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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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。
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凝固方式对铸件质量的影响
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体积凝固方式的缩松
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影响凝固方式的因素
1）合金的化学成分 纯金属和共晶合金，凝固温度区间（液相线和固相线
温度差）为零，为逐层凝固方式。 当合金凝固温度区间很大时，凝固范围宽，为体积凝
固方式。
2）铸件断面温度梯度 温度梯度小，易产生
体积凝固方式。
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三、铸件凝固时间计算
随空间和时间的变化。
T = f（x，y，z，t） Fourier热传导方程：
Tt c(x2T2 y2T2 2 zT2)
a c
α为导热系数，λ为热导率，c为比热容，ρ为密度。
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凝固导热属非稳态导热；
导热微分方程的解较复杂；
形状简单的物体：大平板、长圆柱、球 体——可得解析解；
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
T S+L
1）逐层凝固方式： ① 易补缩，不易产生缩松，组织致密，性能好。 ② 能在最后凝固部位形成集中缩孔。 ③ 裂纹能愈合，热裂倾向小。 ④ 充型能力好。 2）体积凝固方式： ① 不易补缩，易产生缩松。件性能差。 ② 热裂倾向大。 ③ 充型能力差。
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逐层凝固过程
体积凝固过程
逐层凝固缩孔特点
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。
第四章 液态金属凝固过程 中的传热、传质及液体流动
材料成型与控制专业
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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
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
复杂件的凝固问题：采用计算机数值模拟。
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二、铸件凝固温度场
1、铸件凝固过程中热作用的特点
பைடு நூலகம்
（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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铸型吸收的热量＝铸件放出的热量
铸型吸收的热量的求法：
qt22(T i 2 T t20 )b2(TitT20 )
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◎实测法 a.温度场测量 b.凝固动态曲线
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◎ 数值模拟法 数值模拟法：把所研究的物体从时间和位置上分割成许多
小单元，对这些小单元用差分方程式近似代替微分方程式， 给出初始条件和边界条件，然后逐个计算各单元温度。 即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦杂而已，原 则上都是可以计算的。 实测法直观、可靠性好，但不方便；解析法适宜简单件， 有许多假设，误差大。 数值模拟法比其它方法准确性高，当单元选得足够小时， 差分方程的离散误差趋于零。 数值模拟法有多种方法，有限差分法应用较多。
凝固过程中铸件与铸型 的温度分布
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2、铸件凝固温度场
2、凝固传热研究方法
◎解析法：假设一维导热
T 2T
t x2
通解 TcDer(f x ) 2 t
对铸件：边界条件
初始条件
对铸型：边界条件
初始条件
T1Ti (Ti T10)er(f2x1t) T2Ti (T20Ti)er(f2x2t)
铸件凝固时间：液态金属充满铸型的时刻到凝固完毕所 需要的时间。
凝固速度：单位时间凝固层增长的厚度。 铸件凝固时间的确定方法：试验法、数值模拟法、计算
法。 1、理论计算法
t2 b2 A 1V 11LC Ti1 TT 浇 2 0TS
计算温度场有些假设，算出的凝固时间是近似的。 应用较少。
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