材料成形熱過程

1、第三章第三章 材料成形熱過程材料成形熱過程材料成形技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 焊接成形熱過程焊接成形熱過程一一 焊接熱過程特點焊接熱過程特點1.焊接熱過程的局部集中性2.焊接熱過程的瞬時性3.焊接熱源的移動性二二 焊接過程熱效率焊接過程熱效率熱效率 =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) 焊接溫度場焊接溫度場 所謂焊接溫度場是指在焊接集中熱源的作用下，被焊工件上（包括內(nèi)部）各點在某一瞬時的溫度分布。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 焊接過程主要研究的是焊件溫度變化（相當于冷卻為主）因此主要以熱傳導(dǎo)為主，適當考慮輻射和對流的作用。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，它的流動規(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 位時間內(nèi)流過的熱量；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：熱擴散率(cm/s) :拉普拉斯符號(/x+ /y+ /z) 表示某時刻，物體上給定點附近溫度分布越不均勻，則該點溫度變

3、化越快。二、焊接溫度場的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解二、焊接溫度場的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件析的假定條件 焊接溫度場的數(shù)學(xué)表達式為 T = f( x, y, z, t ） 式中，T 工件上某一瞬時某點的溫度 x,y,z 工件上某點的空間坐標 t 時間數(shù)學(xué)解析的基本假定： 物理系數(shù)=常數(shù) 初始溫度均勻為零 不考慮相變、散熱和結(jié)晶潛熱 焊件幾何尺寸是無限的 熱源作用于焊件形式為點、線和面狀。 根據(jù)焊件的厚度和尺寸形狀，傳熱的方式可以簡化為：1 厚大焊件點狀熱源三維溫度場2 薄板焊件線狀熱源二維溫度場3 細棒對接面狀熱源一維溫度場三、瞬時熱源的傳導(dǎo)過程三、瞬時熱源的傳導(dǎo)過程 假定焊件的初始溫度t=0，利

4、用瞬時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,t)=T(r,t)=r 給定點到熱源點的坐標n 與熱源有關(guān)的常數(shù)Q焊件瞬時獲得的熱能)4exp()4(22/atratcQn點 n=3線 n=2面 n=1四、影響焊接溫度場的因素四、影響焊接溫度場的因素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分布表面堆焊和丁字接頭形式溫度場分布第三節(jié)第三節(jié) 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán) 焊接時焊件在加熱和冷卻過程中溫度隨時間的變化。即焊件上某點的溫度是隨時間

5、由低到高達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 高溫停留時間 tH4 冷卻速度（或冷卻時間t8/5;t8/3;t100）二、多層焊接熱循環(huán)二、多層焊接熱循環(huán)1.長段多層焊接熱循環(huán) 長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時，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.焊接時冷卻條件的影響第四節(jié)第四節(jié) 凝固成形熱過程凝固成形熱過程一、凝固成形熱過程特

6、點及效率一、凝固成形熱過程特點及效率1.1.凝固成形熱過程特點凝固成形熱過程特點 凝固成形的基本熱過程包括加熱熔化和冷卻凝固兩個部分。以沖天爐為例，其熱交換區(qū)可分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)、過熱區(qū)和爐缸區(qū)4個部分。（1 1）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點1）爐氣給熱以對流方式為主。2）傳遞熱量大3）溫度變化大（2 2）熔化區(qū)的熱交換特點）熔化區(qū)的熱交換特點1）爐氣給熱以對流傳熱為主。2）呈凹形分布。3）高度波動大。（3 3）過熱區(qū)熱交換的特點）過熱區(qū)熱交換的特點1）鐵水的受熱以與焦炭接觸傳導(dǎo)導(dǎo)熱為主。2）傳熱強度大。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 與過熱區(qū)相仿2.

7、2.凝固成形加熱過程熱效率凝固成形加熱過程熱效率 凝固成形加熱過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、凝固成形熱溫度場二、凝固成形熱溫度場 根據(jù)鑄件溫度場隨時間的變化，能夠預(yù)測鑄件凝固過程中其斷面上各時刻的凝固區(qū)域大小及變化，凝固前沿向中心推進的速度、縮孔和縮松的位置，凝固時間等重要問題。 四種情況下，鑄件和鑄型的溫度分布特點1.鑄件在絕熱鑄型中凝固溫度分布特點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3.厚壁金屬型中凝固溫度的分布特點4.水冷金屬型中凝固溫度分布特點第五節(jié)第五節(jié) 塑性成形熱過程特點及溫度場塑性成形熱過程特點及溫度場一、塑性成形熱過程的基本特

8、點一、塑性成形熱過程的基本特點 固體金屬材料的加熱過程，主要是熱源通過對流和輻射的形式對金屬加熱，在金屬內(nèi)部主要通過熱傳導(dǎo)的形式傳遞熱量，使金屬材料的溫度逐步均勻化。1.1.金屬材料的熱擴散率是溫度的函數(shù)金屬材料的熱擴散率是溫度的函數(shù) 材料的熱擴散性好，即表明加熱時溫度在金屬內(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，由于加熱時，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.鋼在加熱過程中的氧化及脫碳鋼在加熱過程中的氧化及脫碳二、塑性成形加熱過程的熱效率二、塑性成形加熱過程的熱效率 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、塑性成形的溫度場三、塑性成