材料加工原理课件 第5讲.ppt

《材料加工原理课件 第5讲.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三章材料加工中的流动与传热3.1液态金属的充型3.2液态金属凝固过程中的流动3.3材料的流变行为3.4材料加工中的热量传输3.4材料加工中的热量传输传热学基本概念1.金属凝固中的传热2.焊接过程中的传热3.1、传热学基本概念热量传输的基本方式–传导–对流–辐射•温度场、等温面（线）、温度梯度•JosephFourierFourier导热定律热传导系数(or导热系数or传热系数)λ，量纲为[W/m·K]常用金属的导热系数：Ag420,Cu393,Au295,Al238,Mg157,Fe81Fourier导热微分方程导温系数(or热扩散系数)a=λ/cρ，是反映物体

2、内部温度传播快慢程度的物性参数，反映物体热惰性的大小。导温系数大，表明温度传播快，热惰性小，易均匀化。Fourier方程的推导包围体积V的封闭曲面Sdt时间内通过面积S导出的热量为Q1dt时间内体积V因降低温度dT而散失的热量为Q2无内部热源能量守恒：Q1＝Q2•••••Fourier方程的推导2、金属凝固中的传热凝固传热的基本特点：•铸件形状复杂——三维传热问题–凝固潜热释放——有源传热问题–铸型与铸件的界面热阻问题–热物性参数随温度而变化–凝固传热的基本模型带热源的传热模型（潜热处理）1.一维非稳定传热模型的应用2.实际铸造条件下传热模型的简化3.凝固层厚度与

3、凝固时间的计算4.1）考虑潜热的不稳定导热微分方程凝固潜热的处理等效比热法:等效温度区间法:考虑潜热的不稳定导热微分方程一维导热：三维导热：不同材料的导热系数与温度的关系2）一维Fourier热传导方程的解析解定义误差函数：其中并且有：奇函数高斯误差积分值铸件在金属型中的凝固传热①铸件温度场TM：边界条件：②铸型温度场Tm：边界条件：③界面温度Ti：铸件放热：铸型吸热：由得：铸件和铸型的蓄热系数3）铸件与铸型的热交换分析铸件与铸型的热交换分析假设内部无热源,则q1=q2=q3称为热阻四种典型的铸件与铸型的热交换①k1<<1,k2<<1时：ΔT2→0，Ti1≈Ti2

4、理想接触，压铸、金属型铸造；k1>>1,k2>>1时：界面热阻是传热控制环节，②厚涂料金属型铸造；k1>>1,k2<<1时：热阻主要在铸型中，③砂型铸造；k1<<1,k2>>1时：热阻主要在铸件凝固区中，④快速凝固。4）凝固层厚度与凝固时间的计算分析模型：金属/铸型界面为无限大平面，铸件与铸型的壁厚无限大；金属浇入铸型后，与液态金属接触的铸型立即达到浇注温度且保持不变；凝固是在恒温下进行的（视为纯金属或共晶合金）；除结晶潜热外，凝固过程中无其它热源；金属、铸型的热物性参数为常数；忽略对流的影响。––––––记：金属/铸型界面温度为Ti，铸件浇注温度为Tp，铸件凝固

5、温度为Ts，铸型初始温度为T0，则：Tp=Ti=Ts平方根定律铸型温度场即为x处的温度梯度在x=0即铸件/铸型界面处的热流量：0~t内流过界面的热流量：则铸型吸收的热量：则x处单位面积通过的热流量（t时刻）：平方根定律由能量守恒：假设铸件在t时刻的凝固层厚度为，则铸件单位面积放出的热量：K——凝固系数Chvorinov准则，也叫平方根定律平方根定律对于合金，有凝固温度区间[TS,TL]，凝固温度可取TN=(TS+TL)/2，浇注温度Tp>TN，有过热度。因此铸件单位面积放热QM=ξ·ρM[L+cM(Tp-TN)]。K——凝固系数Chvorinov准则，平方根定律当

6、量厚度/模数对于任意形状铸件：体积V，表面积S，若包围铸件的铸型很厚，则：••铸件凝固时间与铸件形状无关，与当量厚度平方成正比。凝固金属和铸型材料影响凝固时间和凝固速率。，K－凝固系数，其中：R－当量厚度/模数/折算厚度铸件放出总热量:铸型吸收总热量：由：得：3.焊接过程中的传热焊接过程传热的特点：加热作用的局部性；1.加热过程的瞬时性；2.焊接热源是移动的；3.焊接传热是复合传热过程。4.焊接传热的基本模型焊件模型:–半无限大物体——X、Y、Z三个方向导热无限（厚板）–无限大薄板–无限长细杆——X、Y二个方向导热无限（薄板）——只在X方向导热（细杆）集中热源：•

7、–点热源–线热源–面热源三维导热，对应二维导热，对应一维导热，对应——————“厚板”“薄板”“细杆”集中热源作用下的非稳态导热1)集中点热源传热方程温度场半无限体集中热源作用下的非稳态导热2)集中线热源传热方程温度场3)表面散热和累积原理表面散热问题：累积原理：连续集中热源作用下的温度场4)点状连续移动热源的传热模型线状连续移动热源的传热计算公式点状移动热源厚板焊接温度场工艺参数对焊接温度场的影响a)低碳钢b)不锈钢c)铝d)铜焊接复合传热5)焊接熔池中液体的流动示意图焊接熔池中传热主要是液体的对流换热熔池外主要是导热，表面则有对流与辐射思考题：液态金属充型能力

8、与流动性间