的一凝固时间的理论计算理论计算2经验计算法经验计算法1.“平方根定律平方根定律”2.“折算厚度折算厚度”法则法则k221122111()R:VvRRKSKs -折算厚度法则 折算厚度1s1121F20()2Lc ttvb stt浇金属成型理论基础本章总结本章总结重点：重点：铸件温度场铸件温度场三种研究方法三种研究方法 凝固动态曲线凝固动态曲线由冷却曲线，由冷却曲线，凝固动态曲线的作用凝固动态曲线的作用 凝固方式及其影响因素凝固方式及其影响因素 凝固方式与铸件质量的关系凝固方式与铸件质量的关系 凝固时间凝固时间
