凝固过程温度场.

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铸件的凝固

C4 铸件的凝固与补缩本章内容：铸件的凝固过程、凝固特性对铸件质量的影响，缩孔、缩松的形成机理、防止措施以及冒口和冷铁的应用。

§1 铸件的凝固一铸件的凝固方式1 凝固区域除纯金属和共晶合金外，铸件凝固过程中断面有三区：固相区＋凝固区＋液相区，见下图。

图4-1铸件某一瞬间凝固区域温度场T：指铸件断面上某瞬时的温度分布曲线固相等温面：Ⅰ－Ⅰ’液相等温面：Ⅱ－Ⅱ’固相区：合金已凝固成固相的区域；液相区：尚未开始凝固的区域；凝固区：凝固和液固相并存的区域。

2 凝固方式根据铸件凝固时其断面上凝固区域的大小，凝固方式分三种：逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）、中间凝固。

铸件断面凝固区域的宽度δ由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。

当温度梯度相同时，取决于合金的结晶温度范围；当合金成分一定时，则取决于温度梯度。

温度梯度较大时，可使凝固区域变窄。

1）逐层凝固⊿tc=0,δ=0恒温下结晶的合金，在凝固过程中其铸件断面上凝固区宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清楚分开。

随温度下降，凝固层逐渐加厚直至铸件凝固结束。

包括纯金属、共晶合金、结晶温度范围很小或断面上温度梯度很大的情况。

逐层凝固糊状凝固中间凝固左：纯金属或共晶合金左：结晶温度范围很宽左：结晶温度范围较窄右：窄结晶温度范围右：温度场平坦右：温度梯度较大凝固特点：易形成缩孔、热裂倾向小、较好的流动能力。

（这类合金的补缩性良好，可以采取工艺措施，如设置冒口，来消除缩孔）。

合金种类：纯金属、共晶合金、低碳钢、高合金钢、铝青铜、窄结晶温度范围黄铜等。

2）糊状凝固铸件凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很宽，在某一段时间内，凝固区域甚至会贯穿于铸件的整个断面，铸件表面尚未出现固相区，铸件中心已开始结晶，出现了固相。

凝固特点：补缩性差（易形成缩松）、热裂倾向大、流动能力差。

合金种类：高碳钢、球铁、锡青铜、铝镁合金及某些结晶温度范围宽的黄铜。

3）中间凝固铸件断面上凝固区域宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。

凝固是钢坯生产过程中关键的环节，直接影响其质量和性能。

通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象，从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。

具体而言，大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面：
1. 温度场模拟：通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布，包括凝固壳层和内部的温度变化。

这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。

2. 相变模拟：钢的凝固过程涉及到相变，包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。

数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。

3. 应力和变形模拟：凝固过程中会产生应力和变形，这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。

通过数值模拟可以模拟应力场和变形场，预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。

4. 凝固结构分析：通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征，包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。

这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。

通过合理的模拟参数和边界条件，可以精确模拟大钢锭的凝固过程，为生产提供科学依据和优化策略。

铸件凝固过程温度场分析计算

毕业设计铸件凝固过程温度场分析计算姓名： XX学号： XX班级： 10自动化（数控）2专业：自动化（数控）所在系：自动化工程系指导教师： XXX铸件凝固过程温度场分析计算摘要铸造是国民经济的重要产业部门之一，一个国家制造工业的规模和水平就靠它来反映。

航空、航天、汽车、机械等各行业的迅速发展，对铸件的需求量越来大，对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求也越来越高。

先进制造技术的发展要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。

铸造温度场是铸件在生产、加工及使用过程中产生缩孔缩松的主要原因,缩孔缩松不仅降低铸件的尺寸精度和使用性能，甚至直接导致铸件报废。

对铸造过程温度场进行数值模拟，可以预测铸件的缩孔缩松，为优化铸造工艺、减少应力、应变导致的铸件缺陷，提高铸件尺寸精度和使用寿命提供科学的参考依据[1]。

此毕业设计就是通过计算机模拟铸件的形成过程，并对其进行相应的温度场分析，根据判据找到缺陷发生的位置，旨在为实际生产提供理论基础，为改进工艺设计作贡献。

关键词：ANSYS；有限元分析；温度场；铸件凝固Casting Solidification Temperature Field Analysis andCalculationABSTRACTCasting is one of the important sectors of national economy, manufacturing industrial scale and level of a country depends on it to reflect. Aviation, aerospace, automotive, machinery and other industries, the rapid development of the to the greater demand for the castings, casting the metal on the performance and reliability requirements of the casting itself more and more is also high. The development of advanced manufacturing technology for casting production to light-duty composite, high-precision, strong, and no environmental pollution.Casting temperature field is castings produced in the process of production, processing and use the main cause of porosity shrinkage, porosity shrinkage not only reduce the size of the casting precision and operational performance, even as a direct result of the casting scrap. A numerical simulation of the temperature field of casting process can predict the shrinkage of the shrinkage, in order to optimize the casting process, reduce the stress and strain caused by the casting defects, improve the casting dimension accuracy and provide scientific reference for service life. The formation of this graduation design is through the computer simulation of casting process, and carries on the corresponding temperature field analysis, according to the criterion of finding defects location and aims to provide theoretical basis for actual production, make contributions to improve process design.Key Words：ANSYS；The finite element analysis；Temperature field；Casting solidification目录第一章绪论 (1)1.1本课题的背景和意义 (1)1.1.1铸件凝固过程温度场分析计算的意义 (1)1.1.2国内外发展状况 (1)1.1.3本课题的研究内容 (1)1.2本课题研究的方法和手段 (1)第二章理论及软件 (3)2.1本论文的理论基础 (3)2.1.1热传递的基本方式 (3)2.1.2导热过程的基本概念 (5)2.1.4ANSYS简介 (9)2.1.5软件功能介绍 (9)第三章软件模拟 (11)3.1建模和ANSYS前处理 (11)3.1.1PRO/E建立铸件模型 (11)3.1.2铸件砂型的建立 (12)3.1.3铸件在ANSYS的前处理过程 (15)3.2温度场求解过程 (22)3.2.1定义对流条件 (22)3.2.2求解设置 (25)3.3基于温度场的分析 (26)3.3.1温度场模拟结果 (26)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)第一章绪论1.1 本课题的背景和意义1.1.1铸件凝固过程温度场分析计算的意义铸造温度场是铸件在生产、加工及使用过程中产生缩孔缩松的主要原因；铸造应力是铸件在生产、加工及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因,缩孔缩松和裂纹不仅降低铸件的尺寸精度和使用性能，甚至直接导致铸件报废。

钢锭凝固过程温度场数值模拟

钢可采用向浇注后冒口加入２００ｍｍ厚发热剂增强钢锭凝固末期钢液补缩能力，脱模时间为浇注后１２．５ｈ。
关键词：钢锭；热物性参数；发热剂；温度场；数值模拟中图分类号：ＴＧ２４４＋．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ４９７７（２０１３）０５ — ０４１０ — ０６
过程微观偏析模型预测钢锭凝固过程相的变化规律，并根据钢锭凝固过程钢热物性参数与相组成之间的关系式来确定。随后采用红外测温试验验证了钢锭凝固传热数学模型，并模拟了钢锭凝固过程温度场变化规律以及不同浇注温
度和冒口保温条件对钢锭凝固过程的影响。结果表明：钢锭凝固过程由钢锭底部向冒口逐渐凝固，随着钢锭冒口发热剂的加入，钢锭凝固末期，最后凝固区域逐渐从无发热剂情况时位于钢锭本体向冒口区域移动。３８ｔＮ锭４１２５Ｖ２
ｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｏｌｉｄｉｉｃｆａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄ
ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｏｔｆｗａｒｅＭＳＣ．Ｍａｒｃ．ａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｉｎｍｏｄｅｌｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｍｉｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｃａｎｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｐｈａｓｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ

金属凝固理论第4章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动

3）金属的凝固温度
金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，致使铸件断面温度场出现较大的梯度。如有色金属与钢铁相比，其温度场较平坦。
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（2）铸型性质的影响 1）铸型的蓄热系数
铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大，铸件内的温度梯度就越大。铸型的导热系数越大，能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度也就大。
向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场较平坦。
2）铸件的形状铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。
向外凸出的部分，散出的热量被较大体积的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸件内凹的表面，则相反。
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三、铸件的凝固方式及影响因素
TL
TS
L
S+L S
第四章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动
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第一节凝固过程中的传热
在材料成形过程中，液态金属的过热热量和凝固潜热主要是通过传导而释放的。
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一、凝固过程中的热传导及傅里叶方程
温度场基本概念: 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），其表达式为：
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T n
Tw Tf
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凝固过程中，热量传递有三种形式：传导、辐射、对流。
以热传导为主。热传导过程取决于温度的分布——温度场：温度
随空间和时间的变化。 T = f（x，y，z，t） Fourier热传导方程：

【材料成型原理--铸造】第4章液态金属凝固过程中的传热与传质

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• 2、模型建立
• 温度TL时，开始凝固： • 固度k相0C：0。百分数dfS；溶质浓
• 液相：溶质浓度几乎不变，为C0。 • 温度降到T*时，
• 固数f相S；：溶质浓度C*S；百分
•
液相：溶质浓数fL。
度
C*L；百
分
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• 当dfSf）S界，溶面这质处些浓固溶度相质增增将加加均d百C匀*L分扩，量散则为到：d整fS个时液，相排中出，溶使质剩量余为液（相C*（L-C1*S-） • （C*L-C*S）dfS=（1-fS）dC*L
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• （二）固相无扩散，液相只有有限扩散（无对流或搅拌）的溶质再分配
• 1、假设： • （1）合金单相凝固； • （2）固相无扩散（接近实际情况）； • （3）液相有限扩散（无对流、搅拌）； • （4）固液相线为直线，k0为常数； • （5）试样很长，单向放热，平面推进。
• 该两式为平衡凝固时溶质再分配的数学模型。
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CS
1
C0k0 f S (1 k0 )
CL
k0
C0 f L (1 k0 )
• 3、验证（1）开始凝固时 • 初始条件：fS0，fL1 • 则：CS=k0C0；CL=C0 （2）凝固结束时 • 初始条件：fS1，fL0 • 则：CS=C0；CL=C0/k0
凝固时间与凝固层厚度的平方成正比。
计算结果与实际接近。
适合大平板和结晶间隔小的铸件。
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• 3、“折算厚度”法则
R2 t
K2
R V1 为铸件折算厚度或铸件模数。
A1

铸件凝固过程温度场的数值模拟

松、热裂等可能性缺陷的分布提供一种有效科学的手段。说中央处理单元是模拟系统的核心不光指在这个过
３中央处理单元
从总体上讲前处理单拿来主义” 即使用成品软件，，而无需另行
开发。
中央处理单元是模拟系统的核心。在有限元（或有限差分）网格划分基础上，给出凝固过程中每个小单元（按
点处理）各个时刻温度，以文件形式存贮，并对缩孔、缩
实际上铸件是三维形状，其凝固过程中的传热也属
三维传热问题。因此要使铸件凝固过程数值模拟软件能
够实用化和有较高的精度，必须进行铸件凝固过程的三维传热计算。为实现这一目的，首先要解决铸件三维实体
造型问题。
目前实用的三维实体造型软件很多，如工作站上Ｉ — ｄａ系统、Ｇ系统、ｒＥ系统（ｅｓＵＰｏ／这些系统还能进行有限
状、模拟物体动态处理过程的技术。如几何模型用于后续
缩孔、缩松等宏观缺陷；为预测铸造应力、微观组织等提分析，必须把几何模型分解成有大量单元或元素组成的供基础数据；分析、评价，并通过控制凝固条件优化铸造集合体，其目的在于方便灵活地为其它程序模块提供相工艺；减少工艺准备失误率；缩短试制周期、降低试制成本。应的数据。网格划分主要有有限元网格及有限差分网格铸件凝固过程数值模拟开始于２０世纪６年代，ｏ丹两种方式比较而言前者处理精度高，但对硬件要求高，麦人Ｆｒｎ最早采用有限差分法进行铸件凝固过程的ｏｓｄｕ后者速度快，具体选用哪种方式需根据硬件情况而定。传热计算。而首次成功应用应属三年后两个美国专家对网格模型的实现若在工作站上可以采用Ｉｄａ、－ｅｓ汽轮机内缸体铸件进行的数值计算，其温度场的计算结ＰｏＥＡＳＳ等系统，ｒ、ＮＹ／在微机上一般需要白行开发一套果与实测值相当接近。他们的成功使研究者意识到用计划分系统。算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力和广阔的前景。由此开辟了铸件的凝固过程数值模拟的先河。数值模拟系统工作流程如图１所示，一般来讲我们把①②⑧称为前处理单元，是数值模拟的基础； ④称为中央处理单元，是数值模拟的核心； ⑤称为后处理单元下面将分别论述 ÷

柴油机缸体铸造凝固过程温度场仿真

铸件凝固过程温度场仿真计算分为几何建模、前处理、后处理及铸造工艺分析四个阶段。图１为铸件凝固过程温度场仿真计算流程简图，其中几何
建模及前处理的质量及处理方法对于仿真计算的效
率及精度有很大的影响，而后处理主要是仿真软件
图１铸件凝固过程温度场仿真计算流程简图
真计算结果，还需要有经验的铸造工艺师对数据进
学科，其计算分析包括了温度场、流场、应力场等
多方面的内容。铸件凝固过程数值模拟技术的出现，为提高和确保铸件质量开创了新的局面［１１。本文应用清华大学的Ｆ — ＴＲ软件对柴油机缸体零ＴＳＡ件铸件凝固过程温度场进行仿真计算。模拟铸件从
Ａｂｔａｔｉｕａｉｎｏｅｐｒ￣ｒｅｄｄｒ．ｙｉｄｒｂｏｋｃｓｉｇｓｌｉｉｇｉｏ－ｓｒｃ：Ｓｍｌｔｆｔｍｅａａｅｆｌｕｉｇｃｌｅｌｃａｔｏｉｆｎｓｃｎｏｉ￣ｎｎｄｙ
ｄｃｅｈａｙｕｉｇｓｆｗａｅＰｏＥｔｕｌｏｄｍｏｅｆｔａｔｎ，ｎｄｕｉｇｓｆ－ｕｔｄｉｔｅｗｙｂｓｎｏｔｒｒ／ｏｂｉｓｌｄｌｏｎｄｈｅｃｓｉｇａｓｎｏｔ
有限差分
工艺优化
Ｋｅｒｓｓｌｉｃｔｎｆｉｉｅｅｃｔｏｐｏｅｓｎｐｉｚｔｎｙｗｏｄ：ｏｉｆａｉ，ｉｔｄｆｒｎｅｍｅｈｄ，ｒｃｓｉｇｏｔｄｉｏｎｅｍｉａｉｏ
１前言

凝固温度场知识

（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。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。
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：
∂T ∂t
=
λ cρ
⎜⎜⎝⎛
∂ 2T ∂x 2
+
∂ 2T ∂y 2

+
∂ 2T ∂z 2
⎟⎟⎠⎞
=
a
∇
2T
式中
a —— 导温系数， a = λ ； cρ
∇2 —— 拉普拉斯运算符号。
二维传热： ∂T ∂t
=
a
⎜⎜⎝⎛
∂ 2T ∂x 2
+
∂ 2T ∂y 2
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Tw 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
1
达式为：
λ ∂T = q(x, y, z,t)
⎟⎟⎠⎞
一维传热：
∂T = a ∂ 2T ∂t ∂x 2
上述微分方程式是传热学理论中的最基本公式，适合于包括铸造、焊接过程
在内的所有热传导问题的数学描述，但在对具体热场进行求解时，除了上述微分

凝固过程温度场讲解

热对流（ Heat convection ）
定义：由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流。对流包括自然对流和强迫对流。自然对流是由于质点间的温度差或者密度差引起的浮力流，强迫对流是体系在外力（如机械力、电磁力等）驱动下产生的质点的相对位移热对流一般是发生在气体和液体中的，受热的气体或液体会带着他的热量升上去，凉的气体或液体会降下来替代刚升上去的气或热的位置，然后受热后继续升上去，刚上去的丢失了热量后会降下来，这样反复循环，就是对流。就像平时烧水，先是下面的水受热，然后升上去，上面凉的水就会降下来然后受热。
凝固过程温度场相关
报告人：陆皓
温度场
1、基本概念指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。温度是标量，温度场是时间和空间的函数，也是标量场。在直角坐标系中：在柱坐标系中：在球坐标系中：
根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非稳态的。例如表示导热过程是二维、稳态的导热现象，温度仅在x、y方向发生变化，但不随时间变化；表示导热过程是一维、非稳态的导热现象，温度仅在x方向随时间发生变化。
热传导（ thermal conduction ）导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier：
上式称为傅立叶定律（导热基本定律），
是一个一维稳态导热。其中：
-：热量传递的方向与温度梯度方向相反。
Q：热流量，单位时间传递的热量。[W]
q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量[W/ m2]
导热系数（Heat Conductivity）
A：垂直于导热方向的截面积[m2] 。：导热系数（热导传导（ thermal conduction ）

材料加工原理作业答案

作业第一章液态金属的结构与性质1、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？理想纯金属液态结构能量起伏和结构起伏；实际纯金属液态结构存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶质或化合物）不同的杂质原子；金属（二元合金）液态结构存在第二组元时，表现为能量起伏、结构起伏和浓度起伏；实际金属（多元合金）液态结构相当复杂，存在着大量时聚时散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替；能量起伏指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象。

结构起伏指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。

浓度起伏指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象2、根据图1-8及式（1-7）说明动力学粘度的物理意义和影响粘度的因素，并讨论粘度在材料成形中的意义动力学粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。

是液体内摩擦阻力大小的表征影响粘度的因素：1）液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比；3）η与温度T 的关系总的趋势随温度T 而下降。

（实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距随之而增大，因此η会随之下降。

）4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响，如果混合热H m为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（H m 为负值表明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）如果溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。

22.凝固温度场的测定

凝固温度场的测定一、意义和目的铸件温度场是指浇注后，某一时刻铸件内部的温度分布规律。

在温度场中，向着铸件中心的方向上单位长度的温度变化率称为温度梯度。

本实验主要是测定凝固时期各个时刻的铸件温度场。

铸件凝固时期的温度场越陡，即温度梯度越大，则铸件冷却得越快，它的凝固速度就越大。

某一时刻铸件温度场中温度相同点所组成的面称为等温面。

对于在一个温度范围（结晶间隔）内凝固的合金而言，铸件断面中由达到液相线温度的点所组成的面，称为液相线等温面，或称为液相边界。

同样，由达到固相线温度的点组成的面，称为固相线等温面，或称为固相边界。

凝固过程中，铸件断面上液相边界和固相边界之间的区域谓之凝固区域，也就是铸件凝固过程中凝固并存区域。

阐明凝固时期各个时刻的凝固区域大小和它从铸件表面向铸件中心移动规律的曲线，称为凝固动态曲线。

测定凝固动态曲线能够比较全面地描绘铸件凝固过程和研究这种过程。

凝固区域的大小即宽度决定了铸件的凝固方式，即逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。

凝固区域于狭窄，铸件越是倾向于逐层凝固方式。

这种凝固方式的铸件容易形成集中缩孔，便于采取措施（例如用冒口）去除铸件中的集中缩孔；铸件的热裂倾向性小和金属液充型能力较好。

凝固区域越宽，铸件越是倾向于糊状凝固方式。

这种凝固方式的铸件容易形成分散性的缩孔即缩松，即使采用冒口亦难以消除这种缩松；铸件的热裂倾向性大和金属液充型能力差。

金属和铸型两方面的各种因素决定了凝固区域的宽窄，也就是决定了铸件的凝固方式。

例如合金的结晶间隔（液相线到固相线之间的温度间隔）越大，铸件的凝固区域就越宽，糊状凝固方式的倾向性就越大。

反之，结晶间隔越小，则铸件的凝固区域越窄，逐层凝固方式的倾向越大。

当合金的化学成分一定时，也就是结晶间隔大小一定时，铸型冷却能力越大，铸件温度场就越陡，温度梯度就越大，凝固区域就越窄，强化了逐渐逐层凝固的倾向，可以削弱铸件糊状凝固的倾向。

将液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同的时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳，这种研究凝固的方法称为倾出法。

铸铝件凝固过程三维瞬态温度场的数值模拟

ｉｅｔａｔｈｏｒｓｏｄｎａｃｌｔｄｏｅ．ｈｓｉｖｒｆｅｅａｃａｙａｄｖｌｉｆｕｅｃｌｉｌｔｎＴｈｄｎｉｌｈｔｅｃｒｅｐｎｉｇｃｌｕａｅｎｓＴｕ，ｔｅｉｓｔｃｕｃｎａｉｔｏｍｒａｍｕａｉ．ｅｃｗｉｉｈｒｄｙｎｉｓｏ
ｔｍｐｒｔｅｍｅｓｅｅｕｒｅｒｃｕｉｅｉｉｅｅｏａｉ，ａｈｅｓｅｅｔｔｍｐｒｔｅｅｅｂａｉａｌｅｅａｕｒａｕｒｍｎｔｃｖｓｗｅｅａｑｒｄｎｄｆｒｎｔｌｃｔｏｎｎｄｔｅｍａｕｒｍｎｅｅａｕｒｓｗｒｓｃｌｙ
Ｊ１２０ｕ．０８
文章编号：１０ —６９２０）７１１－６０４００（０８０ —３１０
铸铝件凝固过程三维瞬态温度场的数值模拟
隋大山，崔振山
（上海交通大学国家模具ＣＡＤ工程研究中心，上海２０３）０００
摘Байду номын сангаас
要：用有限元数值算法，对一具体铝合金砂型铸造工艺，分考虑材料和边界条件等参数的非线性特征，采针充
使用等价比热法处理结晶潜热，对凝固过程进行了三维瞬态温度场的数值模拟。通过铸造测温实验，得到了不
同位置的测温曲线，“每个位置的测温曲线与相应的计算温度曲线基本吻合，．从而证明数值模拟的精度和有效性：

铸件成形原理第2章凝固温度场

2.3.1 铸件凝固温度场的数学解析法
4) 铸件在凝固过程中是有热源传热，在凝固过程中结晶潜热不断地释放，且释放位置随凝固进程不断变化，结晶潜热释放也是非线性的。
5) 铸件凝固过程存在多个不同的传热区域和传热界面，包括已凝固的固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，还存在铸件与铸型之间的非紧密接触的传热界面，以及铸件与大气和铸型与大气之间形成的界面。 6) 铸件的各种热物性参数随温度而变化，而铸型的各种热物性参数不但与铸型的组成及造型工艺有关，且与温度有关，均不是固定的数值。 7) 在数学上，如式(2-12)之类的多元、高阶偏微分方程在多种复杂单值条件下解析求解中的多种问题还远远没有获得满意的解决。
2.1.1 基本概念
1.温度场
2.等温面(线)
在同一时刻，温度场中由温度相同的各点所组成的面(或线)称为等温面(或等温线)，它可以是平面(或直线)，也可以是曲面 (或曲线)。在同一等温面(线)上，各处的温度是相同的，所以在同一等温面(线)上没有热量传输，热量只能由温度高的等温面(线)向温度低的等温面(线)传输，其传输方向为等温面(线)的法线方向。
(2) 金属型
图2-4 铸件冷却和铸型被加热均很激烈时的金属型铸造铸件和铸型断面上的温度分布
(2) 金属型
图2-5 采用具有高冷却能力的金属
2.3 铸件凝固温度场的研究方法
2.3.1 2.3.2 2.3.3
铸件凝固温度场的数学解析法铸件凝固温度场的数值计算法铸件凝固温度场的测量法
2.3.1 铸件凝固温度场的数学解析法
铸件成形原理
第2章凝固温度场
2.1 传热基本原理 2.2 铸件的传热特点 2.3 铸件凝固温度场的研究方法 2.4 铸件的凝固时间 2.5 影响铸件温度场的因素 2.6 铸件凝固方式及与铸件质量的关系

材料成型第二章重难点复习题解答

第二章凝固温度场第一节传热基本原理一、填空1. 温度梯度指温度随距离的变化率，对于一定温度场，沿等温面或等温线法线方向的温度梯度最大，图形上沿着该方向的等温面（或等温线）最密集。

2. 根据传热学的基本理论，热量传递的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。

在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传输称为热传导。

3. 铸造过程中液态金属在充型时与铸型间的热量交换以热对流为主，铸件在铸型中的凝固、冷却过程以热传导为主。

4. 不仅在空间上变化并且也随时间变化的温度场称为不稳定温度场。

熔焊时焊件各部位的温度随热源的施加及移动而变，属于不稳定温度场，又称之为焊接热循环。

5. 傅里叶定律是热传导过程的数学模型，求解该偏微分方程的主要方法有解析方法与数值方法，后者是用计算机程序来求解数学模型的近似解，最常用的数值解法是差分法和有限元法。

6. 在求解热传导过程中的温度场时需要根据具体问题给出导热体的边界条件，一般将边界条件分为三类，其中以换热边界条件最为常见。

对于不稳定温度场的求解，除了边界条件之外，还要提供导热体的初始条件。

二、单选题：1. 熔焊过程中热源与焊件间的热量传递方式属于：（4）（1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部2. 熔焊过程中熔池内部的热量传递以（ 2 ）方式为主。

（1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部3. 熔焊过程中焊件内部的热量传递以（ 1 ）方式为主。

（1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部4. 熔焊过程中焊件表面与周围空气介质之间的热量传递方式属于：（4）（1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部三、简答1. 右图为某平板熔焊过程中焊件表面的温度分布状况，标出其最大温度梯度方向，并指出当前热源位置与移动方向。

答：最大温度梯度方向： AB 方向；当前热源位置：A 点上方；热源移动方向：AB 方向。