材料成形熱過(guò)程

1、第三章第三章 材料成形熱過(guò)程材料成形熱過(guò)程材料成形技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 焊接成形熱過(guò)程焊接成形熱過(guò)程一一 焊接熱過(guò)程特點(diǎn)焊接熱過(guò)程特點(diǎn)1.焊接熱過(guò)程的局部集中性2.焊接熱過(guò)程的瞬時(shí)性3.焊接熱源的移動(dòng)性二二 焊接過(guò)程熱效率焊接過(guò)程熱效率熱效率 =Q/QQ:焊接熱源提供的熱量;Q:用于加熱焊件的有效熱量;真正用于焊接的有效功率P為 P= UI P:電弧功率; U:焊接電壓; I:焊接電流；第二節(jié)第二節(jié) 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng) 所謂焊接溫度場(chǎng)是指在焊接集中熱源的作用下，被焊工件上（包括內(nèi)部）各點(diǎn)在某一瞬時(shí)的溫度分布。一、焊接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程一、焊接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程1.1.焊接傳熱的基本形式焊

2、接傳熱的基本形式 焊接過(guò)程主要研究的是焊件溫度變化（相當(dāng)于冷卻為主）因此主要以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考慮輻射和對(duì)流的作用。2.2.焊接熱傳導(dǎo)的基本方程焊接熱傳導(dǎo)的基本方程 熱總是從物體的高溫部位向低溫部位流動(dòng)，它的流動(dòng)規(guī)律服從傅立葉定律。 根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律，可以導(dǎo)出任一無(wú)限大物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程。傅立葉定律： q=dT/dnq電流密度，即沿法線方向單位面積、單 位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的熱量；熱導(dǎo)率（J/cmsc),表示導(dǎo)熱能力 焊接熱傳導(dǎo)方程焊接熱傳導(dǎo)方程 T/t=aT a：熱擴(kuò)散率(cm/s) :拉普拉斯符號(hào)(/x+ /y+ /z) 表示某時(shí)刻，物體上給定點(diǎn)附近溫度分布越不均勻，則該點(diǎn)溫度變

3、化越快。二、焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解二、焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件析的假定條件 焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 T = f( x, y, z, t ） 式中，T 工件上某一瞬時(shí)某點(diǎn)的溫度 x,y,z 工件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo) t 時(shí)間數(shù)學(xué)解析的基本假定： 物理系數(shù)=常數(shù) 初始溫度均勻?yàn)榱?不考慮相變、散熱和結(jié)晶潛熱 焊件幾何尺寸是無(wú)限的 熱源作用于焊件形式為點(diǎn)、線和面狀。 根據(jù)焊件的厚度和尺寸形狀，傳熱的方式可以簡(jiǎn)化為：1 厚大焊件點(diǎn)狀熱源三維溫度場(chǎng)2 薄板焊件線狀熱源二維溫度場(chǎng)3 細(xì)棒對(duì)接面狀熱源一維溫度場(chǎng)三、瞬時(shí)熱源的傳導(dǎo)過(guò)程三、瞬時(shí)熱源的傳導(dǎo)過(guò)程 假定焊件的初始溫度t=0，利

4、用瞬時(shí)熱源法比較容易求得熱傳導(dǎo)基本方程的特解。其特解為： T(r,tT(r,t)=)=r 給定點(diǎn)到熱源點(diǎn)的坐標(biāo)n 與熱源有關(guān)的常數(shù)Q焊件瞬時(shí)獲得的熱能)4exp()4(22/atratcQn點(diǎn) n=3線 n=2面 n=1四、影響焊接溫度場(chǎng)的因素四、影響焊接溫度場(chǎng)的因素1 熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性）2 焊接規(guī)范（焊速與能量，即焊接熱輸入） 3 被焊金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率，體積熱容，熱擴(kuò)散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）4.焊件的板厚及形狀薄板焊接的溫度場(chǎng)分布表面堆焊和丁字接頭形式溫度場(chǎng)分布第三節(jié)第三節(jié) 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán) 焊接時(shí)焊件在加熱和冷卻過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化。即焊件上某點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間

5、由低到高達(dá)到最大值后又由高到低的變化。稱為焊接熱循環(huán)。 一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1 加熱速度 H2 峰值溫度 Tmax3 高溫停留時(shí)間 tH4 冷卻速度（或冷卻時(shí)間t8/5;t8/3;t100）二、多層焊接熱循環(huán)二、多層焊接熱循環(huán)1.長(zhǎng)段多層焊接熱循環(huán) 長(zhǎng)段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層焊縫基本上冷卻到100-200以下2.短段多層焊接熱循環(huán)三、影響焊接熱循環(huán)的因素三、影響焊接熱循環(huán)的因素1.焊件尺寸形狀的影響2.接頭形式的影響3.焊道長(zhǎng)度的影響4.預(yù)熱溫度的影響5.焊接線能量的影響6.焊接時(shí)冷卻條件的影響第四節(jié)第四節(jié) 凝固成形熱過(guò)程凝固成形熱過(guò)程一、凝固成形熱過(guò)程特

6、點(diǎn)及效率一、凝固成形熱過(guò)程特點(diǎn)及效率1.1.凝固成形熱過(guò)程特點(diǎn)凝固成形熱過(guò)程特點(diǎn) 凝固成形的基本熱過(guò)程包括加熱熔化和冷卻凝固兩個(gè)部分。以沖天爐為例，其熱交換區(qū)可分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)和爐缸區(qū)4個(gè)部分。（1 1）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點(diǎn)）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點(diǎn)1）爐氣給熱以對(duì)流方式為主。2）傳遞熱量大3）溫度變化大（2 2）熔化區(qū)的熱交換特點(diǎn)）熔化區(qū)的熱交換特點(diǎn)1）爐氣給熱以對(duì)流傳熱為主。2）呈凹形分布。3）高度波動(dòng)大。（3 3）過(guò)熱區(qū)熱交換的特點(diǎn)）過(guò)熱區(qū)熱交換的特點(diǎn)1）鐵水的受熱以與焦炭接觸傳導(dǎo)導(dǎo)熱為主。2）傳熱強(qiáng)度大。3）爐氣最高溫度與區(qū)域高度起決定作用。（4）爐缸區(qū)的熱交換特點(diǎn) 與過(guò)熱區(qū)相仿2.

7、2.凝固成形加熱過(guò)程熱效率凝固成形加熱過(guò)程熱效率 凝固成形加熱過(guò)程的熱效率與冶煉方式、熱源種類及冶煉材料的性能等因素有關(guān)。二、凝固成形熱溫度場(chǎng)二、凝固成形熱溫度場(chǎng) 根據(jù)鑄件溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，能夠預(yù)測(cè)鑄件凝固過(guò)程中其斷面上各時(shí)刻的凝固區(qū)域大小及變化，凝固前沿向中心推進(jìn)的速度、縮孔和縮松的位置，凝固時(shí)間等重要問(wèn)題。 四種情況下，鑄件和鑄型的溫度分布特點(diǎn)1.鑄件在絕熱鑄型中凝固溫度分布特點(diǎn)2.以金屬-鑄型界面熱阻為主的金屬型中凝固溫度分布特點(diǎn)3.厚壁金屬型中凝固溫度的分布特點(diǎn)4.水冷金屬型中凝固溫度分布特點(diǎn)第五節(jié)第五節(jié) 塑性成形熱過(guò)程特點(diǎn)及溫度場(chǎng)塑性成形熱過(guò)程特點(diǎn)及溫度場(chǎng)一、塑性成形熱過(guò)程的基本特

8、點(diǎn)一、塑性成形熱過(guò)程的基本特點(diǎn) 固體金屬材料的加熱過(guò)程，主要是熱源通過(guò)對(duì)流和輻射的形式對(duì)金屬加熱，在金屬內(nèi)部主要通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式傳遞熱量，使金屬材料的溫度逐步均勻化。1.1.金屬材料的熱擴(kuò)散率是溫度的函數(shù)金屬材料的熱擴(kuò)散率是溫度的函數(shù) 材料的熱擴(kuò)散性好，即表明加熱時(shí)溫度在金屬內(nèi)部傳播的速度快，因而在材料斷面上的溫差就 小，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就??；同時(shí)，由于加熱時(shí)，溫度均勻化的速度快，因而可以采用快速加熱的方法提高生產(chǎn)率。2.2.鋼在加熱過(guò)程中的氧化及脫碳鋼在加熱過(guò)程中的氧化及脫碳二、塑性成形加熱過(guò)程的熱效率二、塑性成形加熱過(guò)程的熱效率 金屬坯料的加熱方法，按所采用熱源種類分為火焰加熱和電加熱兩大類。 各種加熱方法的熱效率都不相同。三、塑性成形的溫度場(chǎng)三、塑性成