第章液態(tài)金屬凝固過程中的傳熱與傳質(zhì)摘要

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1、1/33材料成形原理材料成型與控制專業(yè)第四章液態(tài)金屬凝固過程中的傳熱與傳質(zhì)2/33第一節(jié)凝固過程中的傳熱在材料成形過程中，液態(tài)金屬的過熱熱量和凝固潛熱主要是通過傳導(dǎo)而釋放的。3/33一、鑄件凝固溫度場(chǎng)1、鑄件凝固過程中熱作用的特點(diǎn)（1）金屬的流動(dòng)特點(diǎn)影響熱交換。充型時(shí)——紊流——溫度均勻。（2）隨溫度下降——開始凝固——凝固殼從冷卻表面產(chǎn)生、長(zhǎng)大。（3）熱量從最熱的中心流經(jīng)凝固層，傳給鑄型。（4）凝固過程溫度分布：鑄件中心溫度最高，遠(yuǎn)離鑄件/鑄型界面的鑄型溫度最低。4/33逐層凝固糊狀凝固2、鑄件的凝固方式及影響因素中間凝固5/33金屬或合金凝固分區(qū)示

2、意圖凝固時(shí)各區(qū)域組成：（1）固相區(qū)：全部固體（2）凝固區(qū)：液體+固體（3）液相區(qū)：全部液體6/331）逐層凝固方式純金屬、共晶合金或結(jié)晶溫度范圍很小的合金，鑄件斷面溫度梯度很大，導(dǎo)致鑄件凝固區(qū)很小或沒有。7/332）體積凝固方式合金結(jié)晶溫度范圍大或鑄件斷面溫度梯度小，鑄件凝固范圍很大。8/333）中間凝固方式鑄件凝固范圍介于逐層凝固方式和體積凝固方式之間。9/33凝固方式對(duì)鑄件質(zhì)量的影響1）逐層凝固方式：易補(bǔ)縮；組織致密；性能好。2）體積凝固方式：不易補(bǔ)縮；易產(chǎn)生縮松、夾雜、開裂；件性能差。10/33影響凝固方式的因素1）合金的化學(xué)成分純金屬和共晶合金，

3、凝固溫度區(qū)間（液相線和固相線溫度差）為零，為逐層凝固方式。當(dāng)合金凝固溫度區(qū)間很大時(shí)，凝固范圍寬，為體積凝固方式。2）鑄件斷面溫度梯度溫度梯度小，易產(chǎn)生體積凝固方式。11/33二、鑄件凝固時(shí)間計(jì)算鑄件凝固時(shí)間：液態(tài)金屬充滿鑄型的時(shí)刻到凝固完畢所需要的時(shí)間。凝固速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間凝固層增長(zhǎng)的厚度。鑄件凝固時(shí)間的確定方法：試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法、計(jì)算法。1、理論計(jì)算法計(jì)算溫度場(chǎng)有些假設(shè)，算出的凝固時(shí)間是近似的。應(yīng)用較少。12/332、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法——平方根定律K為凝固系數(shù)，ξ為凝固層厚度。凝固時(shí)間與凝固層厚度的平方成正比。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際接近。適合大平板和結(jié)晶間隔小的鑄件

4、。13/333、“折算厚度”法則為鑄件折算厚度或鑄件模數(shù)。由于考慮了鑄件的形狀因素，更接近實(shí)際，是對(duì)平方根定律的修正和發(fā)展。14/33第二節(jié)凝固過程中的傳質(zhì)15/33一、平衡凝固溶質(zhì)再分配1、假設(shè)條件：（1）長(zhǎng)度為L(zhǎng)的一維體自左至右定向單相凝固；（2）冷速緩慢；（3）溶質(zhì)在固相和液相中充分均勻擴(kuò)散；（4）液相溫度梯度保持固液界面為平面生長(zhǎng)。16/332、模型建立溫度TL時(shí)，開始凝固：固相：百分?jǐn)?shù)dfS；溶質(zhì)含量k0C0。液相：溶質(zhì)含量幾乎不變，為C0。溫度降到T*時(shí)，固相：溶質(zhì)濃度C*S；百分?jǐn)?shù)fS；液相：溶質(zhì)濃度C*L；百分?jǐn)?shù)fL。根據(jù)KO=CS/CL

5、CL=Co17/33由杠桿定律：CSfS+CLfL=C0將，fL=1-fS代入得：同理該兩式為平衡凝固時(shí)溶質(zhì)再分配的數(shù)學(xué)模型。18/333、驗(yàn)證（1）開始凝固時(shí)初始條件：fS?0，fL?1則：CS=k0C0；CL=C0（2）凝固結(jié)束時(shí)初始條件：fS?1，fL?0則：CS=C0；CL=C0/k019/334、總結(jié)（1）平衡凝固時(shí)溶質(zhì)再分配僅取決于熱力學(xué)參數(shù)k0，與動(dòng)力學(xué)無關(guān)；（2）凝固時(shí)，雖然存在溶質(zhì)再分配，但凝固結(jié)束后，固相成分為液態(tài)合金原始成分C0。20/33二、近平衡凝固時(shí)的溶質(zhì)再分配（一）固相無擴(kuò)散，液相均勻混合的溶質(zhì)再分配假設(shè)：（1）合金單相凝固

6、；（2）界面前為正溫度梯度，平面生長(zhǎng)；（3）固相無擴(kuò)散（接近實(shí)際情況）；（4）液相均勻混合（擴(kuò)散、對(duì)流、強(qiáng)烈攪拌）。21/332、模型建立溫度TL時(shí)，開始凝固：固相：百分?jǐn)?shù)dfS；溶質(zhì)濃度k0C0。液相：溶質(zhì)濃度幾乎不變，為C0。溫度降到T*時(shí)，固相：溶質(zhì)濃度C*S；百分?jǐn)?shù)fS；液相：溶質(zhì)濃度C*L；百分?jǐn)?shù)fL。22/33當(dāng)界面處固相增加百分量為dfS時(shí)，排出溶質(zhì)量為（C*L-C*S）dfS，這些溶質(zhì)將均勻擴(kuò)散到整個(gè)液相中，使剩余液相（1-fS）溶質(zhì)濃度增加dC*L，則：（C*L-C*S）dfS=（1-fS）dC*L將代入并積分（邊界條件：fS=0，C*

7、S=k0C0）得：該兩式稱為Scheil公式，也稱近（非）平衡結(jié)晶杠桿定律。23/333、局限性（1）由于采用假設(shè)條件，表達(dá)式近似；（2）將近凝固結(jié)束時(shí)，該定律無效——共晶凝固。24/33（二）固相無擴(kuò)散，液相只有有限擴(kuò)散（無對(duì)流或攪拌）的溶質(zhì)再分配1、假設(shè)：（1）合金單相凝固；（2）固相無擴(kuò)散（接近實(shí)際情況）；（3）液相有限擴(kuò)散（無對(duì)流、攪拌）；（4）固液相線為直線，k0為常數(shù)；（5）試樣很長(zhǎng)，單向放熱，平面推進(jìn)。25/332、凝固過程分析整個(gè)凝固過程分三個(gè)階段。（1）起始階段溫度TL時(shí)，開始凝固。固相溶質(zhì)濃度k0C0；液相溶質(zhì)濃度幾乎不變，為C0。固

8、相成分：沿固相線變化；液相成分：沿液相線變化；固液界面處：兩相局部平衡；遠(yuǎn)離界面