材料加工中的流动与传热 课件.pdf

第三章 材料加工中的流动与传热第三章 材料加工中的流动与传热3. 1 液态金属的流动性与充型能力液态金属的流动性与充型能力3. 2 液态金属凝固过程中的流动液态金属凝固过程中的流动3. 3 材料的流变行为材料的流变行为3. 4 材料加工中的热量传输材料加工中的热量传输金属液态成形的型腔与充型过程金属液态成形的型腔与充型过程3.1 液态金属的流动性与充型能力液态金属的流动性与充型能力1. 流动中被冷却，温度降低，粘度增大→流速和流动状态会变化、非稳定流动2. 短时间、短流道流动，多局部阻力→非 平稳流动、会卷入气体、夹渣等杂质3. 表面张力大，流动中还会结晶→会充填 不进，或提前停止流动而充填不满液态金属充型流动的特点：液态金属充型流动的特点：1.液态金属的流动性与充型能力的基本概念液态金属的流动性与充型能力的基本概念2.液态金属的充型能力的测定方法液态金属的充型能力的测定方法3.液态金属的停止流动机理液态金属的停止流动机理4.液态金属的充型能力计算液态金属的充型能力计算3.1 液态金属的流动性与充型能力液态金属的流动性与充型能力液态金属的流动性与充型能力的基本概念液态金属的流动性与充型能力的基本概念• 液态金属本身的流动能力称为流动性，它由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定，与外界条件无关。

液态金属本身的流动能力称为流动性，它由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定，与外界条件无关• 液态金属充满铸型型腔、获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫液态金属充填型腔的能力，简称充型能力液态金属充满铸型型腔、获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫液态金属充填型腔的能力，简称充型能力• 液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动性，同时受外界条件的影响，如铸型性质、浇注条件、铸型结构等液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动性，同时受外界条件的影响，如铸型性质、浇注条件、铸型结构等液态金属的充型能力的测定方法液态金属的充型能力的测定方法压铸材料流动性能实验纯金属（小两相区合金）的停止流动机理纯金属（小两相区合金）的停止流动机理宽结晶温度区合金的停止流动机理宽结晶温度区合金的停止流动机理充型过程的物理模型τυ⋅=lgH2μυ=充型能力计算211)(2ttttCkLPFgHlLkp −−+⋅⋅=⋅=αρμτυ影响因素：1.金属性质: 影响因素：1.金属性质: ρρ1 1C C1 1λλ1 1t tL Lt tK KL L2.铸型性质: 2.铸型性质: ρρ2 2C C2 2λλ2 2t t2 23.浇注条件: 浇铸温度3.浇注条件: 浇铸温度t tP P静压头静压头H H4.浇道结构: 断面积4.浇道结构: 断面积F F, 断面周长, 断面周长P P，阻力系数，阻力系数μμ5.换热系数:5.换热系数:αα—氧化、吸气、表面粗糙度、充满度—氧化、吸气、表面粗糙度、充满度3.2 液态金属凝固过程中的流动液态金属凝固过程中的流动)]()(1 [000CCTTCTL−−−−=ααρρ1、自然对流1、自然对流液态金属凝固过程中的流动液态金属凝固过程中的流动2、强迫对流（压力下流动）2、强迫对流（压力下流动）冲击力：F = 2ρg S H涡流：v · r = const凝固过程中液相区的液体流动凝固过程中液相区的液体流动22dyd dydxυητ=)(21 022lyTgdyd TxΔ=αρυη⎥⎦⎤ ⎢⎣⎡−Δ=)()(1232 0 ly lyTlgT xηαρυ无量纲化)(123 232 0ϕϕηαρφ−Δ=TlgT)(1213ϕϕφ−=TGηρυ νυφ0⋅⋅=⋅=xxllly/=ϕ对流强度的 Grashof Number232 0 ηαρTlgGT TΔ=232 0 ηαρClgGC CΔ=温度对流浓度对流31()()12TCGGφϕϕ=+−• 产生原因产生原因– 凝固收缩凝固收缩– 成分变化产生的密度差成分变化产生的密度差– 液相和固相冷却时各自产生的收缩力液相和固相冷却时各自产生的收缩力• 流动特点流动特点– 液体在多相介质中的流动液体在多相介质中的流动3. 液态金属在枝晶间的流动液态金属在枝晶间的流动金属凝固组织与雪花形态的比较金属凝固组织与雪花形态的比较A356铝合金铸态组织A356铝合金铸态组织Two Snow Dendrites液态金属在枝晶间的流动液态金属在枝晶间的流动)(gpfK L Lrrρηυ+∇−=2 1LfK⋅=λ6 2LfK⋅=λ当fL>0.245时当fL0微分方程的解为：γη+γ=τ&G])exp(1)][(exp[000dttGttGtt∫+−−=ητηγηγ麦克斯韦体（Maxwell body）结构公式： M = H-N 本构方程为： t>0微分方程的解为：ητ+τ=γG&&]dt) tGexp(G)][tt (Gexp[tt00 0∫ηγ+τ−η−=τ&施韦道夫体（Schwedoff body）结构公式： Sch=H -[（H - N）| S] =H- M| S本构方程为：微分方程的解为：⎪⎪ ⎩⎪⎪ ⎨⎧ητ−τ+τ−τ+ττ=γ)( G)( GGS2S11 &&&&SSτ>ττ≤τStt21212121 S0 210210dt])GG(tGGexp[)GG(GG)(])GG()tt (GGexp[τ+ ⎭⎬⎫⎩⎨⎧ η+γ++τ−τ⋅η+−−=τ∫&宾汉体（Bingham body）结构公式： B = H -（N|S）本构方程为：微分方程的解为：SttSdttGGttGτηγττητ+ ⎭⎬⎫⎩⎨⎧+−⋅−−=∫000]exp[)()](exp[&⎪⎪ ⎩⎪⎪ ⎨⎧−+=ηττττγ)(S GG &&&SSτ>ττ≤τ铸造铸造Al-Si合金的流变特性合金的流变特性半固态合金流变性能力学模型半固态合金流变性能力学模型在凝固温度范围内（液相至固相）合金的流变性能的力学模型可由宾汉体串联开尔文体组合而成。

在凝固温度范围内（液相至固相）合金的流变性能的力学模型可由宾汉体串联开尔文体组合而成T=H1— (S | N1) — (H2| N2)式中，式中，T为合金本身流变模型代号为合金本身流变模型代号本构方程本构方程建立结晶温度范围内合金的应力－应变本构方程，求得合金流变性参数：建立结晶温度范围内合金的应力－应变本构方程，求得合金流变性参数：()的剪切屈服极限为圣维南体的运动粘度系数；、为牛顿体、的剪切弹性模量；、为力学模型中虎克体、式中SNNHHGGG GGGG GGG GGGGssssτηηττγηττ ητ ηητηγττγητ ητγ2121212112212211112222121 21,,1≥⎥ ⎦⎤ ⎢ ⎣⎡−−⋅+⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛+++=≤−++=&&& &&&&。