材料成型原理-1.ppt

材料成形原理 一、 材料成形与制造业 材料加工的主要方法 二、 材料成形的专业内涵 材料基本理论……加工对象 机电控制理论……加工设备 各类工艺知识……加工过程 ［凝固成形］： 熔炼金属，并将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，凝固成为一定形状和性能的铸件。 ［塑性成形］：利用金属能够产生塑性变形的能力，使金属在外力作用下，加工成一定形状的成形方法。 [焊接] ：通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。 《材料成形原理》课程教学目的与内容 铸造 焊接 锻压 第一章 液态金属的结构和性质第二章 凝固温度场第三章 金属凝固热力学与动力学第四章 单相及多相合金的结晶第五章 铸件宏观组织及其控制第六章 特殊条件下的凝固与成形 第一节 传热基本原理 第二节 铸件凝固温度场的解析解法 第三节 熔焊过程温度场 第一节 传热基本原理 一、温度场基本概念 二、热传导过程的偏微分方程 三、凝固温度场的求解方法 一、温度场基本概念 不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场： 稳定温度场： 不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）： 等温面：空间具有相同温度点的组合面。 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。 二、热传导过程的偏微分方程 三维傅里叶热传导微分方程为： 式中: —— 导温系数， ； —— 拉普拉斯运算符号。 二维传热： 一维传热： 对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。 初始条件： 初始条件是指物体开始导热时（即 t = 0 时）的瞬时温度分布。 边界条件： 边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。 常见的边界条件有以下三类： 第一类边界条件： 给定物体表面温度随时间的变化关系 第二类边界条件： 给出通过物体表面的比热流随时间的变化关系 第三类边界条件： 给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。 三、凝固温度场的求解方法 （一） 解析法 （二） 数值方法 （一） 解析法 解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。 优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。 缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。 （二） 数值方法 数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解），又称为数值模拟或计算机模拟。 差分法: 差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。 第二节 铸件凝固温度场的解析解法 一、半无限大平板铸件凝固过程的 一维不稳定温度场 二、铸件凝固时间计算 三、界面热阻与实际凝固温度场 四、铸件凝固方式及其影响因素 一、半无限大平板铸件凝固过程的一维不稳定温度场 推导过程 假 设： （1）凝固过程的初始状态为： 铸件与铸型内部分别为均温，铸件起始温度为浇铸温 度 ，铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度 ； （2）铸件金属的凝固温度区间很小，可忽略不计； （3）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放； （4）铸件的热物理参数与铸型的热物理参数不随温度变化； （5）铸件与铸型紧密接触，无界面热阻，即铸件与铸型在 界面处等温Ti 。 求解一维热传导方程： 通解为： erf（x）为高斯误差函数，其计算式为： 代入铸件（型）的边界条件得：