重庆理工大学材料成型第二章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,College of Materials Science&Engineering,Chongqing 400050,Chongqing Institute of Technology,第二章 凝固温度场,第一节 传热基本原理,一、温度场基本概念,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）,等温面：空间具有相同温度点的组合面。,等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。,温度梯度（,grad,T,）：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。,图,-1,药皮焊条电弧焊过程示意图,第二章 凝固的温度场,二、热传导过程的偏微分方程,三维热傅里叶热传导微分方程为：,式中,a,导温系数，,拉普拉斯运算符号。,二维传热：,第二章 凝固的温度场,一维传热：,1.,初始条件 初始条件是指物体开始导热时（即,t,=0,时）的瞬时温度分布。,2.,边界条件 边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。常见的边界条件有以下三类：,（,1,）第一类边界条件 给定物体表面温度,w T,随时间,t,的变化关系，表达式为：,Tw,=,f,(,t,),（,2,）第二类边界条件 给出通过物体表面的比热流随时间,t,的变化关系，表达式为：,（,3,）第三类边界条件 给出物体周围介质温度,f T,以及物体表面与周围介质的换热系数,，,表达式为：,上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。,第二章 凝固的温度场,三、凝固温度场的求解方法,（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。,第二章 凝固的温度场,（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，又称为数值模拟或计算机模拟。,1,.,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。根据不同的差分格式分为：向前差分、向后差分、平均差分、中心差分、加列金格式等。,2,.,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。,第二章 凝固的温度场,第二节 铸件凝固温度场的解析解法,以,“,半无限大,”,平板为例，运用三维热傅里叶热传导微分方程来求铸件及铸型的温度场分布,一、半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场可以近似地认为是沿着界面的法线方向一维热传导，这样就构成了半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场的求解问题。,为简化问题，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，铸件的起始温度为浇铸温度,10,T,，铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度,20,T,；,（,2,）铸件金属的凝固温度区间很小，可忽略不计；,第二章 凝固的温度场,（,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,1,、,1,c,、,1,与铸型的热物理参数,2,、,2,c,、,2,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,）。,显然，凝固过程中，铸件与铸型中的温度分布符合,第二章 凝固的温度场,二、铸件凝固时间计算,（一）无限大平板铸件的凝固时间,(,理论计算法,),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。,对于铸型：,所以，,dt,为：时间由铸型导出的热量,第二章 凝固的温度场,凝固时间,t,导出的总热量：,相同时间内铸件（体积为,1,V,，密度,1,）放出的总热量（包括潜热,L,）：,（假设,)(,C,1,（,L,）,=,C,（,S,）,）根据能量守恒：,Q,1,=,Q,2,得：,第二章 凝固的温度场,第二章 凝固的温度场,图,2-2,无限大平板铸件凝固温度场分布,第二章 凝固的温度场,（二）大平板铸件凝固时间计算（凝固系数法）对于大平板铸件，凝固层厚度,与凝固层体积,V,1,、铸件与铸型间接触面积,A,1,三者间满足关系式：,令,（,K,-,凝固系数，可由试验测定，见 表,2-3,）,得：,或,：,（三）一般铸件凝固时间计算的近似公式（折算厚度法，或模数法）,一般铸件凝固时间的准确计算较为复杂，将式（,2-29,）中的,V,1,与,A,1,推广理,解为一般形状铸件的体积与表面积，并令：,可得一般铸件凝固时间的近似计算公式：,R,为铸件的折算厚度，称为,“,模数,”,。,“,模数法,”,也称为,“,折算厚度法则,”,。,第二章 凝固的温度场,图,2-3,铸铁件凝固过程的温度分布）砂型）金属型,第二章 凝固的温度场,第二章 凝固的温度场,第二章 凝固的温度场,第二章 凝固的温度场,四、铸件凝固方式及其影响因素,（一）,铸件凝固方式分类,根据图,2-9,讲解：,1),逐层凝固方式,:,固液两相区很窄；,2),体积凝固方式：在凝固过程中，整个断面处于固液两相区，或固液两相区很宽；,3),中间凝固方式：固液两相区宽度,介于两者之间。,（二）铸件动态凝固曲线,根据图,2-10,讲解：铸件实际温度场的测定动态凝固曲线固、液边界线某时刻铸件断面凝固状况凝固,区间凝固方式。,第二章 凝固的温度场,第二章 凝固的温度场,（三）铸件凝固方式的影响因素,1,合金凝固温度区间的影响,断面温度梯度相近的情况下，固液两相区的宽度取决于铸件合金的凝固温度区间的大小,2,温度梯度的影响,合金成分确定后，铸件断面固液两相区的宽度则取决于铸件中的温度梯度,第二章 凝固的温度场,第三节 熔焊过程温度场,一、焊接温度场的一般特征,“,不稳定温度场,”,：焊接过程，焊件各点温度随时间及空间而变化但经过一段时间后，达到准稳定状态：移动热源周围的温度场（温度分布）是不随时间改变的,这种准稳定温度场的主要特征为：,1,）熔池前部的温度梯度大于熔池后部的温度梯度：,G(,前,),G(,后,),；,2,）热源移动轴线两侧的温度分布是对称的；,3,）离熔池表面向下（,Z,方向）越远，温度越低；,4,）薄板熔化焊条件下，可认为板厚方向不存在温差简化为二维温度场,第二章 凝固的温度场,二、影响温度场的因素,（一）热源的种类与焊接规范,1,、热源的种类：,如电子束焊或激光焊的功率密度可以高出普通电弧焊,36,个数量级，具有极高的加热速度与焊透能力，可以得到断面形状窄而深的焊缝。,2,、焊接规范：有效输入功率,q,、焊接速度,v,，焊接线能量 输入功率,q,一定时：,v,，相同温度等温线椭圆所包围的范围显著减小（长度,，宽度）（图,2-14a,）；,焊接速度,v,一定时：,q,，相同等温线椭圆所包围的面积显著增大，而椭圆的形态变化不大（见图,2-14b,）；,线能量,v q E,/=,一定时：,v,，,q,按比例增大，等温线椭圆长度方向大大拉长，宽度方向仅稍稍增大。,第二章 凝固的温度场,二）焊件的形态与热物理性能的影响,热物理性能：,a,值越大（,v q E,/=,相同），热量向周围母材的散热损失越大，相 同温度等温线所包围的区域越小。图,2-15,。反之，,a,值很小（如不锈钢），散热损失小，热影响区容易变宽，故不锈钢焊接，线能量应尽量小；,焊件厚度：相同焊接规范下，随着板厚的减薄，焊件表面的高温区域增大（比较图,2-16,、图,2-17,）,第二章 凝固的温度场,三、典型焊接温度场的解析解（自学）,目前在实测法中也应用了计算机技术。将热电偶的电信号经运算放大器放大后通过模拟,数字转换由计算机记录分析，显示和打印结果。由于计算机运算速度快，功能强，使温度场的测量精度明显地提高。,第二章 凝固的温度场,第二章 凝固的温度场,图,2-13,焊接工艺规范对温度场,）焊速变化,）热源功率变,）与 成比例变化,第二章 凝固的温度场,