铸造学07讲铸件凝固温度场.

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课件金属成型理论基础第五章铸件的凝固第一节铸件的温度场(2)

第13 次课 2 学时第五章铸件的凝固第一节铸件的温度场（2）三、铸件的温度场的测定测定方法见图3-11 铸件及铸型各部分安放热电偶，然后分别利用多点自动记录装置给出温度与时间的曲线如图3-12a 其中1、2、3、、、、为铸件中不同位置（距界面间距）每一条曲线代表铸件某一特定位置的温度随时间变化的曲线。

根据图3-12a 可给出铸件断面上不同时刻的温度场图3-12b （叙述曲线的做法）和铸件凝固动态曲线（下一节讲）从温度场曲线看出：○1温度场随时间变化 --- -不稳定温度场； ○2温度场的变化速率---- 温度梯度；两个例子：—— 图3-13是纯铝圆柱形铸件的温度场a ．铸型中的液态金属几乎同时从t 浇降到t sb ．接近铸件表面的合金结晶时释放，阻止了内部合金的温度下降，在曲线上表现出平台；c ．拐点出现的时刻说明结晶（凝固前沿）到达的时刻；d ．凝固初期，温度梯度大，以后逐渐减慢；e ．固溶体合金的温度场与此相似t L 有拐点 t s 没有明显拐点——图3-14共晶型合金的温度场a ．铸型内合金很快降至液相线温度b ．两个拐点：t L 液相线温度 t s 共晶温度两个概念：等温面（等温线）：某一瞬间温度场中温度相同点组成的面（或线）有时温度场用等温面（或线）表示。

用途：不规则的铸件通过测定或通过数值模拟来确定等温面，直观判断铸件的凝固顺序，找出缩孔的位置。

——所以对铸造工艺设计很有意义。

四、影响铸件温度场的因素以上已指出：某一瞬间的温度场可以用等温面表示，即是由不同温度的等温面组成。

温度场任何点的温度沿等温面法线方向上的增加率称为该点的温度梯度：gradt=xt x t lim x ∂∂=∆∆∆（℃/m ）所以，温度梯度是表示温度场沿单位长度上的温度变化速率，也是时间空间的函数。

gradt 增大，铸件的温度场越陡，铸件的凝固速度越大。

下面讨论温度场的影响因素，实际上是温度梯度的影响因素。

铸造学07讲铸件凝固温度场ppt课件

Tw f (t)
Tqx,y,z,t
n
T ＝ n
TwTf
温度场计算的解析法
➢ 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。
所以得（铸件侧温度分布）：
同理可得铸型侧温度场方程式为：
对于公式中的界面温度Ti，可以通过在界面处热流的
连续性条件求出，
• 即：上式中， b1 = λ1 c1 ρ1 ，为铸件的蓄热系数； b 2 = λ2 c 2 ρ2 ，为铸型的蓄热系数。最后
可得铸件、铸型内温度分布的解析解为：
半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场（温度分布）
并令：
R V1 A1
➢ 可得一般铸件凝固时间的近似计算公式：
R
K
➢ 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”。
➢ 从传热学角度来说，模数代表着铸件热容量与散热表面积之间的比值关系，凝固时间随模数增大而延长。 ——对于形状复杂的铸件，其体积与表面积的计算都是比较麻烦的，这时可将复杂铸件的各部分看作是形状简单的平板、圆柱体、球、长方体等单元体的组合，分别计算出各单元体的模数，但各单元体的结合面不计入散热面积中。一般情况下：模数最大的单元体的凝固时间即为铸件的凝固时间。
1）解析法（理论法）：
➢ 因铸型温度分布为：T 2b 1 T 1 b 10 b b 2 2 T 20 b 1 T b 110 b b 1 2 T 20 er 2 fx a2t
➢ 所以其温度梯度有：

铸造过程中热场分析

铸造过程中热场分析及其应用在金属液全部浇入型腔后至金属液凝固的这段时间里，型腔内金属液（包括铸件和浇冒系统）以温度为表症的比内能（单位质点含有的能量J/kg）分布即为热场。

在传统的铸造工艺理论中，将铸件几何结构中材料富集部位，也就是几何断面较大的部位确定为热节，并将热节纳入工艺控制重点。

这些都是建立在金属液浇注完这一时刻，型腔内金属液温度都一样的基础上的，然后根据均匀散热的条件，单位比表面积最小的部位即比内能下降最慢的部位，就是最后凝固部位，也即是一般热节所在部位。

但是利用铸件热节分布来安排铸造工艺，在生产实践中往往会出现工艺缺陷，也就是说，铸件局部过热和过热引起的缺陷不一定出现在几何热节处。

为此引入热场概念。

通过对铸型浇注完毕后，金属液总体的温度分布以及随冷却条件的差异导致温度分布变化的研究，确定热场的分布，用比内能的概念取代热节，从而决定铸造工艺的布置，以弥补单纯依靠热节来安排铸造工艺的不足。

一、热场的分类根据铸造工艺的不同，所形成热场对铸件顺序凝固是否有利，热场可分为良性热场和不良热场两种。

以最简单的平板铸件为例，说明铸造工艺布置对热场和铸件缺陷的影响。

图1为不良热场，图2为良性热场。

图1中的铸造工艺布置按几何热节法找不出任何不妥当的地方，但是按此工艺生产的铸件会在A处的位置出现缩松缺陷。

这是由于图1中金属液的温度分布是按图中顺序数的增大而递减的。

导致这一现象的产生原因是铸型的吸热作用和明冒口的辐射散热作用，图中死角部分（序号6）附近的金属液一旦充入就不再流动，在未浇注完毕时就已开始冷却结晶，而中间区域是充型通道，温度始终接近于浇注温度，这个区域附近的型砂温度也比较高，至使在补缩通道中不能形成温度递减的顺序凝固现象，而补缩通道的上游却先与下游凝固，使A处产生缩松缺陷。

因此可以看出，对于几何断面均匀的铸件，在各部位散热条件基本一致时，由于温度分布的不均匀使铸件备部位的比内能不均匀，所以在均匀的质量场中形成了不均匀的热场，即不良热场，对铸件的顺序凝固不利，易产生铸造缺陷。

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。

【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

27/33
• 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
28/33
• 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
30/33
31/33
32/33
33/33
34/33
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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。
14/33
• 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 ÷

第二章凝固的温度场

第二章凝固温度场
20
三、界面热阻与实际凝固温度场
上述关于铸造过程凝固温度场的分布以及凝固时间的讨论均将铸件与铸型的接触当作是理想状态下的紧密接触，实际界面存在热阻。
界面局部接触，有间隙
热阻来源铸型型腔内表面常存在涂料
实际界面接触状况与涂料状况对界面热阻大小有重要影响。
第二章凝固温度场
21
第二章凝固温度场
10
第二节铸件凝固温度场的解析解法
一、半无限大平板铸件凝固过程的
一维不稳定温度场
二、铸件凝固时间计算三、界面热阻与实际凝固温度场
四、铸件凝固方式及其影响因素
第二章凝固温度场
11
一、半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场
T T10
铸型 λ2 c2 ρ2
x T1 Ti T10 Ti erf 2 a t 1
得：

K
或：

2
K2
18
第二章凝固温度场
将式（2-24）中的V1与A1推广理解为一般形状铸件的体积与表面积，并令：
V1 R A1
可得一般铸件凝固时间的近似计算公式：
R K
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”。
第二章凝固温度场
19
从传热学角度来说，模数代表着铸件热容量与散
x erf 2 at 2

x
2 at 0
e
2
d
第二章凝固温度场
14
代入铸件（型）的边界条件得：
x T1 Ti T10 Ti erf 2 a t 1
T T10

铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟研究分析.

铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟研究分析1 铸件凝固过程数值模拟的意义及概况自1962年丹麦Fround第1个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛的应用，如凝固过程温度场、热应力场的数值模拟，充型过程流速场的数值模拟；组织形态及力学性能的数值模拟等。

通过这些单1或复合过程的数值模拟，可以分析铸件中存在的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争能力。

如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等，都把数值模拟软件作为1种日常工具来使用。

近10年来，涌现出了许多优秀的铸造过程数值模拟软件，如美国的ProCast、德国的MAGMASoft、芬兰的CastCAE、西班牙的ForCast、日本的CASTEM、法国的SIMULOR软件等。

从功能上看，许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场、应力场的数值模拟，可以预测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷和铸件各部位的组织。

国内在经历了10多年的基础研究和发展后，也出现了一些技术水平接近国外商品化的应用软件，可以进行铸钢、铸铁件砂型铸造时的三维温度场模拟及收缩缺陷的预测，以及对铸钢、铝合金件的热应力场进行模拟。

总的来说，国外软件的通用性强，能进行铸造全过程的数值模拟，并具有较强的后置处理功能及友好的用户界面。

建模方便，易于模型设计和修改，便于用户掌握和使用。

其计算精度与运算速度等方面也能满足需要。

正因为如此，国外模拟软件已经成为实际生产中的有力工具.国内不少用户趋向于采用大型通用工程软件如：COSMOS、ANSYS、ADINA等进行模拟计算。

2 数值模拟的基础性研究2.1 铸件凝固过程温度场数值模拟经过几十年的发展，铸件凝固过程温度场数值模拟技术已日臻成熟。

2.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。

铝合金铸件凝固温度测量及分析_敬必成

铝合金铸件凝固温度测量及分析敬必成代习彬罗定荣刘志先周麟升重庆新红旗缸盖制造有限公司，重庆 402560摘要：通过实验在线测量铸件凝固过程温度变化，绘制凝固过程温度曲线图。

计算出凝固过程中温度梯度、冷却速度、凝固方式。

根据计算结果分析及预测可能产生的缺陷。

关键词：凝固过程；温度梯度；凝固方式；冷却速度铸件是熔融金属注入铸型，凝固后得到的具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或零件毛坯[1]。

金属的凝固是铸件形成过程中的重要环节，在很大程度上决定铸件的内部质量。

铸件出现的缩孔、缩松、针孔、浇不足、偏析、冷裂、热裂、变形等缺陷都是在凝固过程中产生的。

所以，认识铸件的凝固规律，对防止产生铸造缺陷、改善铸件组织、提高铸件的性能，有十分重要的意义。

而测定铸件凝固温度场是了解铸件凝固过程的一个非常重要的途径。

铸件的凝固方式主要分为逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）及中间凝固。

铝合金铸件几乎都是逐层凝固成型。

逐层凝固的凝固前沿与熔液直接接触，金属由液体转变为固态时发生的体积收缩，直接得到熔液的补充。

因此，凝固过程中产生缩松的倾向小，而在最后凝固部位形成缩松。

在凝固过程中，由于收缩受阻而产生晶间裂纹，容易得到溶液的补充，使裂纹愈合，所以热裂倾向小[2]。

冷却速度对铸件质量也有显著的影响。

冷却速度越大，枝晶间距越小，A356铝合金变质效果越好[3]。

冷却速度对针孔的形成也有影响[4~6]。

冷却速度越快形成的气孔较少，分布比较集中并呈规则的小圆形。

冷却速度慢时形成的气孔不仅数量多分布离散，而且大小形状各不相同[7]。

1 实验条件及方法选取公司正常生产的A356铝合金缸盖A和缸盖B，在火花塞孔（未预铸）中部选取三个点进行温度测量，具体测量点位置如图1、图2所示。

将热电偶固定在测量点后，在线测量凝固过程温度变化，做出凝固过程温度曲线图。

位置“上”为冒口，位置“中”为火花塞孔上部，位置“下”为火花塞孔下部。

图1 缸盖A温度测量点示意图图2 缸盖B温度测量点示意图2 实验结果缸盖A凝固过程温度曲线图如图3所示，缸盖B凝固过程温度曲线图如图4所示。

第二章凝固温度场

中间凝固方式特点： a、结晶温度范围较窄 b、铸件断面的温度梯度较大特点：凝固初期似逐层凝固 ——凝固动态曲线上的两相边界纵向距较小凝固后期似糊状凝固

（四）铸件凝固方式的影响因素
1、合金凝固温度区间的影响

2、温度梯度的影响
（五）金属凝固方式与铸件质量的关系（一）窄结晶温度范围的合金 1、纯金属、共晶成分的合金凝固前沿平滑

T T T T 2 ( 2 2 2 ) a T t c x y z
2 2 2

三、凝固温度场的求解方法
数学解析法

数值方法
差分法
有限元法

数学解析法

主要目的：利用传热学的理论建立表明铸件凝固过程传热特征的各物理量之间的方程式、即铸件和温度场数学模型并加以求解。优点：物理概念、逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚表达温度场的各种影响因素，有利于分析各参数变化对温度高低的影响。缺点：只适用于简单热传导问题

（二）凝固区域及其结构

固相区：t<ts,完全凝固的区域；液相线：t>tL,过热状态的金属液；凝固区：液固部分：液相占优势----晶体处于悬浮状态而未连成一片，液相可以自由移动；固液部分：固相占优势 a、靠近液固部分晶体已连成骨架，液体可移动； b、靠近固相线部分骨架件有相互不沟通的小熔池得不到补缩；铸件在凝固过程中凝固区域按动态曲线所示的规律向铸件中心推进。

he ：间隙对流传热的等效换热系数一可实测。（3）凝固潜热的处理：在凝固过程中，使铸件温度下降缓慢，讨论时有以下处理方法。 1)温度回升法 2)等价比热容法 3) 积分法 4)热焓法

凝固原理讲义-凝固过程中的传热

-1
-3
-2
-1
0
1
2
3
x
2
铸件的温度场
——绝热铸型的传热
33
砂模中的温度分布为：
T (x, ) Tm erf ( x )
T0 Tm
2 m
y
tm
t0
2020/3/25
浇注金属 x
铸件的温度场
——绝热铸型的传热
34
金属中的凝固状况:
金属与铸模接触壁处热量平衡方程式：
假定液态金属无过热度，金属内部没有热阻
qRm qRi
Rm Ri
铸件断面的温差与中间层断面温差之比或是铸件热阻与中间层热阻之比
K2
T3 T4 T2 T3
qRn qRi
Rn Ri
铸模断面的温差与中间层断面温差之比或是铸模的热阻与中间层热阻之比
T1
T3 铸模
T2
29
铸件
T4
K1<<1, K2>>1
金属铸件在非金属铸模中的冷却
T1
铸模铸件
对流热流密度 q Φ A
h(tw t f ) W m2
2020/3/25
基本概念
14
影响对流给热的因素: 1 流体速度: 强制性流动和自然对流 2 流体的物理性质: 导热系数,比热,密度,黏度 3 给热面的几何尺寸,形状,位置
对流给热系数:
f (v,,c, ,,Tw ,Tf , L,)
界面热阻与气隙。界面层传热量的计算。
q hi (Tis Tim )
2020/3/25
基本概念
5
所谓“三传”，即金属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，即使在热量传输过程中也同时存在有导热、对流和辐射换热三种传热方式。

凝固温度场

热传导过程的偏微分方程
• 三维傅里叶热传导微分方程为：
T 2T 2T 2T 2 2 t c x y z 2 2 a T
式中:
a
—— 导温系数，
a
c
；
2 —— 拉普拉斯运算符号。
• 二维传热：
2T T 2T a 2 t y 2 x
• 上述金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固、厚壁金
属型中的凝固说明：金属型铸造完全可以用改变涂料厚
度或其热物理性质控制铸件的冷却强度。 • 例如在生产中，铸铁件的金属型铸造就是利用涂料防止
铸件产生白口。金属型铸造铝合金件中，常在冒口用的
涂料中加入石棉粉增加热阻，以提高冒口的补缩效果。可以看出：“铸件--中间层（界面）---铸型”系统中各组元的热阻对系统的温度分布影响极大，而热阻最大的组元是传热过程中决定性因素。因此，利用该因素
Tw f (t )
第二类边界条件：给出通过物体表面的比热流随时间的变化关系
T q x, y , z , t n
第三类边界条件：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数

T ＝ n
Tw T f

• 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。
半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场
b2 2 c2 2
铸件侧：
b1T10 b2T20 b2T10 b2T20 x T1 erf 2 a t b1 b2 b1 b2 1
T10
铸型侧
T
Ti 铸件
侧
• 铸型侧：
b1T10 b2T20 b1T10 b1T20 x T2 erf b1 b2 b1 b2 2 a2t

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

铸件温度场的测定实验

铸件温度场的测定实验
1铸件温度场的测定
铸件温度场的测定是一个重要的铸造过程诊断和控制工作，是确保铸件的质量的必要手段。

要确定铸件温度测量，在型腔表面点开多个孔，用温度计安装在其中。

在开启测量后，应及时采集温度数据，记录下每个温度传感器点的温度变化，以便捕捉冷点，记录其变化趋势。

2便于铸件温度场测量的技巧
1.确定点开孔位置时，最好尽量选择调节有序且不受其他干涉因素影响的位置。

2.要使测量可靠，在铸件温度下降到一定温度时，型腔必须迅速关闭，以防风冷。

3.铸件温度测量前，应确认温度计可适用于要测试的温度和体积。

4.开口处要有垫圈，以避免温度传感器侵入型腔内部。

5.温度传感器应装设牢固，采样频率高，以便及时发现异常情况和调整温度测量。

3注意事项
1.铸件温度测量要在正确的温度下进行，以保证测量的准确性。

2.测量应采用高精度低偏差的温度计，以保证温度测量的准确性和可靠性。

3.在测量过程中，一定要维护室内温度的稳定，以保证测量结果的准确性。

4.应尽量减少温度计与型腔接触时间，以免设备及温度数据受到损害。

铸件温度场是决定铸件质量的重要参量之一，因此对其进行准确的测定是必不可少的。

在进行时，要确保测定条件良好，采用高精度的温度计，严格按照要求进行安装，及时采集温度数据，准确记录温度变化情况，以期获得准确可靠的测定结果。

第3章铸件的凝固

1、逐层凝固的情形
当铸件断面温度梯度已经确定时，如在一般铸造条件下，纯金属、共晶合金及其他结晶温度范围很窄的合金常为逐层凝固方式。
纯金属工业用铜工业用铝工业用锌工业用锡
几种窄结晶温度范围的合金
共晶类合金共晶成分合金
近共晶成分合金
窄结晶温度范围的合金低碳钢铝青铜
结晶温度范围小的黄铜
顺序凝固方式示意图
同时凝固：铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称做同时凝固。
下图为阶梯形铸件，由于浇口置于薄端，冷铁置于厚端，使得纵向温度分布比较均匀，属于同时凝固。同时凝固的铸件断面上扩张角为零，也不存在补缩通道。
凝固区域宽度可以根据凝固动态曲线上的“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离直接判断。如果两条曲线重合，即恒温下结晶的金属或合金，或者其间距很小，则趋向于逐层凝固方式；如果两条曲线间距很大，则趋向于体积凝固方式；如果两条曲线间距较小，则为中间凝固方式。
二、影响凝固方式的因素
由上述分析可知，铸件的凝固方式取决于凝固区域宽度，而凝固区域宽度又是由合金结晶温度范围和铸件断面温度梯度两个因素决定的。
凝固方式及凝固方向是两个不同的概念，但又是互相联系的。两者都是从温度场入手，前者研究铸件从表面向中心凝固的进程及特点；后者研究铸件更为宏观的整体凝固特征。一般讲，趋于逐层凝固的铸件有可能实现顺序凝固，趋于体积凝固或均匀薄壁铸件多为同时凝固。
3.3.5凝固方式和凝固方向与铸件质量的关系
一、凝固方式和铸件质量的关系凝固方式对铸件质量的影响是多方面的，主要表现在对铸件致密性及健全程度的影响。可分别从充型能力、补缩条件、缩孔类型、热裂纹愈合能力等方面分析。