液态金属凝固过程中的传热与传质
液态金属凝固过程中的传热与传质
液态金属凝固过程中的传热与传质摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。
本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。
传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。
我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。
关键词：金属凝固；传热和传质；界面；溶质再分配在金属的热态成形过程中，常常伴随着金属液的流动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转移现象，即动量传输、热量传输和质量传输现象。
液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织[1-2]。
因此，只有正确和深入研究金属凝固过程中的传输现象，才能有助于建立正确的凝固过程理论模型。
1 金属凝固过程的传热与传质1.1 金属凝固过程中的传热在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导出，凝固才能维持。
宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。
金属凝固过程的传热特点可以简明的归结为“一热、二迁、三传”[3-5]。
“一热”即在凝固过程中热量的传输是第一重要的，它是金属凝固过程能否进行的驱动力。
凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。
高温的液体金属浇入温度较低的铸型时，金属所含的热量通过液体金属、已凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出。
凝固是一个有热源非稳态传热过程。
“二迁”指在金属凝固时存在着两个界面，即固相-液相间界面和金属-铸型间界面，这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使得界面上的传热现象变得极为复杂。
图1为纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意，由图可见在凝固过程中随着固相-液相间界面向液相区域迁移，液态金属逐步变为固态，并在凝固前沿释放出凝固潜热，并随着凝固进程而非线性地变化。
第3章 凝固过程的传热(1)
液相向固相转变时还包含有弯曲固-液界面的形成(产生毛细作用)和热量的微观
熔体内形成了固体，产生一个面积为A的固-液界面，就要克服一个与之相对
运输，在合金凝固时还存在溶质的微观运输。 应的额外能量-界面能。因此，A/v值高的异质系统要比A/v值低的异质系统能量更 高，更不稳定。可以用平衡温度(熔点)来表达两相之间的相对稳定性。由毛细作 用引起的熔点温度变化(曲率过冷度)为， 其中，K是曲率， K
合金凝固组织特征不仅取决于冷却条件，而且取决于合金成分(见图1.8 所示的 Al-Cu系中Al和金属间化合物θ (Al2Cu)相之间的部分相图)。 理解不同的凝固组织如何受合金成分和凝固条件的影响非常重要。不 管凝固组织看来多么复杂，但都可以把问题简化为两种基本的凝固组织形 态，即树枝晶和共晶(包晶也以树枝状生长)。 一般情况下还会有两者的混合体。可以归 纳为： (a)纯物质：平面状或树枝状生长； (b)固溶体树枝晶 (不管有无枝晶间析出相)； (c)树枝晶和枝晶间共晶； (d)共晶。 理解了这两种生长方式就可以解释几 乎所有合金的凝固组织。 铸造合金的设计前提就是获得所需的性 能和良好的铸造性(易充型、低缩孔和低热裂倾向)。
一些涉及凝固过程的重要生产环节有：铸造(连续铸造、模锭铸造、砂型铸
造、精密铸造、金属型铸造)，焊接，锡焊/铜焊，快速成型过程，定向凝固等。 此外，纯物质的结晶也非常重要。例如，半导体及硅晶体制备是现代固体物
理和技术的重要部分。集成电路是所有新型电子器件（无线电、手表、计算机 等）的基础单元，制造集成电路需要大尺寸、低缺陷的单晶，而这种单晶的制 备则需要对掺杂元素的量和均匀性进行严格控制。到目前为止，这种单晶还只 能从熔体中生长。半导体物理方面的需求极大促进了凝固理论和技术的进步。 虽然铜制品的铸造可以追溯到公元前4000年。公元前1600年，中国也出现
液态金属的传热与凝固方式
高温合金的制备、加工及 性能分析
高温合金的制备、加工和性能分 析对工业领域具有重要意义。
液态金属的传热与凝固方 式
物理性质和结构
了解液态金属的物理性质和结构 对传热和凝固方式至关重要。
熔融金属的传热机制
对流传热
研究熔融金属的传热机制有助于 优化液态金属应用的效率和品质。
了解液态金属中的对流传热过程 可以提高传热效率及优化设计。
辐射传热
辐射传热是液态金属传热中 的一个重要机制，它率和温度梯度是影响 液态金属凝固结果的重要因 素。
界面反应
界面反应对液态金属凝固过 程中的相变和组织形成起着 重要作用。
元素分布与相变
研究液态金属中元素分布和 相变对优化材料制备和性能 提升具有重要意义。
1
熔融金属的凝固过程模拟
利用模拟方法可以更好地理解和预测液
经典的凝固模型
热传递模型的建立
建立合适的热传递模型可以 帮助我们更好地理解液态金 属的传热机制。
熔融金属的凝固方式
了解不同的凝固方式有助于 控制液态金属的晶化结构及 获得理想的性能。
1
形核生长
理解形核生长是液态金属凝固过程中的
等分凝固
2
一个关键环节。
了解等分凝固对于合金制备和材料性能
具有重要意义。
3
晶粒生长
晶粒生长是液态金属凝固过程中的一个 关键步骤，影响材料的组织和性能。
2
态金属的凝固过程。
经典的凝固模型为液态金属凝固提供了
重要的指导和理论依据。
3
多相流动模型
多相流动模型能够更精确地描述液态金 属凝固过程的复杂性。
制备过程中液态金属的晶 化控制
控制液态金属的晶化是制备高性 能金属材料的关键步骤。
凝固原理讲义-凝固过程中的流动-
溶质边界层
28
旋转圆盘下的浓度边界层厚度为
dc 1.61D1/3 1/61/ 2
D为溶质扩散系数，为运动粘滞系数, 为旋转圆盘的转速
温度边界层
29
T z
(Tb
Tm ) / dT
热扩散传热
dT 1/ 2
主要对流传热
温度边界层
30
晶体旋转对流体中的速度边界层、溶质边界层和温度边界层
36
两板之间的液体产生自然对流, 对流的速度vx分布曲线为正弦波形
作用于液体单元上的粘滞力示意图
作用于单元底面积上的剪切力
液态金属中自然对流的驱动力
37
液体单元上的粘滞力为:
y
dy
dxdz
dxdz
y
dxdydz
单位体积上的粘滞力为:
F粘
y
另外，根据牛顿粘滞定律
vx
y
F粘
y
vx y
2vx y 2
设在一个长度为L的圆柱体内,有很多半径为R的微小孔道, 每个小孔道是直而光滑的,我们关注的是每个管道内的流速大小
枝晶间液态金属的流动
43
每个圆管中的横截面上任一点的轴向切应力可以表示为以下两种形式:
r
vx r
黏度系数,沿管道轴向上的流动速度
r
p0 pL L
r 2
进,出口处的压力, 管道长度,指定点的半径
联立以上两式得
44
dvx
p0 pL
2L
rdr
积分,得
vx
p0 pL
4L
r 2
C
边界条件, r R时，vx 0,
当r=0时,
得
C
p0 pL
液态金属的传热与凝固方式
本文深入讨论液态金属的传热和凝固方式，探索其原理，影响因素，传热方 式，凝固过程，以及对传热性能的影响。同时，探索液态金属传热与凝固在 现实应用领域中的实践意义。
液态金属的传热原理
液态金属的传热原理是基于热传导机制，其中，热量通过金属中的自由电子 传播。这种电子传导机制使液态金属具有出色的导热性能。
液态金属的凝固过程
液态金属的凝固过程是指金属从液态向固态的相变过程。这个过程是由温度 和时间共同作用下的原子重新排列所导致。
凝固式对传热性能的影响
不同的凝固方式会对液态金属的传热性能产生不同影响，包括凝固结构的有 序性、晶粒尺寸和形态等。理解这些影响可以更好地优化传热性能。
液态金属传热与凝固的应用领域
液态金属传热的影响因素
液态金属传热的影响因素包括金属的物理特性、温度差、传热介质等。理解 这些因素对传热效果的影响能够优化液态金属的传热性能。
液态金属的传热方式
液态金属的传热方式包括对流传热、辐射传热和传热管传热等。不同的传热方式在不同的情况下有不同 的适用性和效果。了解这些方式可以为液态金属传热的设计和应用提供指导。
液态金属传热与凝固在众多领域都有广泛应用，包括航天、工业制造、能源等。这些应用为我们提供了 更高效、更可靠的传热技术。
结论和实践意义
深入理解液态金属的传热与凝固方式对于优化传热性能、改进工艺以及实现创新应用具有重要意义。这 将不仅推动液态金属传热技术的发展，也助力相关领域的进步与创新。
液态金属凝固中的传热、传质及液体流动
t R2 K2
K为凝固系数。
在实际的生产中，通常不需计算出铸件的凝固时间， 只需通过比较它们的相对厚度或模数就可制定生产工艺。
铸件温度场及凝固时间的精确计算——计算机数值模拟
4、焊接温度场
准稳定温度场的概念
图4－4 “厚板”表面运动点热源的温度场
图4－5 薄板焊接时的温度场分布
(图b是否有误？）
3．数值计算法 数值计算法是把所研究的物体从时间和位置上分割成许多小
单元，对于这些小单元用差分方程式近似地代替微分方程式， 给出初始条件和边界条件，逐个计算各单元温度的一种方法。 即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦杂而已，在原则 上都是可以计算的。
数值计算法比其它近似计算法准确性高，当单元选得足够小
无限长圆棒试样 测温及结果处理
2.铸件的两种凝固方式
图4－3 合金成分和温度梯度对凝固方式的影响 a)、b)为层状凝固，c)、d)为体积凝固 影响因素:(1）化学成分（液－固相线距离）
（2）温度梯度
层状凝固过程 层状凝固缩孔特点
体积凝固过程 体积凝固方式的缩松
3、铸件凝固时间计算
——与铸件厚度及温度场（凝固速度）相关
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，铸件是的温度梯度就越大。 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。如金属型、涂料等的影 响。
2）铸型的预热温度的影响 铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也 就越小。 3．浇注条件的影响 过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于铸型预热温度越高。铸件 内的温度场越平坦。 4．铸件结构的影响 1）铸件的壁厚 厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层向中心推 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，散出的热量为较大何种的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸 件内凹的表面，则相反。
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
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
• 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
35/33
• （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
液态金属凝固过程中的传热与传质
液态金属凝固过程中的传热与传质摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。
本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。
传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。
我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。
会形成一个间隙（也称气隙），因此这里的传热不知是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
“三传”即金属的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。
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。
一个从宏观上看是一维传热的单向凝固的金属，由于凝固过程中的界面现象使传热过程在微观变得非常复杂。
当固/液界面是凹凸不平或生长为枝晶状时，在这个凝固前沿上，热总是垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相，因而发生微观的三维传热现象。
在金属和铸型界面上的传热也不只是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
图1 纯金属在铸型中凝固时的传热模型K-导热，C-对流，R-辐射，N-牛顿界面换热1.2金属凝固过程中的传质金属液凝固时出现的固相成分常与液相成分不同，引起固相、液相内成分分布的不均匀，于是在金属凝固时固相层增厚的同时出现了组分的迁移过程，即传质。
凝固过程的溶质传输决定着凝固组织中的成分分布，并影响到凝固组织结构。
金属的凝固过程，其传质问题直接和金属的凝固方式相关联，主要研究几种基本传质问题：①金属凝固过程中整个凝固体系内溶质的变化；②金属以平界面方式凝固时凝固过程的溶质变化；③金属以枝晶方式凝固时凝固过程的溶质变化。
平界面凝固过程中的传质与溶质再分配是最基本的传质问题，对许多复杂传质问题的研究是在此基础上进行的。
主要包括：（1）平衡凝固条件下的溶质再分配；（2）固相无扩散而液相均匀混合的溶质再分配；（3）固相无扩散，液相中有扩散而无对流的溶质再分配；（4）液相中部分混合（对流）的溶质再分配。
第4章 液态金属凝固过程中的传热与传质
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一、铸件凝固温度场
• 1、铸件凝固过程中热作用的特点 • （1）金属的流动特点影响热交换。充型时——紊流— —温度均匀。 • （2）随温度下降——开始凝固——凝固壳从冷却表面 产生、长大。 • （3）热量从最热的中心流经凝固层，传给铸型。 • （4）凝固过程温度分布：铸件中心温度最高，远离铸 件/铸型界面的铸型温度最低。
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• 3、“折算厚度”法则
R t 2 K
为铸件折算厚度或铸件模数。 由于考虑了铸件的形状因素，更接近实际，是对平 方根定律的修正和发展。
R V1 A1
2
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第二节 凝固过程中的传质
14/33
一、平衡凝固溶质再分配
• • • • • 1、假设条件： （1）长度为L的一维体自左至右定向单相凝固； （2）冷速缓慢； （3）溶质在固相和液相中充分均匀扩散； （4）液相温度梯度保持固液界面为平面生长。
6/33
2）体积凝固方式
合金结晶温度 范围大或铸件断面 温度梯度小，铸件 凝固范围很大。
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3）中间凝固方式
• 铸件凝固范围介于逐层凝固方式和体积 凝固方式之间。
8/33
凝固方式对铸件质量的影响
• 1）逐层凝固方式：易补缩；组织致密；性能好。 • 2）体积凝固方式：不易补缩；易产生缩松、夹 杂、开裂；件性能差。
3/33
2、铸件的凝固方式及影响因素
逐层凝固
中间凝固
糊状凝固
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凝固时各区域组成：（1）固相区：全部固体 （2）凝固区：液体+固体 （3）液相区：全部液体
金属或合金凝固分区示意图
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1）逐层凝固方式
纯金属、共晶合 金或结晶温度范围很 小的合金，铸件断面 温度梯度很大，导致 铸件凝固区很小或没 有。
第章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动摘要
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8
3、影响铸件温度场的因素 （1）金属性质的影响 1）金属的导热系数
铸件凝固时表面的温度比中心要低。金属的导热系数大， 铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度就小，即断 面上的温度分布较平坦。
2）结晶潜热
金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间长，铸型内表面被 加热的温度也越高，因此铸件断面上的温度梯度较小，铸 件冷却速度下降，温度场分布较平坦。
2）铸型的预热温度
铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小， 铸件断面上的温度梯度也就越小。
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（3）浇注条件的影响 过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于
铸型预热温度越高。铸件内的温度场越平坦。
（4）铸件结构的影响 1）铸件的壁厚 厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层
S
TL
T
TS
S S+L S
逐层凝固
糊状凝固
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中间凝固
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凝固时各区域组成：（1）固相区：全部固体 （2）凝固区：液体+固体 （3）液相区：全部液体
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金属或合金凝固分区示意图
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1）逐层凝固方式
纯金属、共晶合 金或结晶温度范围很 小的合金，铸件断面 温度梯度很大，导致 铸件凝固区很小或没 有。这种凝固方式叫 逐层凝固方式。
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2）体积凝固方式
合金结晶温度 范围大或铸件断面 温度梯度小，铸件 凝固范围很大。这 种凝固方式叫体积 凝固方式。
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3）中间凝固方式
铸件凝固范围介于逐层凝固方式和体积 凝固方式之间。这种凝固方式叫中间凝 固方式。
《材料科学基础》科目考试大纲
《材料科学基础》科目考试大纲考试科目代码：801适用招生专业：材料物理与化学，材料学，材料加工工程，冶金物理化学，有色金属冶金考试主要内容： 1．原子键合 ①原子结构；②离子键；③共价键；④金属键；⑤分子键；⑥高分子链。
2．固体结构 ①晶体学基础；②金属的晶体结构；③合金相结构；④离子晶体结构；⑤共价晶体结构；⑥聚合物晶体结构。
3．晶体缺陷 ①点缺陷；②线缺陷；③表面及界面。
4．扩散迁移 ①扩散定律；②扩散机制；③影响扩散的因素。
5．变形与再结晶 ①弹性与塑性变形；②单晶体的塑性变形；③多晶体的塑性变形；④变形后的组织与性能；⑤合金的塑性变形；⑥回复和再结晶；⑦动态回复，动态再结晶和金属的热加工；⑧高聚物的塑性变形。
6．相与相平衡 ①相、组元，系统；②自由度，相律；③相图及其表示和测定方法；④材料中的基本相及其特征；⑤相图热力学基础。
7．单元相图及纯组元的凝固与结晶 ①单元系相图与相平衡；②纯金属的凝固与结晶；③铸锭结构及其影响因素；④高分子的结晶。
8．二元相图及合金的凝固与结晶 ①合金相结构、合金的结晶过程（包括平衡结晶与不平衡结晶）及合金相图的建立；②二元合金相图的基本类型及相图分析；③合金性能与相图的关系；④二元合金的凝固理论；⑤纯铁的同素异构转变与铁碳相图；⑥高分子合金的凝固与结晶。
9．三元相图 ①三元相图基础；②固态下不溶解的三元共晶相图。
③固态互不溶解三元共晶相图的投影图、结晶过程、等温截面、变温截面。
④三元相图分析、等温截面、变温截面。
10．亚稳相与非平衡相变 ①纳米晶；②非晶；③固态相变形成的亚稳相；④脱溶转变、马氏体转变和贝氏体转变。
建议参考书目： [1]《材料科学基础》，胡赓祥、蔡珣主编，上海：上海交通大学出版社，2000年版。
[2]《材料科学基础》，石德珂主编，西安：西安交通大学出版社，2006年（第2版）。
《金属学与热处理》科目考试大纲考试科目代码：821适用招生专业：材料物理与化学(080501)，材料学(080502)，材料加工工程(080503)冶金物理化学（080601），有色金属冶金（080603）考试主要内容： 1．金属的结构与结晶 ①. 晶胞、晶系、晶面指数与晶向指数； ②. 三种典型金属晶体的原子排列方式、晶胞原子数、配位数、致密度、密排晶向与密排晶面； ③. 点缺陷、位错、界面的基本概念； ④. 纯金属结晶规律、结晶条件、结晶过程中的形核、长大过程与晶粒尺寸控制、金属铸锭的组织与缺陷。
液体金属处理中的传热传质研究
液体金属处理中的传热传质研究摘要液体金属处理是金属材料加工和制造的重要工艺之一，其熔融状态下的物理和化学性质具有独特性，但其特殊的性质也带来了复杂的传热和传质过程。
本文对液体金属处理过程中的传热传质研究进行了综述，包括自然对流、强迫对流、辐射传热、多相传热、相变传热以及传质过程等方面，阐述了各种传热传质模型和相应的研究方法，为液体金属处理过程的优化提供了理论依据。
关键词：液体金属处理、传热传质、传热模型、传质模型、优化第一章绪论液体金属处理是指把金属在高温下熔融，进行浇注、铸造、锻造、轧制、挤压、拉伸等多种加工方法的工艺。
在液体金属处理过程中，热量的传递和物质的传输是必不可少的环节，因此传热传质研究是液体金属处理技术的基础之一。
传热传质研究不仅能够改善液体金属处理的工艺技术，还有助于提高加工工件的质量和生产效率。
第二章传热传质模型传热传质模型是对液体金属处理过程中热量和物质传递现象的描述和分析。
液体金属的传热传质过程复杂多样，存在自然对流、强迫对流、辐射传热、多相传热、相变传热等多种传热传质方式。
2.1 自然对流传热模型自然对流是指在温度差的作用下，由于热量的不均匀分布而形成的一种流动状态。
液体金属处理中的自然对流，通常伴随着温度场的非线性变化和较强的非线性耦合。
自然对流传热模型建立的核心是流体运动的动量传递方程和热传递方程。
2.2 强迫对流传热模型强迫对流是指机械或热力学作用下引起的流体运动。
液体金属处理中的强迫对流主要有气流或液流对液体金属表面的冷却、加热和搅拌等作用。
强迫对流传热模型建立的核心是Navier-Stokes方程和能量方程。
2.3 辐射传热模型辐射传热是指热量通过辐射作用而传递的物理过程。
液体金属处理过程中的辐射传热，实际上是由液体金属产生的热量向周围空气和固体传递的过程。
辐射传热模型的建立需要涉及真实物理场的射线互相作用方程和辐射传热方程。
2.4 多相传热模型多相传热是指液体金属处理过程中含有两种或两种以上的相的传热现象。
4 凝固过程的液体金属流动和传热.ppt
本章要点:主要讨论凝固过程的液体金属流动和金属的凝固传热特点固传热特点，，包括包括：：4 凝固过程的液体金属流动和传热1(1) 枝晶间金属流动的速度方程枝晶间金属流动的速度方程；；(2) 铸锭凝固传热的微分方程及由此确定影响传热的主要因素传热的主要因素。
(3) 三种凝固方式(顺序凝固顺序凝固、、同时凝固同时凝固、、中间凝固)的区别及对应的控制方法在浇筑和凝固过程中在浇筑和凝固过程中，，液体金属时刻在流动 包括对流和枝晶间的黏性流动液体金属流动是一种动量传输过程液体金属流动是一种动量传输过程，，是铸锭成型是铸锭成型、、传热传热、、传质的必要条件浇筑和凝固过程中的特性1 凝固过程液体金属的流动是一种动量传输过程是一种动量传输过程。
浇注时流柱冲击引起的动量对流动量对流。
金属液内温度和浓度不均引起的1.1 液体金属的对流对流成因：3自然对流自然对流。
电磁场或机械搅拌及振动引起的强制对流。
对于连续铸锭对于连续铸锭，，由于浇注和凝固同时进行由于浇注和凝固同时进行，，动量对流会连续不断地影响金属液的凝固过程属液的凝固过程，，如不采取适当措施均布液流不采取适当措施均布液流，，过热金属液就会冲入液穴的下部。
动量对流强烈时动量对流强烈时，，易卷入大量气体易卷入大量气体，，增加金属的二次氧化增加金属的二次氧化，，不利于夹渣的上浮，应尽量避免应尽量避免。
立式半连续铸锭过程中立式半连续铸锭过程中，，在金属液面下垂直导入液流时在金属液面下垂直导入液流时，，其落点周围会形成一个循环流动的区域成一个循环流动的区域，，称为涡流区。
特征是在落点中心产生向下的流股的流股，，在落点周围则引起一向上的流股的流股，，从而造成上下循环的轴向循环对流。
流注冲击引起的对流4影响流注穿透深度因素影响流注穿透深度因素：： 浇筑速度 浇筑温度流注在液穴中的穿透深度：沿液穴轴向对流往下延伸的距离 流注落下高度 结晶器尺寸注管直径流注穿透深度随其下落高度的增加而减小流注下落高度增加，其散乱程度增大，卷入的气体多，气泡浮力对流注的阻碍作用增强浇筑速度增大浇筑速度增大，，流注穿透深度增加结晶器断面尺寸减小结晶器断面尺寸减小，，气泡上浮区域减小气泡上浮区域减小，，存留在流注点下方气泡数量相应增加量相应增加，，对流注阻碍作用增强对流注阻碍作用增强，，流注穿透深度减小结晶器断面尺寸减小结晶器断面尺寸减小，，流注落点周围的涡流增强流注落点周围的涡流增强，，流注轴向速度降低流注轴向速度降低，，穿透深度减小6轴向循环对流轴向循环对流，，还会引起结晶器内金属液面产生水平对流，其方向决定着夹渣的聚集地点其方向决定着夹渣的聚集地点。
纯金属凝固知识点总结
纯金属凝固知识点总结1. 凝固的基本原理在纯金属凝固的过程中，金属离子从液态状态转变为晶态状态，这一过程主要包括两个方面的变化：(1) 原子排列的变化。
在液态金属中，金属原子是无序排列的，而在凝固过程中，金属原子开始有序排列，形成不同的晶体结构。
(2) 基本结构的变化。
不同的金属具有不同的晶体结构，如立方晶体、六方晶体等，这种基本结构的变化是凝固过程中的重要特征。
在金属凝固的过程中，除了原子排列的变化和基本结构的变化外，还会同时涉及到晶体的生长、演变和凝固温度等因素的影响。
因此，要深入了解纯金属凝固的过程，需要综合考虑上述多个因素的作用。
2. 凝固过程中的晶体生长晶体生长是在凝固过程中最基本的现象之一。
在金属凝固的过程中，晶体生长是从液态金属中形成晶体的过程，其过程主要包括以下几个方面：(1) 传质与传热。
在晶体生长的过程中，溶质从液相向固相迁移，而热量也是从熔体向冷凝物质迁移的过程。
这种传质与传热是晶体生长的基础。
(2) 晶体核的形成。
在凝固过程中，晶体核的形成是晶体生长的关键。
晶体核的形成是通过原子或离子以一定的方式排列而形成的，这是晶体生长过程中的起始点。
(3) 晶体生长的机制。
晶体的生长可以通过表面扩散、体积扩散、界面扩散等不同方式进行。
这种不同的生长机制将直接影响晶体的形态和晶体结构。
(4) 晶体生长速率的控制因素。
晶体生长速率受到诸多因素的影响，如温度、凝固速率、溶质浓度等因素都将对晶体生长速率产生显著的影响。
综上所述，要理解纯金属凝固过程中的晶体生长过程，首先需要了解晶体核的形成、晶体生长的机制以及晶体生长速率的控制因素。
这将有助于深入理解凝固过程中的晶体生长现象。
3. 影响凝固过程的因素在金属凝固的过程中，有多种因素会对凝固过程产生影响。
主要包括以下几个方面：(1) 温度。
温度是影响金属凝固的最主要因素之一。
凝固温度的高低不仅会直接影响凝固过程的速率，也会对晶体结构的形成产生重要影响。
金属材料液态成型原理(2-液态金属的流动与传热)
它可直接从已有的导热方程及其边界条件来得到差分方程；
也可以在物体内部任取一单元，通过建立该单元的能量平衡 来得到差分方程。
基本思想
求解物体内温度随空间、时间连续分布的问题，转化为空间 领域与时间领域的有限个离散点上求温度值的问题，并进而 用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布
较薄的铸件在工作表面涂有 涂料的金属型中铸造;
传热过程取决于涂料层的热 物理性质
2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点
厚壁金属型中的凝固
较薄的铸件在工作表面涂有 涂料的金属型中铸造时;
金属-铸型界面的热阻相对很 小，可忽略不计;
可以认为，厚壁金属型中的 凝固传热为两个相连接的半 无限大物体的传热，整个系 统的传热过程取决于铸件和 铸型的热物理性质
2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点
水冷金属型中的凝固
凝固传热的主要热阻是凝 固金属的热阻，铸件中有 较大的温度梯度
2.1.4 动态凝固曲线
温度场测定
2.1.4 动态凝固曲线
温度场曲线绘制
2.1.4 动态凝固曲线
动态凝固曲线绘制
液相边界 固相边界
2.1.5 金属的凝固特性
2.1.1 导热的基本方程及求解
2.1.1 导热的基本方程及求解
即得一维半无限大条件下铸型和铸件的温度场的数 学解析解
2.1.1 导热的基本方程及求解
2.1.1 导热的基本方程及求解
凝固潜热的处理
2.1.1 导热的基本方程及求解
2.1.2 温度场的数值计算
有限差分法（Finite Difference Method，简称FDM）
2.1.1 导热的基本方程及求解
液态金属的传热与凝固方式
第五章 液态金属的传热与凝固方式1. 试分析铸件在金属型，砂型，保温型中凝固时的传热过程，并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。
答： （1）砂型：2λ 远小于1λ ，铸件冷却缓慢断面上的温差很小，而铸型内表面被铸件加热到很高的温度，而外表面仍处于较低的温度。
砂型本身的热物理性质是主要因素（限制环节）。
（2）金属型：a.铸件较厚，涂料较厚。
铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层，而铸型和铸件上温度分布均匀。
传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。
b.当涂料层很厚时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，有明显的温度梯度界面热量很小，可忽略。
传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。
（3）保温型：与砂型情况类似，只是铸型比铸件的冷却更缓慢，铸型界面处温度梯度较大，而外部温度低（接近金属型后涂料）。
2.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征，根据铸件的动态凝固曲线能否判断其停止流动的过程。
答：①某一时刻的各区宽度，L 、L+S 、S 、L+S 宽度分别为，逐层、体积、中间凝固方式。
②结壳早晚：停止流动的过程：两线重合或垂直距离小，流动管道中晶体长大阻塞而停止流动。
两线垂直距离大，液体中析出晶体较多，连成网络而阻塞。
两线垂直中等，管道壁有一部分柱状晶，中心有等轴晶，使剩余的液体停止流动。
3. 试证明铁在熔点浇入铝制容器中，铝型内表明不会熔化。
已知：铁液熔点t 10=1539℃ λ1=23.26()k m w ⋅，k kg J C ⋅=9211，31kg 6900m =ρ铝液熔点660℃，λ2=23.26()k m w ⋅，k kg J C ⋅=9212，3kg6900m =ρ，t 20=20℃。
解：起始边界温度t F21202101b b t b t b t F ++=()()cc t p c b p c b 00F 2222111166064.642k 64.9152.174549.121572092732.1745427315399.121572.17459.12157<==+⨯++⨯=====λλ不会熔化。
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液态金属凝固过程中的传热与传质摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。
本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。
传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。
我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。
关键词：金属凝固；传热和传质；界面；溶质再分配在金属的热态成形过程中，常常伴随着金属液的流动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转移现象，即动量传输、热量传输和质量传输现象。
液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织[1-2]。
因此，只有正确和深入研究金属凝固过程中的传输现象，才能有助于建立正确的凝固过程理论模型。
1 金属凝固过程的传热与传质1.1 金属凝固过程中的传热在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导出，凝固才能维持。
宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。
金属凝固过程的传热特点可以简明的归结为“一热、二迁、三传”[3-5]。
“一热”即在凝固过程中热量的传输是第一重要的，它是金属凝固过程能否进行的驱动力。
凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。
高温的液体金属浇入温度较低的铸型时，金属所含的热量通过液体金属、已凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出。
凝固是一个有热源非稳态传热过程。
“二迁”指在金属凝固时存在着两个界面，即固相-液相间界面和金属-铸型间界面，这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使得界面上的传热现象变得极为复杂。
图1为纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意，由图可见在凝固过程中随着固相-液相间界面向液相区域迁移，液态金属逐步变为固态，并在凝固前沿释放出凝固潜热，并随着凝固进程而非线性地变化。
在金属凝固过程中，由于金属的凝固收缩和铸型的膨胀，在金属和铸型间形成金属和铸型间的界面，由于接触不完全，它们之间存在着界面热阻。
接触情况不断地变化，在一定条件下，会形成一个间隙（也称气隙），因此这里的传热不知是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
“三传”即金属的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。
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。
一个从宏观上看是一维传热的单向凝固的金属，由于凝固过程中的界面现象使传热过程在微观变得非常复杂。
当固/液界面是凹凸不平或生长为枝晶状时，在这个凝固前沿上，热总是垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相，因而发生微观的三维传热现象。
在金属和铸型界面上的传热也不只是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
图1 纯金属在铸型中凝固时的传热模型K-导热，C-对流，R-辐射，N-牛顿界面换热1.2金属凝固过程中的传质金属液凝固时出现的固相成分常与液相成分不同，引起固相、液相内成分分布的不均匀，于是在金属凝固时固相层增厚的同时出现了组分的迁移过程，即传质。
凝固过程的溶质传输决定着凝固组织中的成分分布，并影响到凝固组织结构。
金属的凝固过程，其传质问题直接和金属的凝固方式相关联，主要研究几种基本传质问题：①金属凝固过程中整个凝固体系内溶质的变化；②金属以平界面方式凝固时凝固过程的溶质变化；③金属以枝晶方式凝固时凝固过程的溶质变化。
平界面凝固过程中的传质与溶质再分配是最基本的传质问题，对许多复杂传质问题的研究是在此基础上进行的。
主要包括：（1）平衡凝固条件下的溶质再分配；（2）固相无扩散而液相均匀混合的溶质再分配；（3）固相无扩散，液相中有扩散而无对流的溶质再分配；（4）液相中部分混合（对流）的溶质再分配。
对于枝晶凝固过程中的溶质传输，除液相流动引起长程溶质再分配外，溶质的传输主要是在枝晶本身和枝晶间的液相内进行的[4,6]。
枝晶凝固过程传质研究的主要目标是确定凝固过程的不同时刻析出固相的溶质质量分数及最终凝固组织中微观偏析。
常见的凝固并不是按平面界面进行的，而存在一个凝固区，即糊状区，在该区存在着传热与传质的偶合问题，需同时考虑传热和传质。
2 凝固过程中传热与传质的研究方法与现状液态金属凝固过程中传热与传质的研究方法有解析法、实验法和数值模拟法等。
解析法是直接从传热的基本方程出发，在给定的定解条件下，进行凝固过程温度场及其演变过的计算，求出温度场的解析解。
这些定解条件包括物理条件、几何条件、时间条件和空间条件。
解析解显然是比较理想的解，然而对于实际凝固过程，能获得解析解的情况非常少见，即使在最简单的条件下也需要引入许多假设。
实验法如测温法，是一种最通用的方法，通过向铸型中安放热电偶直接测出合金凝固过程中的温度变化情况。
测温法的主要技术包括热电偶布放位置选择及测温结果的处理。
其目标是用尽可能少的热电偶获得尽可能多的信息。
但对于尺寸太大或者尺寸过小的铸件凝固过程，采用测温放难度较大。
数值模拟法以传热基本方程和边界条件为基础，采用差分法或有限元法进行温度场的数值计算。
该方法基本原理简单，但运算技巧方面的问题较多。
对凝固过程需要考虑边界条件的处理和结晶潜热的处理。
武汉理工大学李明明[7]在深入研究金属凝固传热学的基础上，建立了凝固过程传热微分方程数学模型，总结求解微分方程的各种数值算法，并分析影响凝固传热的各边界条件，采用有限差分法对数学模型在时间及空间上进行离散化，建立了具有定解条件的差分方程。
针对不同材料传热特性不同的问题，建立对应铸件—铸型边界模型，并采用一个综合传热系数来表达边界处的传热特点。
采用温度回复法解决小结晶区间合金的潜热释放问题，对于具有一定结晶区间的合金则采用等价比热法进行处理，充分发挥两种方法的优点，提高计算的准确度。
对凝固潜热的释放模式进行研究，确定采用潜热释放与温度变化呈线性关系的模式进行近似计算。
同时，在用等价比热法处理潜热问题时，分六种情况对可能的计算结果进行讨论，并根据能量平衡原理，对计算结果进行修正，提高了处于凝固区间网格传热计算的精度。
北京科技大学聂红[8]等人建立了描述二元合金凝固的平面枝晶一维微观偏析数学模型，考虑溶质在固相中有限扩散，在液相中完全扩散。
通过数值模拟，分析比较了Al-Cu和Fe-C合金的微观偏析特性，将微观数值模型与宏观凝固实验的传热传质数学模型相耦合，实现了凝固宏微观复合尺度的全数值模拟。
研究表明,数值计算结果与实验数据吻合良好，证明微观模型能较准确地反映微观质量传输并能可靠地与宏观相变传热传质模型相耦合。
液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。
许多研究者采用材料制备新技术，来改变液态金属熔体的传热和传质过程，以实现形状控制、温度控制和凝固组织控制等作用。
在常规铸造凝固过程中，熔体通过铸型单向散热。
太原理工大学韩富银[9]等人采用电磁搅拌技术来改变镁合金熔体的传热与传质过程，促进柱状晶向等轴晶转变，细化宏观组织。
电磁搅拌强迫对流促进了过热熔体的热量耗散，凝固前沿熔体过冷度的提高有利于等轴晶核的形成。
在剧烈的搅拌作用下熔体各处温度及溶质分布基本上是均匀的，使初生相可在整个熔体内同时形核，形核后受到熔体流动的强烈影响，晶核在各个方向温度趋于均匀古冶界面的溶质浓度梯度减小，降低了成分过冷，因此将有利于形成等轴晶。
杨院生[10]等人运用非Fourier传热理论建立了金属快速凝固过程中的非平衡传热理论模型，包括非Fourier方程的建立、传热与相变模拟.模拟计算表明：①在溅射激冷条件下,界面换热系数越大，界面冷却速度和移动速度也越高，界面换热系数相同时，计算得到的界面冷却速度随着固-液界面高度的提高呈现先上升而后下降的变化趋势，计算得到的冷却速度值明显小于Fourier 定律的计算值；②在激光加热条件下，计算的界面移动速度在凝固开始时先急剧增加，然后渐趋平稳。
还表明，金属的过热度及过冷度与其热物性相关。
3 展望非平衡凝固如快速凝固、激光重熔及合金雾化冷却凝固等近代先进的材料成形技术中液态合金的凝固已不遵循热力学规律，对其传热和传质过程的研究是今后重点发展的研究领域，应着重于针对具体研究对象构建理论模型，探索更有效、更精确的实验方法和技术。
一些发达国家如美国，由于其高新技术发展快，水平高，在传热测试方法和手段、传热传质学研究和高新技术领域密切联系等方面均有着明显优势，因此在高新技术领域热质传递现象的机理和特有规律这方面，我们仍需继续努力。
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