3成形过程中材料的固化

1第3章成形过程中材料的固化2材料的液体成形包括获得形状和保持形状两个主要的基本过程。首先通过液体材料的粘性流动而获得形状的变化，再通过固化将获得的形状保持下来而形成坯件或制品。固化：通过一定的物理或化学方式，使开始时具有良好流动性的液态材料在形成所需形状的成形物后，使体系粘度增加直至失去流动性的过程。3第一节冷却凝固第二节传质固化第三节化学反应固化×43.1冷却固化一．凝固中的传热问题二．凝固中的溶质再分配三．凝固过程中液体的流动5定义：指利用传热过程，使处于熔点或粘流温度以上的熔体温度冷却降至熔点或玻璃化温度以下，从而使成形物失去流动性，获得稳定形状的制品的过程。实质：成形物料从熔融状态向固态转变的过程。特征：传热过程。同时伴随发生结晶、传质和流动等过程。6一凝固中的传热问题1.温度场与传热2.模型成形温度场3.焊接温度场7①温度场②热传导的基本方程③传热类型1.温度场与传热材料凝固过程中的传热方式：热传导——成形物内部及其与模具之间的传热方式辐射和对流——模具外表面向周围环境散热的方式81.温度场在某一时刻，某一特定空间区域或某一特定物体内部各点温度的分布情况。t,z,y,xfT温度是无向量，温度场也是无向量。9等温面：在同一时刻，温度场中温度相同的点所构成的空间面。可能是平面，也可能是曲面。等温线：当以某一截面为考察对象时，将温度相图的点连接起来所组成的线。温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。nTnTlimgradTn010不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场：稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）在熔体成形过程中少见：t,z,y,xfTz,y,xfT熔体成形的过程中的重要特征：不稳定温度场和不稳定传热。11二、热传导过程的偏微分方程nTtq服从傅里叶定律：即在与等温面法线n方向垂直的单位面积截面内，单位时间所传递的热量(称为比热流量或传热速度)与温度梯度成正比，即：揭示了物体中某点温度梯度与其传热热流量间的关系。根据该定律和能量守恒定律，可以导出该点温度随时间变化的关系。即傅里叶热传导的基本方程：222222zTyTxTtT12三、传热类型熔体成形物凝固过程中的传热，是将熔体的显热和凝固潜热通过一系列热阻(传热系统中某组元的厚度与该组元的导热系数之比称为该组元的热阻)传至模型，并经模型再传热至环境。热阻组成：成形件液相的热阻已凝固相的热阻中间层的热阻模型热阻131)模型热阻起决定作用时的传热如液态金属砂型铸造铸件内金属传热速度快，温度梯度小，而铸型内传热速度慢，温度梯度大，因此铸件—中间层—铸型断面体系温度场如图3.1(a)。原因：砂型铸型的导热率远远小于金属铸件的导热系数142)中间层起决定作用时的传热如使用型腔内表面涂有隔热涂料的金属型铸型中间层温度梯度大，温度降很大，而铸件断面和铸型断面的温度梯度和温度降比较小，因此铸件—中间层—铸型断面体系温度场如图3.1(b)。原因：型腔内表面涂有较厚的涂料，同时在铸件和铸型间还可能形成间隙，故涂料与间隙构成的中间层热阻很大。153)成形件热阻起决定作用时的传热情形1：液态金属在水冷型金属铸型中的凝固，此时金属铸型导热能力远大于金属凝固层的导热能力；情形2：熔融聚合物冷却凝固成形，由于聚合物成形模具一般为金属，聚合物的导热系数远小于金属模具。中间层和模型断面的温度梯度和温降较小，而成形件内部的温度梯度和温降较大。因此铸件—中间层—铸型断面体系温度场如图3.1(c)。164)成形件热阻与模型热阻起决定作用时的传热如液态金属在非水冷的后壁金属型铸型中铸造时的凝固铸件和铸型断面上的温度梯度均较大，都有很大的温降，中间层的温度梯度较小。因此铸件—中间层—铸型断面体系温度场如图3.1(d)。原因：砂型铸型的导热率远远小于金属铸件的导热系数172.模型成形温度场①凝固过程及传热特点②凝固温度场的研究方法③凝固状态与方式18研究意义：旨在获得成形件内部的温度分布情况和随时间变化的特征，由此预期凝固过程中成形件断面上不同时刻的凝固区域大小及特征、凝固前言向中心推进的速度、成形件上各部位的凝固先后次序等重要问题，为正确设计模型浇注系统、设置浇口、冷铁以及采取其它工艺措施控制凝固过程提供重要的依据。19①凝固过程及传热特点聚合物：粘度高，充模时的流动在大多数情况下仍是非湍流状态。液态金属：粘度低，充型或浇注时在型腔中的流动呈湍流状态。凝固过程：成形温度降低，成形物开始凝固，最先在冷却表面形成凝固壳层，热量从最热的中心流经凝固壳层再传导给低温的模型。随成形物继续冷却，已凝固的壳层温度进一步降低，并且凝固壳层不断增厚，直到某一时刻成形物中心达到凝固温度而凝固。20②凝固温度场的研究方法a.数学解析法b.数值计算法c.实验测定法21（一）解析法解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。22（二）数值方法数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解），又称为数值模拟或计算机模拟。差分法:差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。有限元法:有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。23异种钢接头的有限元模型温度场的计算结果25数学解析法xTi铸件λ1c1ρ1铸型λ2c2ρ2T0图2-3无限大平板铸件凝固温度场分布T20T10铸型已凝固铸件剩余液相xTi铸件λ1c1ρ1铸型λ2c2ρ2T0无限大平板铸件凝固温度场分布T20T10taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf26推导过程假设：（1）凝固过程的初始状态为：铸件与铸型内部分别为均温，铸件起始温度为浇铸温度，铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度；（2）铸件金属的凝固温度区间很小，可忽略不计；（3）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放；（4）铸件的热物理参数与铸型的热物理参数不随温度变化；（5）铸件与铸型紧密接触，无界面热阻，即铸件与铸型在界面处等温Ti。27求解一维热传导方程：通解为：erf（x）为高斯误差函数，其计算式为：22xTatTatxDCT2erfatxdeatx20222erf28代入铸件（型）的边界条件得：由在界面处热流的连续性条件可得：铸件侧：铸型侧：taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf21202101bbTbTbTitaxbbTbTbbbTbTbT1212021022120210112erftaxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erf1111cb2222cbTiTT20T10铸型侧铸件侧292004006008001000120014001600-0.1-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.080.1t=0.01ht=0.05ht=0.5h砂型2004006008001000120014001600-0.1-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.080.1t=0.01ht=0.05ht=0.5h金属型砂型－距离/m－铸件金属型－距离/m－铸件砂型铸型的导热性能较差，在界面两侧形成了截然不同的温度分布形态。金属型铸型由于具有良好的导热性能，因此铸件的凝固、冷却速度较快。图为半无限大平板铸铁件分别在砂型和金属型铸模中浇铸后在t=0.01h、0.05h、0.5h时刻的温度分布曲线。30③凝固状态与方式铸件凝固方式分类铸件动态凝固曲线铸件凝固方式及作用铸件凝固方式的影响因素凝固时间的计算31固相区固-液固液相区液-固液相区凝固区域结构示意图（一）铸件凝固方式分类32根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）。当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为糊状凝固方式，固液两相区宽度介于两者之间的称为“中间凝固方式”。铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大，从而影响最终铸件的致密性和热裂纹产生几率。3334凝固终了对合面部位的疏松Al-10%Cu合金凝固枝晶间的疏松35（二）铸件动态凝固曲线铸型型腔内各个部位的凝固状况的动态变化，可通过在浇注前在铸型型腔内预置测温热电偶，来记录凝固过程中各点的温度变化，从而可以绘制出各个瞬间铸型内的凝固状况。所得图形称为铸件动态凝固曲线。3637可以根据“液相边界”与“固相边界”之间的横向距离直观地得出铸件内各部位的开始凝固时刻与凝固结束时刻，也可以根据“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离得出凝固过程中的任一时刻铸件断面上已凝固固相区、固液两相区和尚未凝固的液相区的宽度。38（三）铸件凝固方式及作用合金凝固温度区间的影响温度梯度的影响逐层凝固中间凝固体积凝固窄宽陡平3940温度梯度G对凝固方式的影响:G大→两相区窄G小→两相区宽实际铸件凝固中的温度梯度受很多因素影响,包括铸型的导热性能、预热温度、合金的浇注温度等。41铝合金的动态凝固曲线42（四）凝固温度场的影响因素凝固材料的性质模型的性质浇铸条件制件结构43凝固材料的性质①导温系数：材料的导温系数大，则成形件内部的温度均匀化倾向大，温度梯度小，断面上的温度分布曲线平坦。②凝固结晶潜热：在其它条件相同的情况下，材料的凝固结晶潜热大，成形件断面的温度梯度分布越小，成形件的冷却速度降低，温度场比较平坦。③凝固温度：材料的凝固温度越高，则在凝固成形件表面和模型内表面温度越高，致使成形件断面的温度梯度较大，温度分布曲线较陡。44模型性质液态金属在铸型中的凝固是依靠模型将热量传递并向环境散失而进行的，故其铸型的吸热速度越大，铸件断面上的温度梯度越大，即温度场越陡。例：•水冷金属铸型：吸热速度最大，故温度梯度最大。•砂型铸造：吸热速度慢，故铸件截面的温度分布曲线始终都很平坦，温度梯度小。•预热模型：预热温度越高，外冷却作用越小，制件断面上的温度梯度越小，温度场也越平坦。45浇铸条件对于金属的砂型铸造，因铸型的吸收速度慢，散热能力低，故浇铸温度对温度场也有影响。原因：浇铸温度高，则放出的过热显热增大，相当于提高了铸型的温度，冷却速度降低，故铸件断面上的温度梯度减小。46制件结构成形件越厚，断面的温度梯度越小；成形件的凸面和外角部分的冷却速度比平面快，温度梯度较大。原因：厚壁成形件比薄壁成形件需传递更多的热量，故凝固过程势必将模型加热到更高温度。47（五）铸件凝固时间计算铸件的凝固时间：是指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。铸件凝固时间是制订生产工艺、获得稳定铸件质量的重要依据。无限大平板铸件的凝固时间(理论计算法)大平板铸件凝固时间计算（凝固系数法）一般铸件凝固时间计算的近似公式（