物理液態(tài)成形中的流動(dòng)與傳熱PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1物理液態(tài)成形中的流動(dòng)與傳熱物理液態(tài)成形中的流動(dòng)與傳熱第1頁/共76頁第2頁/共76頁金屬種類金屬種類鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄造熔模鑄造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰灰 鑄鑄 鐵鐵3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-鑄鑄 鋼鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-鋁鋁 合合 金金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.8表2-1不同金屬和不同鑄造方法的鑄件最小壁厚第3頁/共76頁第4頁/共76頁圖圖2-2 純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度 圖圖2-

2、3寬結(jié)晶溫度合金停止寬結(jié)晶溫度合金停止 很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖 流動(dòng)機(jī)理示意圖流動(dòng)機(jī)理示意圖前端析出前端析出1520的的固相量時(shí)，流動(dòng)就停固相量時(shí)，流動(dòng)就停止。止。 充型能力強(qiáng)充型能力強(qiáng)第5頁/共76頁第6頁/共76頁第7頁/共76頁第8頁/共76頁8590%）：對(duì)于純金屬、共晶和）：對(duì)于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，放出的金屬間化合物成分的合金，放出的潛熱越多，凝固過程進(jìn)行的越慢，潛熱越多，凝固過程進(jìn)行的越慢，流動(dòng)性越好，因此潛熱的影響較大，流動(dòng)性越好，因此潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱對(duì)對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱對(duì)流動(dòng)性影響不大。流

3、動(dòng)性影響不大。第9頁/共76頁如果液態(tài)金屬中有可溶解的氧化物，則濕潤(rùn)鑄型，附如果液態(tài)金屬中有可溶解的氧化物，則濕潤(rùn)鑄型，附加壓力是負(fù)值，有利于充型。不利的一面是金屬液會(huì)向加壓力是負(fù)值，有利于充型。不利的一面是金屬液會(huì)向鑄型砂粒之間的孔隙滲透，造成粘砂。鑄型砂粒之間的孔隙滲透，造成粘砂。第10頁/共76頁2222cb第11頁/共76頁第12頁/共76頁第13頁/共76頁第14頁/共76頁第15頁/共76頁RDF= 4r2og(r), atoms /r, （ RDF 第一峰之下的積分面積第一峰之下的積分面積即所謂配位數(shù)即所謂配位數(shù) N1 第16頁/共76頁CrystalMatter Structu

4、reTypeTm(K)Vm / Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)NaNabccbcc3703702.62.67.037.03ScScbccbcc3023022.62.66.956.95FeFebcc/fccbcc/fcc180918093.63.67.617.61AlAlfccfcc9319316.96.911.611.6AgAgfccfcc123412343.513.519.169.16CuCufccfcc135613563.963.969.719.71MgMghcphcp9249242.952.959.719.71ZnZnhcphcp6926924.084.0810.710.7Sn

5、Sncomplexcomplex5055052.42.413.813.8GaGacomplexcomplex303303-2.9-2.918.518.5N N2- -63.163.17.57.52.72.7ArAr- -83.7883.7814.414.43.363.36CHCH4- -90.6790.678.78.72.472.47第17頁/共76頁( Hb /ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb / HmAl6602.50248069.627.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe

6、15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表表1-2 幾種晶體幾種晶體物質(zhì)的熔化潛熱（物質(zhì)的熔化潛熱（Hm）和氣化潛熱）和氣化潛熱(Hb)第18頁/共76頁圖圖1- 無規(guī)密堆結(jié)構(gòu)中五種多面體間隙無規(guī)密堆結(jié)構(gòu)中五種多面體間隙a. 四面體； b.八面體； c. 四方十二面體；d. 三角棱柱多面體； e. 阿基米德反棱柱多面體第19頁/共76頁a） Liquid Ni b） Liquid Co液體的粘度與溫度的關(guān)系液體的粘度與溫度的關(guān)系（圖中各曲線分別為不同研究者的研究結(jié)果）第20

7、頁/共76頁1200 1700 1550 1400 第21頁/共76頁第22頁/共76頁2320TlgGTrT2320ClgGCrC由于濃度差濃度差引起的對(duì)流強(qiáng)度，格拉曉夫數(shù) 自然對(duì)流的速度取決與格拉曉夫數(shù)的大小，自然對(duì)流的速度取決與格拉曉夫數(shù)的大小，可將其看做引起自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力可將其看做引起自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力第23頁/共76頁)(gpfKLL在凝固后期，固相分?jǐn)?shù)較大，滲透率在凝固后期，固相分?jǐn)?shù)較大，滲透率K隨體積隨體積分?jǐn)?shù)的減小而迅速減小，流動(dòng)會(huì)變地及其困分?jǐn)?shù)的減小而迅速減小，流動(dòng)會(huì)變地及其困難。寬結(jié)晶范圍內(nèi)的合金，樹枝晶發(fā)達(dá)，因難。寬結(jié)晶范圍內(nèi)的合金，樹枝晶發(fā)達(dá)，因而容易形成縮松缺陷，因此

8、要特別注意補(bǔ)縮而容易形成縮松缺陷，因此要特別注意補(bǔ)縮。6221245. 0245. 0LLLLfKSffKSf時(shí)，時(shí)，第24頁/共76頁第25頁/共76頁t ,z,y,xfT z,y,xfT 第26頁/共76頁等溫面或等溫線某法線方向的等溫面或等溫線某法線方向的溫度變化率。溫度梯度越大，溫度變化率。溫度梯度越大，圖形上反映為等溫面（或等溫圖形上反映為等溫面（或等溫線）越密集。線）越密集。第27頁/共76頁二、熱傳導(dǎo)過程的偏微二、熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程分方程：TazTyTxTctT22222222222yTxTatT22xTatTcaa2第28頁/共76頁第29頁/共76頁nTfwTTtzyxq

9、nT,)(tfTw第30頁/共76頁第31頁/共76頁第32頁/共76頁有限元法有限元法: 有限元法是根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問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)求解域分割為有限元法是根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問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)求解域分割為有限個(gè)單元有限個(gè)單元組成的離散化模型，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。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。第33頁/共76頁第34頁/共76頁 x Ti 鑄件 1 c1

10、1 鑄型 2 c2 2T0圖圖2-3無限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布無限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布T20T10鑄型鑄型已凝固鑄已凝固鑄件件剩余剩余液相液相 x Ti 鑄件 1 c1 1 鑄型 2 c2 2T0圖圖2-3無限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布無限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布T20T10taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf第35頁/共76頁第36頁/共76頁22xTatTatxDCT2erfatxdeatx20222erf第37頁/共76頁taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf21202101bbTbTbTitaxbbTbTbbbTbTbT

11、1212021022120210112erftaxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erf1111cb 2222cb TiTT20T10鑄型側(cè)鑄件側(cè)第38頁/共76頁n式（式（模數(shù)法模數(shù)法）第39頁/共76頁taxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erftaTTxTix22002AdttTTbAdttTdQdtix)(2020222為：時(shí)間由鑄型導(dǎo)出的熱量tTTAbdQQit)(2200222)(101111STTCLVQ1120210112AVTTbTTcLiS TiTT20T10鑄型側(cè)鑄件側(cè)第40頁/共76頁11AVSiTTcLT

12、TbK10112022K22K第41頁/共76頁11AVRKR第42頁/共76頁柱體、球、長(zhǎng)方體等單元體的組柱體、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)，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)入散熱但各單元體的結(jié)合面不計(jì)入散熱面積中。一般情況下：面積中。一般情況下：模數(shù)最大的單元體的凝固時(shí)間即為模數(shù)最大的單元體的凝固時(shí)間即為鑄件的凝固時(shí)間鑄件的凝固時(shí)間。第43頁/共76頁熱阻來熱阻來源源界面局部接觸，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)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

13、重要影響。 第44頁/共76頁4. 非金屬鑄件與金屬鑄型非金屬鑄件與金屬鑄型第45頁/共76頁第46頁/共76頁固相區(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（一）（一） 鑄件凝固方式分類鑄件凝固方式分類第47頁/共76頁之間的稱為之間的稱為“中間凝固方式中間凝固方式”。n鑄件凝固方式對(duì)凝固液相的補(bǔ)鑄件凝固方式對(duì)凝固液相的補(bǔ)縮能力影響很大縮能力影響很大，從而影響，從而影響最最終鑄件的致密性終鑄件的致密性和熱裂紋產(chǎn)生和熱裂紋產(chǎn)生幾率。幾率。第48頁/共76頁第49頁/共76頁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

14、凝固 體積凝固體積凝固窄寬陡平第50頁/共76頁第51頁/共76頁 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)的若建立與熱源移動(dòng)速度相同并取熱源作用點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的動(dòng)坐標(biāo)系動(dòng)坐標(biāo)系，則動(dòng)坐標(biāo)系中各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變。，則動(dòng)坐標(biāo)系中各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變。第52頁/共76頁無限大長(zhǎng)桿，面狀熱源無限大長(zhǎng)桿，面狀熱源半無限大物體，點(diǎn)狀熱源半無限大物體，點(diǎn)狀熱源無限大薄板，線狀熱源無限大薄板，線狀熱源第53頁/共76頁)4exp()4(2),(22/30atratctqTtrT第54頁/共76頁 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)見以熱源作用點(diǎn)為

15、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)見圖圖15。aRvavxRqTsp22exp2第55頁/共76頁極限飽和狀態(tài)下的焊接溫度場(chǎng) 第56頁/共76頁第57頁/共76頁得的瞬時(shí)得的瞬時(shí)熱能相等，熱能相等，可以比較可以比較三種情況三種情況下焊件的下焊件的溫度變化溫度變化速率。速率。3tT012r = 0 x = 0R = 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 1厚大件厚大件 2薄板薄板 3細(xì)桿細(xì)桿 厚大件對(duì)電弧厚大件對(duì)電弧加熱部位的冷卻加熱部位的冷卻作用最強(qiáng)作用最強(qiáng)，接頭，接頭溫度下降速

16、度最溫度下降速度最快。其次是薄板快。其次是薄板，而細(xì)桿的散熱，而細(xì)桿的散熱速度最慢。速度最慢。第58頁/共76頁溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果第59頁/共76頁第60頁/共76頁砂型砂型金屬型金屬型砂型距離砂型距離/m鑄件鑄件金屬型距離金屬型距離/m鑄件鑄件砂型鑄型的導(dǎo)熱性能較差，在界面兩砂型鑄型的導(dǎo)熱性能較差，在界面兩側(cè)形成了截然不同的溫度分布形態(tài)。側(cè)形成了截然不同的溫度分布形態(tài)。金屬型鑄型由于具有良好的導(dǎo)熱性能，金屬型鑄型由于具有良好的導(dǎo)熱性能，因此鑄件的凝固、冷卻速度較快。因此鑄件的凝固、冷卻速度較快。第61頁/共76頁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

17、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)的凝固溫度分布第62頁/共76頁第63頁/共76頁圖圖2-10 不同碳鋼的動(dòng)態(tài)凝固曲線不同碳鋼的動(dòng)態(tài)凝固曲線第64頁/共76頁溫度梯度溫度梯度 G 對(duì)凝對(duì)凝固方式的影響固方式的影響: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, 包括鑄型的導(dǎo)熱性能、預(yù)熱溫度、合金的澆注溫度等。包括鑄型的導(dǎo)熱性能、預(yù)熱溫度、合金的澆注溫度等。第65頁/共76頁第66頁/共76頁 A A A A B BCCCCDDD第67頁/