鑄造金屬凝固原理 第5章

第5章凝固過程的傳熱

Heat

Transportphenomenainsolidification

傳熱的形式：傳導(dǎo)（conduction）輻射（radiation）對(duì)流（convection）傳熱的重要性“一熱、二遷、三傳”；凝固進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力；鑄造缺陷。5.1鑄件與鑄型的熱交換特點(diǎn)鑄件-中間層-鑄型系統(tǒng)傳熱分析

分別為間隙、鑄型和鑄件的“熱阻。通過“系統(tǒng)”的比熱流q與鑄件斷面中心溫度和鑄型外表面溫度之差成正比，而與熱阻之和成反比。顯然，比熱流q愈大，鑄件的冷卻強(qiáng)度亦愈大。因而影響比熱流q的各個(gè)因素也影響鑄件的冷卻強(qiáng)度。魏氏準(zhǔn)則

四種實(shí)際上可能發(fā)生的鑄件-鑄型間不同的傳熱情況：第一種情況第二種情況第三種情況第四種情況鑄件在非金屬型中的冷卻熱交換特點(diǎn)鑄件和中間層斷面上的溫差與鑄型的溫差相比較，是相當(dāng)小的，可以忽略不計(jì)；鑄件斷面上的溫度分布實(shí)際上是均勻的；鑄件的冷卻強(qiáng)度主要取決于鑄型的熱物理參數(shù)。，鑄件在金屬型中的冷卻當(dāng)鑄件的冷卻和鑄型的加熱都不十分激烈時(shí)傳熱情況當(dāng)金屬型的工作表面涂有較厚的涂料時(shí)，就屬于這種情況；鑄件和鑄型斷面上的溫度分布實(shí)際上是均勻的，傳熱過程主要取決于涂料層的熱物理性質(zhì)。

鑄件的冷卻和鑄型的加熱都很激烈時(shí)的傳熱情況金屬型的涂料層很薄時(shí)，就屬于這種傳熱情況；中間層斷面的溫差與鑄件和鑄型的溫差相比較可以忽略不計(jì)；傳熱過程取決于鑄件和鑄型的熱物理性質(zhì)；結(jié)論：金屬型鑄造完全可以用改變涂料層厚度或其熱物理性質(zhì)控制鑄件的冷卻強(qiáng)度。

，非金屬鑄件在金屬型中冷卻熔模精密鑄造中用金屬壓型壓制臘模，金屬型中制造塑料制品，就屬于這種情況；中間層和金屬鑄型斷面上的溫差很小，可以忽略不計(jì)。傳熱過程主要取決于非金屬鑄件本身的熱物理性質(zhì)。，5.2凝固過程的溫度場(chǎng)傳熱→溫度變化鑄造過程的傳熱→以傳導(dǎo)為主溫度場(chǎng)：溫度在空間的一切點(diǎn)在某一時(shí)刻的溫度值研究溫度場(chǎng)的意義：鑄件凝固過程中其斷面上各時(shí)刻的凝固區(qū)域的大小及變化；凝固前沿向中心的推進(jìn)速度；鑄件結(jié)構(gòu)上各部分的凝固次序。鑄件在鑄型中凝固和冷卻過程的復(fù)雜性：不穩(wěn)定的傳熱過程；三維的傳熱過程；凝固過程中不斷地釋放出結(jié)晶潛熱；斷面上存在著多個(gè)區(qū)域；多種傳熱方式（傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射）；鑄型和鑄件的熱物理參數(shù)還都隨溫度而變化；凝固過程傳熱（溫度場(chǎng)）的研究方法數(shù)學(xué)解析法、試驗(yàn)法、數(shù)值計(jì)算法。5.2.1數(shù)學(xué)解析法傅立葉定律傅立葉方程：

半無限大鑄件在半無限大的鑄型中冷卻模型假設(shè)：金屬結(jié)晶范圍很窄；不考慮結(jié)晶潛熱；鑄件和鑄型熱物理參數(shù)不隨溫度變化；鑄件鑄型無間隙，以導(dǎo)熱方式傳熱；鑄件、鑄型初始溫度T10、T20；鑄件、鑄型半無限大，單向?qū)?；坐?biāo)原點(diǎn)在鑄件-鑄型界面。方程的通解鑄件溫度場(chǎng)邊界條件鑄件溫度場(chǎng)表達(dá)式鑄型溫度場(chǎng)邊界條件鑄型溫度場(chǎng)表達(dá)式求界面溫度Ti

數(shù)值計(jì)算（模擬）法方法：有限差分法、有限元法、邊界元。四個(gè)步驟：?jiǎn)卧史帧?shù)學(xué)模型→編程→計(jì)算。有限差分法：在所研究的物體中選取一些節(jié)點(diǎn)，在這些節(jié)點(diǎn)上用差分代替微分，從而建立起與原微分方程相對(duì)應(yīng)的差分方程，解此差分方程，就可得到節(jié)點(diǎn)上溫度的近似值。實(shí)質(zhì)：把所研究的物體從時(shí)間和空間上分割成許多小單元，對(duì)于這些小單元用差分方程近似地代替微分方程，給出初始條件和邊界條件，逐個(gè)計(jì)算各單元的溫度。有限差分法的基本概念用差商代替微商，必然帶來一定的誤差。所取的差商形式不同，用它們代替微商所帶來的誤差也不同。這個(gè)誤差是截去了泰勒展開式中的高階無窮小項(xiàng)而引起的，所以稱為截?cái)嗾`差。偏導(dǎo)數(shù)也可同樣地用相應(yīng)的差商代替。一維系統(tǒng)時(shí)刻位置差分方程的收斂性和穩(wěn)定性計(jì)算案例

二維系統(tǒng)

測(cè)溫法（試驗(yàn)法）將一組熱電偶的熱端固定在型腔中不同位置，自動(dòng)記錄自金屬液注入型腔起至任意時(shí)刻鑄件斷面上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線，根據(jù)該曲線繪制鑄件斷面上不同時(shí)刻溫度場(chǎng)和鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線。繪制鑄件溫度場(chǎng)以溫度為縱坐標(biāo)，以離開鑄件表面向中心的距離為橫坐標(biāo)，將同一時(shí)刻各測(cè)溫點(diǎn)上的溫度標(biāo)注在相應(yīng)位置上，連接各標(biāo)注點(diǎn)即得到該時(shí)刻的溫度場(chǎng)。純Al鑄件的溫度場(chǎng)圖Al-Si12.3%鑄件的溫度場(chǎng)等溫面（線）：某一瞬間溫度場(chǎng)中溫度相同點(diǎn)組成的面（或線）。根據(jù)鑄件的等溫面，可以直觀地判斷鑄件的凝固順序，找出縮孔的位置，這對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)是很有意義的。

影響鑄件溫度場(chǎng)的因素溫度場(chǎng)特點(diǎn)→溫度梯度是時(shí)間和空間的函數(shù)；溫度梯度大，鑄件的溫度場(chǎng)峻陡，鑄件的凝固速度大。影響因素金屬性質(zhì)鑄型性質(zhì)澆注條件鑄件結(jié)構(gòu)金屬性質(zhì)的影響金屬的導(dǎo)溫系數(shù)金屬的導(dǎo)溫系數(shù)大，鑄件內(nèi)部的溫度均勻化的能力就大，溫度梯度就小，斷面上溫度分布曲線就比較平坦。如Al合金。結(jié)晶潛熱金屬的結(jié)晶潛熱大，向鑄型傳熱的時(shí)間則要長(zhǎng)，鑄型內(nèi)表面被加熱的溫度也高。因此，鑄件斷面的溫度梯度減小，鑄件的冷卻速度下降，溫度場(chǎng)較平坦。金屬的凝固溫度

問題：為什么在相同鑄型條件下，鋁合金鑄件斷面上的溫度場(chǎng)較平坦？鑄型的影響鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的預(yù)熱溫度為什么高熔點(diǎn)合金對(duì)金屬型的壁厚不敏感而低熔點(diǎn)合金則相反？

澆注條件的影響砂型鑄造中增加過熱程度相當(dāng)于提高了鑄型的溫度，使鑄件的溫度梯度減小。對(duì)金屬型鑄造影響不大，

鑄件結(jié)構(gòu)的影響

鑄件的壁厚：熱量的影響；鑄件的形狀：散熱條件的影響。5.3鑄件凝固方式凝固動(dòng)態(tài)曲線凝固動(dòng)態(tài)曲線的繪制意義：鑄件斷面上某時(shí)刻的凝固情況。凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)凝固特點(diǎn)根據(jù)鑄件斷面溫度場(chǎng)確定某一瞬間的凝固區(qū)域三個(gè)區(qū)域凝固區(qū)域的推進(jìn)凝固方式凝固方式取決于凝固區(qū)域的寬度三種凝固方式：逐層凝固、體積凝固、中間凝固根據(jù)凝固動(dòng)態(tài)曲線上的“液相邊界”與“固相邊界”之間的縱向距離直接判斷影響因素結(jié)晶溫度范圍溫度梯度合金結(jié)晶溫度范圍的影響

溫度梯度的影響凝固方式的重要性凝固方式→充型、補(bǔ)縮、縮孔類型、熱裂的產(chǎn)生及彌合→鑄件的致密性和健全性逐層凝固方式的影響特點(diǎn)體積凝固方式的影響特點(diǎn)5.4鑄件凝固時(shí)間和速度的計(jì)算凝固時(shí)間：液態(tài)金屬從充滿鑄型到凝固完畢所需要的時(shí)間。凝固速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間凝固層增長(zhǎng)的厚度。重要性確定方法：