会计学内容第一章液态金属凝固原理1.1金属凝固的温度场1.1金属凝固的温度场1.1金属凝固的温度场1.1金属凝固的温度场1.1金属凝固的温度场1.1金属凝固的温度场1.1金属凝固的温度场基本传热方式有三种：传导、对流和辐射。如图示出了典型金属凝固过程中的主要传热方式。铸件与铸型的传热主要是传导传热。传导传热：傅里叶定律（傅里叶导热方程式）：铸件与铸型的传热过程：铸件凝固期间与铸型的热交换，主要是将液态金属的显热（过热热量）和凝固潜热通过一系列热阻传给铸型和环境。热阻：热交换系统中某组元的厚度与该组元导热系数之比(D/λ)称为该组元的热阻。凝固过程的热阻主要包括：液态金属的热阻、已凝固金属的热阻、中间层的热阻、铸型的热阻等。各部分的热阻随铸造条件的不同而不同，因此，在铸件凝固过程中，对热交换起决定作用的热阻随铸造条件不同而改变，使得不同铸造条件下具有不同的热交换特点。液态金属浇入铸型后，铸件与铸型间的热交换主要有四种典型形式。1.铸型热阻D/λ起决定作用砂型铸造属于这种情况。由于金属铸件的导热系数远大于砂型的导热系数，铸件中的温差相对于铸型的温差可以忽略不计（图1.5）。热交换主要取决于砂型的导热。2．中间层热阻起决定作用铸件在型腔内表面涂有厚隔热涂料的金属型中凝固时属于这种情况。由于铸件和铸型的导热系数都大，而涂料层的导热系数小。其传热特点是，中间涂料层的温差很大，铸件和铸型中的温差很小，可忽略不计（图1.6）。热交换主要取决于中间涂料层的导热。3．金属凝固层热阻起决定作用铸件在水冷金属型中凝固时，金属型的冷却能力远大于金属凝固层的导热能力。当液态金属浇入型腔之后，金属的表面温度便由熔点突然降至很低的温度，造成铸件金属凝固层的温差很大，金属型的温差很小（如图1.7），可忽略不计。热交换主要取决于金属凝固层的导热。4．金属凝固层热阻和铸型热阻共同起决定作用在非水冷厚壁金属型铸造的情况下，铸型与铸件充分接触时，由于铸件金属凝固层、铸型、铸件-铸型界面的导热系数接近，铸件和铸型的温差都比较大（图1.8）。热交换由金属凝固层和铸型的热阻共同控制。结论：铸件－中间层－铸型系统中，热阻最大的组元是传热过程的决定性因素。通常利用该因素控制铸件的凝固过程。研究金属凝固温度场的意义（1）解析法：傅里叶导热微分方程（不稳定导热微分方程）:式中：α为导温系数，α=λ/cρ，单位为m2/s，表示物体使其内部各点的温度趋于一致的能力。其中，λ为导热系数（W/m•℃），表示物体的导热能力；c为比热容（J/kg•℃）；ρ为密度(kg/m3)。将温度的各个边界条件和初始条件代入求解，获得液相、固相及铸型中不同时刻温度场的解析表达式：（1）解析法：下面以一维半无限大铸件凝固为例进行说明，图1.9。边界条件：（1）铸型与铸件边界：ti；（2）凝固层与液相边界：tk。初始条件：（1）液态金属原始温度：tL0；（2）铸型原始温度：tM0。（1）解析法：通解（2）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，当单元选得足够小时，差分方程的离散误差趋于零。用差分法把定解问题转化为代数方程，就可由电子计算机计算。数值计算法有种种方法，目前，有限差分法应用较多。（3）测温法（3）测温法4影响金属凝固温度场的因素四个方面：1）凝固金属的性质；2）铸型的性质；3）浇注条件；4）铸件结构。1．金属性质的影响1）金属的导温系数金属的导温系数大，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。例如：铝的导温系数比铁碳合金高9-11倍，而高合金的导温系数只有碳钢的1/3左右。2）结晶潜热金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间则要长，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。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，铸型导热速度提高，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，凝固温度低，其温度场较平坦。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。不同铸型材料的导热能力（从大到小排列）：水冷金属型（尤其是紫铜）、铜