液态金属流动与传热.pptVIP

* * * * 3 导热微分方程 * * * * * * * * * * * * * * 宽结晶范围的合金，凝固过程会产生发达枝晶，形成大范围的液相和固 相共存区域，液体会在两相区的枝晶间流动。其驱动力来自三个方面：凝固 时的收缩、液体成分变化引起的密度的改变、液体与固体冷却时各的收缩力。 从流体力学看来，枝晶间液体的流动可看是在做孔隙介质中的流动，流动 速度一般用达西定律表示。 2) 枝晶间液态金属的流动 * * λ1 、λ2为实验常数 其中渗透率K主要取决于液相体积分数fL 由此可见，凝固后期，固相分数增大，渗透率减小，流动变得困难。 * * 1 流变学简介 流变学是力学的一个新分支，它主要研究物理材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。 流变学出现在20世纪20年代。学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。 英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。麦克斯韦在1869年发现，材料可以是弹性的，又可以是粘性的。对于粘性材料，应力不能保持恒定，而是以某一速率减小到零，其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。这种现象称为应力松弛。许多学者还发现，应力虽然不变，材料棒却可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动。经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有时间效应，于是出现了流变学，并在20世纪30年代后得到蓬勃发展。1929年，美国在宾厄姆教授的倡议下，创建流变学会；1939年，荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组；1940年英国出现了流变学家学会。当时，荷兰的工作处于领先地位，1948年国际流变学会议就是在荷兰举行的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。 2 流变学在凝固中的应用 半固态液体的体性既不同于液体也不同于固体，因此流体力学与塑性力学均 不能描述，必须用流变学理论描述。 * * 3 流变性能的力学模型 * * ①帕斯卡液体流变性能（理想液体） 无粘度液体，流动时无内摩擦，无切应力，液不能承受拉力。液体质点位移 靠压力驱使。 ②欧几里德液体（绝对刚体） 不能变形，加载后变形也为零，当载荷达到一定 临界数值后，物体即 断裂，体积与形状不发生变化。 1）理想物体流变性能 2）单纯材料流变性能 ①胡克弹性体流变性能 γ τ τ σ σ ε=(l2-l1)/l2 l1 l2 * * ②牛顿粘性体流变性能 r v dS dr γ τ τ σ～ε ③圣维南塑性体流变性能 σ σs σσs σs σs σ=σs σs * * 3）复杂材料流变性能 * * ① 代入： 或 (应力恒定下，应变随时间的变化) * * ② 代入： * * 在承受较小外力时物体产生的是塑性流动，当外力超过屈服应力t时，就按牛顿液体的规律产生粘性流动 代入： σ ε σ1 σ= σs ε1 * * * * 例1： * * 例2： * * 3.4 材料加工过程中的热量传输 1 导热的基本概念和定律 * * 2 傅里叶导热定律 2）金铸型性质方面的因素 否出 铸型中的气体 3）浇注方面的因素 4）铸件结构方面的因素 * * 3.2 液态金属凝固过程中的流动 理想流体是一种没有黏性、不可压缩的流体，是一种理想模型，实际中流体在运动中都将体现出黏性。 1 理想流体的流动 1 2 u1 u2 dA1 dA2 ① ds dA s p p+dp u 质量力：由质量引起的力，比如：重量、惯性力等。假设它们的合力为 F（Fx、Fy、 Fz）。 单位质量力：由单位质量引起的力。假设它们的合力为 f（fx、fy、 fz）。 ② 上面公式化简： 进一步整理： 质量力，比如重力(mg)，可看成是重力势能(mgh)的偏导数： 所以： 代入： 即： * 0 z u1，P1 u2， P2 举例： * 2、粘性流体的流动 p p 3、自由下落液体充满型腔 H dm v,r 4、液体金属充型 1 2,流速 u2 5、液体金属的对流 两板之间因温度而产生对流， 任意两层之间的切应力为: 而τ在y方向的梯度为： 由于y方向上各点温度不同，因此 各点的密度也不同，这个密度差就是 引起 对流的原因。现假设密度和温度 一样呈直线分布。 τ τ vx ρg