凝固过程温度场
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C4 铸件的凝固与补缩本章内容:铸件的凝固过程、凝固特性对铸件质量的影响,缩孔、缩松的形成机理、防止措施以及冒口和冷铁的应用。
§1 铸件的凝固一铸件的凝固方式1 凝固区域除纯金属和共晶合金外,铸件凝固过程中断面有三区:固相区+凝固区+液相区,见下图。
图4-1铸件某一瞬间凝固区域温度场T:指铸件断面上某瞬时的温度分布曲线固相等温面:Ⅰ-Ⅰ’液相等温面:Ⅱ-Ⅱ’固相区:合金已凝固成固相的区域;液相区:尚未开始凝固的区域;凝固区:凝固和液固相并存的区域。
2 凝固方式根据铸件凝固时其断面上凝固区域的大小,凝固方式分三种:逐层凝固、糊状凝固(体积凝固)、中间凝固。
铸件断面凝固区域的宽度δ由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。
当温度梯度相同时,取决于合金的结晶温度范围;当合金成分一定时,则取决于温度梯度。
温度梯度较大时,可使凝固区域变窄。
1)逐层凝固⊿tc=0,δ=0恒温下结晶的合金,在凝固过程中其铸件断面上凝固区宽度等于零,断面上的固体和液体由一条界线清楚分开。
随温度下降,凝固层逐渐加厚直至铸件凝固结束。
包括纯金属、共晶合金、结晶温度范围很小或断面上温度梯度很大的情况。
逐层凝固糊状凝固中间凝固左:纯金属或共晶合金左:结晶温度范围很宽左:结晶温度范围较窄右:窄结晶温度范围右:温度场平坦右:温度梯度较大凝固特点:易形成缩孔、热裂倾向小、较好的流动能力。
(这类合金的补缩性良好,可以采取工艺措施,如设置冒口,来消除缩孔)。
合金种类:纯金属、共晶合金、低碳钢、高合金钢、铝青铜、窄结晶温度范围黄铜等。
2)糊状凝固铸件凝固过程中,铸件断面上的凝固区域很宽,在某一段时间内,凝固区域甚至会贯穿于铸件的整个断面,铸件表面尚未出现固相区,铸件中心已开始结晶,出现了固相。
凝固特点:补缩性差(易形成缩松)、热裂倾向大、流动能力差。
合金种类:高碳钢、球铁、锡青铜、铝镁合金及某些结晶温度范围宽的黄铜。
3)中间凝固铸件断面上凝固区域宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。
凝固是钢坯生产过程中关键的环节,直接影响其质量和性能。
通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象,从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。
具体而言,大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面:
1. 温度场模拟:通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布,包括凝固壳层和内部的温度变化。
这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。
2. 相变模拟:钢的凝固过程涉及到相变,包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。
数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。
3. 应力和变形模拟:凝固过程中会产生应力和变形,这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。
通过数值模拟可以模拟应力场和变形场,预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。
4. 凝固结构分析:通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征,包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。
这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。
通过合理的模拟参数和边界条件,可以精确模拟大钢锭的凝固过程,为生产提供科学依据和优化策略。
毕业设计铸件凝固过程温度场分析计算姓名: XX学号: XX班级: 10自动化(数控)2专业:自动化(数控)所在系:自动化工程系指导教师: XXX铸件凝固过程温度场分析计算摘要铸造是国民经济的重要产业部门之一,一个国家制造工业的规模和水平就靠它来反映。
航空、航天、汽车、机械等各行业的迅速发展,对铸件的需求量越来大,对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求也越来越高。
先进制造技术的发展要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。
铸造温度场是铸件在生产、加工及使用过程中产生缩孔缩松的主要原因,缩孔缩松不仅降低铸件的尺寸精度和使用性能,甚至直接导致铸件报废。
对铸造过程温度场进行数值模拟,可以预测铸件的缩孔缩松,为优化铸造工艺、减少应力、应变导致的铸件缺陷,提高铸件尺寸精度和使用寿命提供科学的参考依据[1]。
此毕业设计就是通过计算机模拟铸件的形成过程,并对其进行相应的温度场分析,根据判据找到缺陷发生的位置,旨在为实际生产提供理论基础,为改进工艺设计作贡献。
关键词:ANSYS;有限元分析;温度场;铸件凝固Casting Solidification Temperature Field Analysis andCalculationABSTRACTCasting is one of the important sectors of national economy, manufacturing industrial scale and level of a country depends on it to reflect. Aviation, aerospace, automotive, machinery and other industries, the rapid development of the to the greater demand for the castings, casting the metal on the performance and reliability requirements of the casting itself more and more is also high. The development of advanced manufacturing technology for casting production to light-duty composite, high-precision, strong, and no environmental pollution.Casting temperature field is castings produced in the process of production, processing and use the main cause of porosity shrinkage, porosity shrinkage not only reduce the size of the casting precision and operational performance, even as a direct result of the casting scrap. A numerical simulation of the temperature field of casting process can predict the shrinkage of the shrinkage, in order to optimize the casting process, reduce the stress and strain caused by the casting defects, improve the casting dimension accuracy and provide scientific reference for service life. The formation of this graduation design is through the computer simulation of casting process, and carries on the corresponding temperature field analysis, according to the criterion of finding defects location and aims to provide theoretical basis for actual production, make contributions to improve process design.Key Words:ANSYS;The finite element analysis;Temperature field;Casting solidification目录第一章绪论 (1)1.1本课题的背景和意义 (1)1.1.1铸件凝固过程温度场分析计算的意义 (1)1.1.2国内外发展状况 (1)1.1.3本课题的研究内容 (1)1.2本课题研究的方法和手段 (1)第二章理论及软件 (3)2.1本论文的理论基础 (3)2.1.1热传递的基本方式 (3)2.1.2导热过程的基本概念 (5)2.1.4ANSYS简介 (9)2.1.5软件功能介绍 (9)第三章软件模拟 (11)3.1建模和ANSYS前处理 (11)3.1.1PRO/E建立铸件模型 (11)3.1.2铸件砂型的建立 (12)3.1.3铸件在ANSYS的前处理过程 (15)3.2温度场求解过程 (22)3.2.1定义对流条件 (22)3.2.2求解设置 (25)3.3基于温度场的分析 (26)3.3.1温度场模拟结果 (26)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)第一章绪论1.1 本课题的背景和意义1.1.1铸件凝固过程温度场分析计算的意义铸造温度场是铸件在生产、加工及使用过程中产生缩孔缩松的主要原因;铸造应力是铸件在生产、加工及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因,缩孔缩松和裂纹不仅降低铸件的尺寸精度和使用性能,甚至直接导致铸件报废。
凝固温度场的测定一、意义和目的铸件温度场是指浇注后,某一时刻铸件内部的温度分布规律。
在温度场中,向着铸件中心的方向上单位长度的温度变化率称为温度梯度。
本实验主要是测定凝固时期各个时刻的铸件温度场。
铸件凝固时期的温度场越陡,即温度梯度越大,则铸件冷却得越快,它的凝固速度就越大。
某一时刻铸件温度场中温度相同点所组成的面称为等温面。
对于在一个温度范围(结晶间隔)内凝固的合金而言,铸件断面中由达到液相线温度的点所组成的面,称为液相线等温面,或称为液相边界。
同样,由达到固相线温度的点组成的面,称为固相线等温面,或称为固相边界。
凝固过程中,铸件断面上液相边界和固相边界之间的区域谓之凝固区域,也就是铸件凝固过程中凝固并存区域。
阐明凝固时期各个时刻的凝固区域大小和它从铸件表面向铸件中心移动规律的曲线,称为凝固动态曲线。
测定凝固动态曲线能够比较全面地描绘铸件凝固过程和研究这种过程。
凝固区域的大小即宽度决定了铸件的凝固方式,即逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。
凝固区域于狭窄,铸件越是倾向于逐层凝固方式。
这种凝固方式的铸件容易形成集中缩孔,便于采取措施(例如用冒口)去除铸件中的集中缩孔;铸件的热裂倾向性小和金属液充型能力较好。
凝固区域越宽,铸件越是倾向于糊状凝固方式。
这种凝固方式的铸件容易形成分散性的缩孔即缩松,即使采用冒口亦难以消除这种缩松;铸件的热裂倾向性大和金属液充型能力差。
金属和铸型两方面的各种因素决定了凝固区域的宽窄,也就是决定了铸件的凝固方式。
例如合金的结晶间隔(液相线到固相线之间的温度间隔)越大,铸件的凝固区域就越宽,糊状凝固方式的倾向性就越大。
反之,结晶间隔越小,则铸件的凝固区域越窄,逐层凝固方式的倾向越大。
当合金的化学成分一定时,也就是结晶间隔大小一定时,铸型冷却能力越大,铸件温度场就越陡,温度梯度就越大,凝固区域就越窄,强化了逐渐逐层凝固的倾向,可以削弱铸件糊状凝固的倾向。
将液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型,经过不同的时间间隔,分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失,获得固态金属硬壳,这种研究凝固的方法称为倾出法。
作业第一章液态金属的结构与性质1、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征?理想纯金属液态结构能量起伏和结构起伏;实际纯金属液态结构存在大量多种分布不均匀、存在方式(溶质或化合物)不同的杂质原子;金属(二元合金)液态结构存在第二组元时,表现为能量起伏、结构起伏和浓度起伏;实际金属(多元合金)液态结构相当复杂,存在着大量时聚时散,此起彼伏的原子团簇、空穴等,同时也含有各种固态、气态杂质或化合物,表现为三种起伏特征交替;能量起伏指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低,同一原子的能量也会随时间而不停变化,出现时高时低的现象。
结构起伏指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合,由于“能量起伏”,一部分金属原子(离子)从某个团簇中分化出去,同时又会有另一些原子组合到该团簇中,这样此起彼伏,不断发生着的涨落过程,似乎团簇本身在“游动”一样,团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。
浓度起伏指在多组元液态金属中,由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别,结合力较强的原子容易聚集在一起,把别的原于排挤到别处,表现为游动原子团簇之间存在着成分差异,而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象2、根据图1-8及式(1-7)说明动力学粘度的物理意义和影响粘度的因素,并讨论粘度在材料成形中的意义动力学粘度的物理意义:表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。
是液体内摩擦阻力大小的表征影响粘度的因素:1)液体的原子之间结合力越大,则内摩擦阻力越大,粘度也就越高;2)粘度随原子间距δ增大而降低,与δ3成反比;3)η与温度T 的关系总的趋势随温度T 而下降。
(实际金属液的原子间距δ也非定值,温度升高,原子热振动加剧,原子间距随之而增大,因此η会随之下降。
)4)合金组元(或微量元素)对合金液粘度的影响,如果混合热H m为负值,合金元素的增加会使合金液的粘度上升(H m 为负值表明异类原子间结合力大于同类原子,因此摩擦阻力及粘度随之提高)如果溶质与溶剂在固态形成金属间化合物,则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度,这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。