第3章-凝固过程的传热

第3章凝固过程的传热主要内容3.1凝固过程的传热3.2凝固时间的计算3.3液态金属凝固温度场3.1凝固过程的传热3.1.1凝固过程的传热特点金属凝固过程中，其传热特点可简要概括为：“一热、二迁、三传”。“一热”，即在凝固过程中热量的传输是第一位的，是最重要的，它是凝固过程能否进行的驱动力。铸件凝固过程基本方程求解凝固过程温度场要描述温度随空间和时间的变化规律，要求助于导热偏微分方程：λ--导热系数；T--热力学温度；--单位体积物体单位时间内释放的热量；c--比热容；ρ--密度；t--时间。qzTzyTyxTxtTc)()()(qtfLqs“二迁”所谓“二迁”，是指在金属凝固时存在着两个界面，即固—液界面和金属—铸型界面，而这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使得界面上的传热现象变得极为复杂。纯金属在铸型中凝固传热模型K-导热C-对流R-辐射N-牛顿界面换热“三传”所谓“三传”，即金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维传热物理过程，而在热量传输过程中同时存在有导热、对流和辐射传热这三种传热方式。3.1.2界面热阻与传热在铸件凝固过程中，如果不计液体金属的热阻，金属的凝固速度主要受如下三种热阻的控制，即Rs=s/λsRm=Im/λmRi=1/hi式中Rs、Rm、Ri——已凝固的固体金属层、铸型和界面热阻；S、Im——凝固层厚度和铸型厚度。δTimTisTi界面层金属-铸型界面模型简化的宏观传热模型微观界面传热模型3.2凝固时间的计算3.2.1平方根定律法平方根定律指凝固层厚度与时间的平方根成正比，即（3.1）式中：--凝固层厚度，mm；t--凝固时间，min；K--铸件的凝固系数，cmmin-1/2。tK3.2.2当量厚度法对于任意形状的铸件，可以用其体积V与表面积S的比值V/S来代替铸件的厚度，该厚度称为当量厚度或模数。由平方根定律得（3.2）式中M—模数2222)(1KMSVKt3.3液态金属凝固温度场3.3.1铸件温度场的研究方法（1）数学解析法解析法是在一定的假设条件下，结合边界条件，直接从传热微分方程中求出温度场的解析解。（2）数值计算法从铸件凝固过程中抽象出数学模型，并对实际凝固过程进行几何简化，利用有限元法、边界元法或有限差分法对上述简化的几何模型进行网格划分，通过计算机进行数值计算，得到铸件凝固温度场的方法。（3）测温法是通过向铸型和铸件型腔中安放热电偶直接测出凝固过程中铸件各点温度随时间变化，得到温度-时间曲线，根据曲线绘制不同时刻铸件断面温度场和铸件凝固动态曲线（CCT）的方法。1.9t钢锭的凝固时间某铸锭的凝固温度场3.3.2铸件温度场的影响因素1.金属性质的影响因素(1)热扩散率；(2)结晶潜热；(3)液-固相线温度2.铸型性质的影响(1)铸型的蓄热系数；(2)铸型温度3.浇注条件的影响液态金属的浇注温度4.铸件结构的影响(1)铸件壁厚（当量厚度、模数）(2)铸件的形状3.3.3铸件凝固方式及其影响因素1.凝固方式（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，称为逐层凝固。常见如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金等。（2）体积凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，称为体积凝固。如，球墨铸铁、高碳钢、锡青铜等。（3）中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。如，中碳钢、高锰钢、白口铸铁等。2.铸件凝固方式的影响因素（1）合金结晶温度范围凝固区间的宽度随合金的结晶温度范围增大而加大。在砂型铸造时，低碳钢铸件的凝固方式为逐层凝固；中碳钢铸件为中间凝固方式；高碳钢铸件为体积凝固方式。（2）铸件截面温度梯度当合金成分确定后，凝固区间的宽度随温度梯度增大而减小。影响铸件截面温度梯度的因素都对凝固区间的宽度起作用。主要有合金的传热能力、铸型的蓄热能力和金属的浇注温度。砂模凝固温度分布22xTatTm1.无限大平板在砂模中凝固；2.浇注温度为其熔点TM3.浇注瞬间，铸型内表面立即升至TM4.忽略金属断面上的温差，将温度场简化为一维偏微分方程tcLTTsmmmsM)(20ftCM铸件在砂型中凝固的温度场实验测量实验装置(b)金属（铜）型(a)砂型不同铸型下的凝固组织3.3.4焊接熔池的凝固传热1.焊接的热过程的传热特点（1）焊接热过程是局部的，焊接热源集中作用在连接部位，加热极不均匀；（2）焊接过程在很短时间内热源把大量的热传递给焊件，具有瞬时性；（3）热源相对焊件运动，造成传热过程不稳定；（4）焊接时熔池内部的金属液强烈运动，并进行一系列物理化学反应，在熔池内部，传热过程以流体流动为主，在熔池外部，以固体导热为主。焊件表面，还有空气的对流换热和辐射换热。忽略熔池内部的流动、热源的作用及流体作粘性功所产生的热量，热传输微分方程可以写成：对于薄板焊接，厚度方向可以看成是均匀的，可以简化为二维传热问题；对于细棒（细棒对焊）热传导只在X方向进行，可以简化为一维传热。2.焊接传热方程qzTzyTyxTxtTc)()()(焊接温度场即焊接过程中任一时刻焊件中的温度分布，假设：（1）被焊材料物性值不随温度变化，不考虑相变和潜热；（2）被焊件几何尺寸为无限大、无限薄或无限长；（3）焊件与环境之间没有热交换无限大长杆，面状热源半无限大物体，点状热源无限大薄板，线状热源熔焊焊接温度场的三种类型3.焊接温度场本章小结1.凝固过程的传热特点。2.铸件在砂型、金属型中凝固边界的特点3.凝固时间、凝固层厚度、边界换热系数的计算。作业1.论述凝固传热过程的特点？2.不同冷却边界条件对凝固温度场有哪些影响。3.凝固层厚度与凝固时间有什么函数关系？