第二章材料成形基本原理課件

1、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 傳熱基本原理傳熱基本原理第二節(jié)第二節(jié) 鑄件凝固溫度場(chǎng)的解析解法鑄件凝固溫度場(chǎng)的解析解法第三節(jié)第三節(jié) 熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 傳熱基本原理傳熱基本原理一、溫度場(chǎng)基本概念一、溫度場(chǎng)基本概念二、熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程二、熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程三、凝固溫度場(chǎng)的求解方法三、凝固溫度場(chǎng)的求解方法合肥工業(yè)大學(xué)

2、材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、溫度場(chǎng)基本概念一、溫度場(chǎng)基本概念不穩(wěn)定溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)不僅在空間上變化，并：溫度場(chǎng)不僅在空間上變化，并且也隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)：且也隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)：穩(wěn)定溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 不隨時(shí)間而變的溫度場(chǎng)（即溫度不隨時(shí)間而變的溫度場(chǎng)（即溫度只是坐標(biāo)的函數(shù)）：只是坐標(biāo)的函數(shù)）：t ,z,y,xfT z,y,xfT 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理等溫面等溫面：空間具有相同溫度點(diǎn)的組合面。：空間具有相同溫度點(diǎn)的組合面。等溫線等溫線：某個(gè)

3、特殊平面與等溫面相截的交線。：某個(gè)特殊平面與等溫面相截的交線。溫度梯度溫度梯度：對(duì)于一定溫度場(chǎng)，沿等溫面或等溫線：對(duì)于一定溫度場(chǎng)，沿等溫面或等溫線某法線方向的溫度變化率。溫度梯度越大，圖形某法線方向的溫度變化率。溫度梯度越大，圖形上反映為等溫面（或等溫線）越密集。上反映為等溫面（或等溫線）越密集。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程二、熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程三維三維傅里葉熱傳導(dǎo)微分方程為：傅里葉熱傳導(dǎo)微分方程為：式中式中: a 導(dǎo)溫系數(shù)，導(dǎo)溫系數(shù)， ； 拉普拉斯運(yùn)算符號(hào)。拉普拉斯運(yùn)算符號(hào)。二維二維傳熱：

4、傳熱：一維一維傳熱：傳熱： TazTyTxTctT22222222222yTxTatT22xTatTca2合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 對(duì)具體熱場(chǎng)用上述微分方程進(jìn)行求解時(shí)，需要根據(jù)具體對(duì)具體熱場(chǎng)用上述微分方程進(jìn)行求解時(shí)，需要根據(jù)具體問(wèn)題給出導(dǎo)熱體的初始條件與邊界條件。問(wèn)題給出導(dǎo)熱體的初始條件與邊界條件。 初始條件初始條件： 初始條件是指物體開(kāi)始導(dǎo)熱時(shí)初始條件是指物體開(kāi)始導(dǎo)熱時(shí)（即（即 t = 0 時(shí)）的瞬時(shí)溫度分布。時(shí)）的瞬時(shí)溫度分布。 邊界條件邊界條件： 邊界條件是指導(dǎo)熱體表面與周圍邊界條件是指導(dǎo)熱體表面與周圍介質(zhì)間的

5、熱交換情況。介質(zhì)間的熱交換情況。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理常見(jiàn)的邊界條件有以下三類：常見(jiàn)的邊界條件有以下三類：第一類邊界條件第一類邊界條件： 給定物體給定物體表面溫度表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系隨時(shí)間的變化關(guān)系 第二類邊界條件第二類邊界條件： 給出通過(guò)物體給出通過(guò)物體表面的比熱流表面的比熱流隨時(shí)間的變化關(guān)系隨時(shí)間的變化關(guān)系 第三類邊界條件第三類邊界條件： 給出物體周圍給出物體周圍介質(zhì)溫度介質(zhì)溫度以及物體表面與周圍介質(zhì)的以及物體表面與周圍介質(zhì)的換熱系數(shù)換熱系數(shù) 上述三類邊界條件中，以第三類邊界條件最為常見(jiàn)。上述三類邊界條件中

6、，以第三類邊界條件最為常見(jiàn)。nTfwTTtzyxqnT,)(tfTw合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、凝固溫度場(chǎng)的求解方法三、凝固溫度場(chǎng)的求解方法（一）（一） 解析法解析法（二）（二） 數(shù)值方法數(shù)值方法合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）（一） 解析法解析法解析方法是直接應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和定律去解析方法是直接應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和定律去推導(dǎo)推導(dǎo)和演繹數(shù)學(xué)方程和演繹數(shù)學(xué)方程（或模型），得到用（或模型），得到用函數(shù)形式函數(shù)形式表示的解，也就是解析解。表示的

7、解，也就是解析解。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：是物理概念及邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠清楚地表達(dá)：是物理概念及邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠清楚地表達(dá)溫度場(chǎng)的各種影響因素，有利于直觀分析各參數(shù)變化對(duì)溫度高低的影溫度場(chǎng)的各種影響因素，有利于直觀分析各參數(shù)變化對(duì)溫度高低的影響。響。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：通常需要采用多種簡(jiǎn)化假設(shè)，而這些假設(shè)往往并不適合實(shí)際情：通常需要采用多種簡(jiǎn)化假設(shè)，而這些假設(shè)往往并不適合實(shí)際情況，這就使解的精確程度受到不同程度的影響。目前，只有簡(jiǎn)單的一況，這就使解的精確程度受到不同程度的影響。目前，只有簡(jiǎn)單的一維溫度場(chǎng)（維溫度場(chǎng)（“半無(wú)限大半無(wú)限大”平板、圓柱體、球體）才可能獲得解析解。平板、圓柱體、球

8、體）才可能獲得解析解。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）（二） 數(shù)值方法數(shù)值方法數(shù)值方法又叫數(shù)值分析法，是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解數(shù)學(xué)模型的數(shù)值方法又叫數(shù)值分析法，是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解數(shù)學(xué)模型的近似解近似解（數(shù)值解）（數(shù)值解），又稱為，又稱為數(shù)值模擬數(shù)值模擬或計(jì)算機(jī)模擬?；蛴?jì)算機(jī)模擬。差分法差分法: 差分法是把原來(lái)求解物體內(nèi)隨空間、時(shí)間連續(xù)分布的溫度問(wèn)差分法是把原來(lái)求解物體內(nèi)隨空間、時(shí)間連續(xù)分布的溫度問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為求在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域內(nèi)題，轉(zhuǎn)化為求在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域內(nèi)有限個(gè)離散點(diǎn)有限個(gè)離散點(diǎn)的溫度值問(wèn)題，再的溫度值問(wèn)題，再用

9、這些離散點(diǎn)上的溫度值去逼近連續(xù)的溫度分布。差分法的解題基礎(chǔ)是用這些離散點(diǎn)上的溫度值去逼近連續(xù)的溫度分布。差分法的解題基礎(chǔ)是用差商來(lái)代替微商，這樣就將熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知用差商來(lái)代替微商，這樣就將熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知量的線性代數(shù)方程組，得到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值解。量的線性代數(shù)方程組，得到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值解。有限元法有限元法: 有限元法是根據(jù)變分原理來(lái)求解熱傳導(dǎo)問(wèn)題微分方程有限元法是根據(jù)變分原理來(lái)求解熱傳導(dǎo)問(wèn)題微分方程的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元法的解題步驟是先將連續(xù)求解域分割為的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元法的解題步驟是先將連續(xù)求解域分割為有有限個(gè)單元限個(gè)單元組成的離散化模型，再用

10、變分原理將各單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)組成的離散化模型，再用變分原理將各單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的線性方程組，最后求解全域內(nèi)的總體合成矩陣?；癁榈葍r(jià)的線性方程組，最后求解全域內(nèi)的總體合成矩陣。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二節(jié)第二節(jié) 鑄件凝固溫度場(chǎng)的解析解法鑄件凝固溫度場(chǎng)的解析解法 一、半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程的一、半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程的 一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)二、鑄件凝固時(shí)間計(jì)算二、鑄件凝固時(shí)間計(jì)算三、界面熱阻與實(shí)際凝固溫度場(chǎng)三、界面熱阻與實(shí)際凝固溫度場(chǎng)四、鑄件凝固方式及其影響因素四、鑄件凝固方式及其影響因

11、素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程的一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)一、半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程的一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)鑄型鑄型已凝固已凝固鑄件鑄件剩余剩余液相液相 x x Ti 鑄件鑄件 1 1 c c1 1 1 1 鑄型鑄型 2 2 c c2 2 2 2T0圖圖2-3無(wú)限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布無(wú)限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布T20T10taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理推導(dǎo)過(guò)程推導(dǎo)過(guò)

12、程假假 設(shè)：設(shè)：（1）凝固過(guò)程的初始狀態(tài)為：）凝固過(guò)程的初始狀態(tài)為： 鑄件與鑄型內(nèi)部分別為均溫，鑄件起始溫度為澆鑄溫鑄件與鑄型內(nèi)部分別為均溫，鑄件起始溫度為澆鑄溫 度度 ，鑄型的起始溫度為環(huán)境溫度或鑄型預(yù)熱溫度，鑄型的起始溫度為環(huán)境溫度或鑄型預(yù)熱溫度 ；（2）鑄件金屬的凝固溫度區(qū)間很小，可忽略不計(jì)；）鑄件金屬的凝固溫度區(qū)間很小，可忽略不計(jì)；（3）不考慮凝固過(guò)程中結(jié)晶潛熱的釋放；）不考慮凝固過(guò)程中結(jié)晶潛熱的釋放；（4）鑄件的熱物理參數(shù)與鑄型的熱物理參數(shù)不隨溫度變化；）鑄件的熱物理參數(shù)與鑄型的熱物理參數(shù)不隨溫度變化；（5）鑄件與鑄型緊密接觸，無(wú)界面熱阻，即鑄件與鑄型在）鑄件與鑄型緊密接觸，無(wú)界面熱

13、阻，即鑄件與鑄型在 界面處等溫界面處等溫Ti 。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 求解一維熱傳導(dǎo)方程：求解一維熱傳導(dǎo)方程： 通解為：通解為： erf（x）為高斯誤差函數(shù)，其計(jì)算式為：）為高斯誤差函數(shù)，其計(jì)算式為：22xTatTatxDCT2erfatxdeatx20222erf合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理代入鑄件（型）的邊界條件得：代入鑄件（型）的邊界條件得： 由在界面處熱流的連續(xù)性條件可得：由在界面處熱流的連續(xù)性條件可得： 鑄件側(cè)：鑄件側(cè)： 鑄型側(cè)：

14、鑄型側(cè)：圖圖2-4為半無(wú)限大平板鑄鐵件分別在為半無(wú)限大平板鑄鐵件分別在砂型砂型和和金屬型金屬型鑄模中澆鑄后在鑄模中澆鑄后在 t = 0.01h、0.05h、0.5h 時(shí)刻的溫度分布曲線。時(shí)刻的溫度分布曲線。taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf21202101bbTbTbTitaxbbTbTbbbTbTbT1212021022120210112erftaxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erf1111cb 2222cb TiTT20T10鑄型側(cè)鑄件側(cè)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原

15、理材料成形基本原理二、鑄件凝固時(shí)間計(jì)算二、鑄件凝固時(shí)間計(jì)算 鑄件的凝固時(shí)間鑄件的凝固時(shí)間：是指從液態(tài)金屬充滿型腔后至凝固完：是指從液態(tài)金屬充滿型腔后至凝固完畢所需要的時(shí)間。鑄件凝固時(shí)間是制訂生產(chǎn)工藝、獲得穩(wěn)畢所需要的時(shí)間。鑄件凝固時(shí)間是制訂生產(chǎn)工藝、獲得穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的重要依據(jù)。定鑄件質(zhì)量的重要依據(jù)。無(wú)限大平板鑄件的凝固時(shí)間無(wú)限大平板鑄件的凝固時(shí)間 (理論計(jì)算法理論計(jì)算法)大平板鑄件凝固時(shí)間計(jì)算（大平板鑄件凝固時(shí)間計(jì)算（凝固系數(shù)法凝固系數(shù)法）一般鑄件凝固時(shí)間計(jì)算的近似公式（一般鑄件凝固時(shí)間計(jì)算的近似公式（模數(shù)法模數(shù)法） 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成

16、形基本原理材料成形基本原理對(duì)于鑄型：對(duì)于鑄型：所以：所以：凝固時(shí)間凝固時(shí)間 t 內(nèi)導(dǎo)出的總熱量：內(nèi)導(dǎo)出的總熱量：至凝固結(jié)束時(shí)刻，鑄件放出的總熱量（包括潛熱至凝固結(jié)束時(shí)刻，鑄件放出的總熱量（包括潛熱L）：）：taxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erftaTTxTix22002AdttTTbAdttTdQdtix)(2020222為：時(shí)間由鑄型導(dǎo)出的熱量tTTAbdQQit)(2200222)(101111STTCLVQ TiTT20T10鑄型側(cè)鑄件側(cè)根據(jù)能量守恒定律得：根據(jù)能量守恒定律得：1120210112AVTTbTTcLiS合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制

17、作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理對(duì)于大平板鑄件，凝固層厚度對(duì)于大平板鑄件，凝固層厚度 與凝固層體積與凝固層體積 V1 、鑄件、鑄件與鑄型間接觸面積與鑄型間接觸面積 A1 三者間滿足關(guān)系式：三者間滿足關(guān)系式： 令：令： （K 凝固系數(shù)，與鑄件與鑄型材料有關(guān)，可由試凝固系數(shù)，與鑄件與鑄型材料有關(guān)，可由試驗(yàn)測(cè)定，見(jiàn)表驗(yàn)測(cè)定，見(jiàn)表2-3 ） 得：得： 或：或： 11AVSiTTcLTTbK10112022K22K合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理將（將（2-29）中的）中的V1與與A1推廣為一般形

18、狀鑄件的體積與表面積，并令：推廣為一般形狀鑄件的體積與表面積，并令： 可得一般鑄件凝固時(shí)間的近似計(jì)算公式：可得一般鑄件凝固時(shí)間的近似計(jì)算公式： R為鑄件的折算厚度，稱為為鑄件的折算厚度，稱為“模數(shù)模數(shù)”?！澳?shù)法模數(shù)法” 也稱為也稱為“折算厚度法折算厚度法則則”?！澳?shù)法模數(shù)法”用于大平板、球體和長(zhǎng)圓柱體鑄件比較準(zhǔn)確，對(duì)于短而粗的用于大平板、球體和長(zhǎng)圓柱體鑄件比較準(zhǔn)確，對(duì)于短而粗的塊體，由于棱角散熱效應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果有一定誤差。塊體，由于棱角散熱效應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果有一定誤差。 11AVRKR合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原

19、理 從傳熱學(xué)角度來(lái)說(shuō)，模數(shù)代表著鑄件熱容量與散熱表面積之間的從傳熱學(xué)角度來(lái)說(shuō)，模數(shù)代表著鑄件熱容量與散熱表面積之間的比值關(guān)系，凝固時(shí)間隨模數(shù)增大而延長(zhǎng)。對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，比值關(guān)系，凝固時(shí)間隨模數(shù)增大而延長(zhǎng)。對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，其體積與表面積的計(jì)算都是比較麻煩的，這時(shí)可將復(fù)雜鑄件的各其體積與表面積的計(jì)算都是比較麻煩的，這時(shí)可將復(fù)雜鑄件的各部分看作是形狀簡(jiǎn)單的平板、圓柱體、球、長(zhǎng)方體等單元體的組部分看作是形狀簡(jiǎn)單的平板、圓柱體、球、長(zhǎng)方體等單元體的組合，分別計(jì)算出各單元體的模數(shù)，但各單元體的結(jié)合面不計(jì)入散合，分別計(jì)算出各單元體的模數(shù)，但各單元體的結(jié)合面不計(jì)入散熱面積中。一般情況下：熱面積中。一般

20、情況下： 模數(shù)最大的單元體的凝固時(shí)間即為鑄件的凝固時(shí)間模數(shù)最大的單元體的凝固時(shí)間即為鑄件的凝固時(shí)間。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、界面熱阻與實(shí)際凝固溫度場(chǎng)三、界面熱阻與實(shí)際凝固溫度場(chǎng)上述關(guān)于鑄造過(guò)程凝固溫度場(chǎng)的分布以及凝固時(shí)間的討上述關(guān)于鑄造過(guò)程凝固溫度場(chǎng)的分布以及凝固時(shí)間的討論均將鑄件與鑄型的接觸當(dāng)作是理想狀態(tài)下的緊密接觸，論均將鑄件與鑄型的接觸當(dāng)作是理想狀態(tài)下的緊密接觸，實(shí)際界面存在熱阻。實(shí)際界面存在熱阻。 熱阻來(lái)源熱阻來(lái)源界面局部接觸，有間隙界面局部接觸，有間隙鑄型型腔內(nèi)表面常存在涂料鑄型型腔內(nèi)表面常存在涂料 實(shí)

21、際界面接觸狀況與涂料狀況對(duì)界面熱阻大小有重要影響。實(shí)際界面接觸狀況與涂料狀況對(duì)界面熱阻大小有重要影響。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 根據(jù)鑄件、鑄型的熱物理性能與界面狀況，鑄件凝根據(jù)鑄件、鑄型的熱物理性能與界面狀況，鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)可分為四種情況來(lái)討論：固過(guò)程溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)可分為四種情況來(lái)討論： 1. 金屬鑄件與絕熱型鑄型金屬鑄件與絕熱型鑄型 2. 界面熱阻較大的金屬鑄型界面熱阻較大的金屬鑄型 3. 界面熱阻很小的金屬鑄型界面熱阻很小的金屬鑄型 4. 非金屬鑄件與金屬鑄型非金屬鑄件與金屬鑄型 合肥工業(yè)大學(xué)材

22、料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、鑄件凝固方式及其影響因素四、鑄件凝固方式及其影響因素（一）（一） 鑄件凝固方式分類鑄件凝固方式分類（二）（二） 鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線（三）（三） 鑄件凝固方式的影響因素鑄件凝固方式的影響因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理固相區(qū)固相區(qū)固固-液液固液相區(qū)固液相區(qū)液液-固固液相區(qū)液相區(qū)圖圖2-8 凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基

23、本原理根據(jù)固液兩相區(qū)的寬度，可將凝固過(guò)程分為逐層凝固方根據(jù)固液兩相區(qū)的寬度，可將凝固過(guò)程分為逐層凝固方式與體積凝固方式（或糊狀凝固方式）。式與體積凝固方式（或糊狀凝固方式）。當(dāng)當(dāng)固液兩相區(qū)很窄時(shí)稱為逐層凝固方式固液兩相區(qū)很窄時(shí)稱為逐層凝固方式，反之為，反之為糊狀凝糊狀凝固方式固方式，固液兩相區(qū)寬度介于兩者之間的稱為，固液兩相區(qū)寬度介于兩者之間的稱為“中間凝中間凝固方式固方式”。鑄件凝固方式對(duì)凝固液相的補(bǔ)縮能力影響很大，從而影鑄件凝固方式對(duì)凝固液相的補(bǔ)縮能力影響很大，從而影響最終鑄件的致密性和熱裂紋產(chǎn)生幾率。響最終鑄件的致密性和熱裂紋產(chǎn)生幾率。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一

24、五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線（二）鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線 鑄型型腔內(nèi)各個(gè)部位的凝固狀況的動(dòng)態(tài)變化，可通過(guò)在澆注前在鑄型型腔內(nèi)各個(gè)部位的凝固狀況的動(dòng)態(tài)變化，可通過(guò)在澆注前在鑄型型腔內(nèi)預(yù)置測(cè)溫?zé)犭娕迹瑏?lái)記錄凝固過(guò)程中各點(diǎn)的溫度變化，從鑄型型腔內(nèi)預(yù)置測(cè)溫?zé)犭娕迹瑏?lái)記錄凝固過(guò)程中各點(diǎn)的溫度變化，從而可以繪制出各個(gè)瞬間鑄型內(nèi)的凝固狀況。所得圖形稱為鑄件動(dòng)態(tài)凝而可以繪制出各個(gè)瞬間鑄型內(nèi)的凝固狀況。所得圖形稱為鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線。固曲線。 可以根據(jù)可以根據(jù)“液相邊界液相邊界”與與“固相邊界固相邊界”之間的之間的橫向距離橫向距離直觀地得直觀地得出鑄件內(nèi)各部位的出鑄件內(nèi)各部位

25、的開(kāi)始凝固時(shí)刻開(kāi)始凝固時(shí)刻與與凝固結(jié)束時(shí)刻凝固結(jié)束時(shí)刻，也可以根據(jù)，也可以根據(jù)“液相液相邊界邊界”與與“固相邊界固相邊界”之間的之間的縱向距離縱向距離得出凝固過(guò)程中的任一時(shí)刻得出凝固過(guò)程中的任一時(shí)刻鑄鑄件斷面上件斷面上已凝固已凝固固相區(qū)固相區(qū)、固液兩相區(qū)固液兩相區(qū)和尚未凝固的和尚未凝固的液相區(qū)液相區(qū)的的寬度寬度。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（三）鑄件凝固方式的影響因素（三）鑄件凝固方式的影響因素合金凝固溫度區(qū)間的影響合金凝固溫度區(qū)間的影響溫度梯度的影響溫度梯度的影響 逐層凝固逐層凝固 中間凝固中間凝固 體積凝固體積凝固

26、窄寬陡平合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三節(jié)第三節(jié) 熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)熔焊過(guò)程溫度場(chǎng)一、一、 焊接溫度場(chǎng)的一般特征焊接溫度場(chǎng)的一般特征二、二、 影響溫度場(chǎng)的因素影響溫度場(chǎng)的因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、 焊接溫度場(chǎng)的一般特征焊接溫度場(chǎng)的一般特征l 若建立與熱源移動(dòng)速度相若建立與熱源移動(dòng)速度相同并取熱源作用點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)同并取熱源作用點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的的動(dòng)坐標(biāo)系動(dòng)坐標(biāo)系，則動(dòng)坐標(biāo)系中各，則動(dòng)坐標(biāo)系中各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變。點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變。 移動(dòng)熱

27、源移動(dòng)熱源焊接過(guò)程中，焊件上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間及空間焊接過(guò)程中，焊件上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間及空間而變化（而變化（不穩(wěn)定溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)），但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，達(dá)到），但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)定狀態(tài)（移動(dòng)熱源周圍的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間改變）。（移動(dòng)熱源周圍的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間改變）。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： T = f ( x , y , z , t ) 焊接熱源作用與熱傳導(dǎo)方式可按焊件尺寸簡(jiǎn)化為以下三種類型：焊接熱源作用與熱傳導(dǎo)方式可按焊件尺寸簡(jiǎn)化為以下三種類型： 無(wú)限長(zhǎng)細(xì)桿

28、，面狀熱源無(wú)限長(zhǎng)細(xì)桿，面狀熱源半無(wú)限大物體，點(diǎn)狀熱源半無(wú)限大物體，點(diǎn)狀熱源無(wú)限大薄板，線狀熱源無(wú)限大薄板，線狀熱源合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 半無(wú)限大物體表面受瞬時(shí)、固定熱半無(wú)限大物體表面受瞬時(shí)、固定熱源作用時(shí)溫度場(chǎng)的解析解為：源作用時(shí)溫度場(chǎng)的解析解為：)4exp()4(2),(22/30atratctqTtrT合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理厚大焊件點(diǎn)狀連續(xù)移動(dòng)熱源的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)的計(jì)算方程厚大焊件點(diǎn)狀連續(xù)移動(dòng)熱源的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)的計(jì)算方程 以熱源作用

29、點(diǎn)為動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維移動(dòng)坐標(biāo)系，在達(dá)到極限飽以熱源作用點(diǎn)為動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維移動(dòng)坐標(biāo)系，在達(dá)到極限飽和狀態(tài)后，焊件上的焊接溫度場(chǎng)見(jiàn)圖和狀態(tài)后，焊件上的焊接溫度場(chǎng)見(jiàn)圖15。aRvavxRqTsp22exp2合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、二、 影響焊接溫度場(chǎng)的因素影響焊接溫度場(chǎng)的因素 焊件尺寸焊件尺寸 焊件熱物理性能焊件熱物理性能 焊接規(guī)范焊接規(guī)范 多層焊多層焊合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家

30、級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 當(dāng)固定熱源分別作當(dāng)固定熱源分別作用在厚大件、薄板和用在厚大件、薄板和細(xì)長(zhǎng)桿上時(shí)，假設(shè)焊細(xì)長(zhǎng)桿上時(shí)，假設(shè)焊件從熱源獲得的瞬時(shí)件從熱源獲得的瞬時(shí)熱能相等，可以比較熱能相等，可以比較三種情況下焊件的溫三種情況下焊件的溫度變化速率。度變化速率。3tT0薄板薄板 r = 0細(xì)桿細(xì)桿 x = 0厚大件厚大件 R = 0 圖圖2-17 三種情況下熱源直接作用三種情況下熱源直接作用 部位的溫度隨時(shí)間的變化曲線部位的溫度隨時(shí)間的變化曲線l 厚大件對(duì)電弧加厚大件對(duì)電弧加熱部位的冷卻作用熱部位的冷卻作用最強(qiáng)最強(qiáng)，接頭溫度下，接頭溫度下降速度最快。其次降速度最快。其次是薄板

31、，而細(xì)桿的是薄板，而細(xì)桿的散熱速度最慢。散熱速度最慢。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理異種鋼接頭的有限元模型異種鋼接頭的有限元模型溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理砂型砂型合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理金屬型金屬型合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等

32、教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理T20 SLT非金屬鑄型非金屬鑄型0 x 絕熱型鑄型時(shí)的凝固溫度分布絕熱型鑄型時(shí)的凝固溫度分布SLT金屬鑄型金屬鑄型0 xT20 以界面熱阻為主的凝固溫度分布以界面熱阻為主的凝固溫度分布SLT金屬鑄型金屬鑄型0 xT20 非金屬鑄件時(shí)的凝固溫度分布非金屬鑄件時(shí)的凝固溫度分布SLT金屬鑄型金屬鑄型0 xT20 界面熱阻很小時(shí)的凝固溫度分布界面熱阻很小時(shí)的凝固溫度分布合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材

33、料成形基本原理材料成形基本原理圖圖2-10 不同碳鋼的動(dòng)態(tài)凝固曲線不同碳鋼的動(dòng)態(tài)凝固曲線合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理溫度梯度溫度梯度 G 對(duì)凝固對(duì)凝固方式的影響方式的影響:G大大 兩相區(qū)窄兩相區(qū)窄G小小 兩相區(qū)寬兩相區(qū)寬鋁合金的動(dòng)態(tài)凝固曲線鋁合金的動(dòng)態(tài)凝固曲線 實(shí)際鑄件凝固中的溫度梯度受很多因素影響實(shí)際鑄件凝固中的溫度梯度受很多因素影響, 包括鑄型包括鑄型的導(dǎo)熱性能、預(yù)熱溫度、合金的澆注溫度等。的導(dǎo)熱性能、預(yù)熱溫度、合金的澆注溫度等。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃