第三章 材料成形热过程

1. 第三章 材料成形热过程 材料成形技术基础

2. 第一节 焊接成形热过程 一 焊接热过程特点 1.焊接热过程的局部集中性 2.焊接热过程的瞬时性 3.焊接热源的移动性

3. 二 焊接过程热效率 热效率 =Q’/Q Q:焊接热源提供的热量; Q’:用于加热焊件的有效热量;

4. 真正用于焊接的有效功率P为 P= UI P:电弧功率; U:焊接电压; I:焊接电流；

6. 第二节 焊接温度场 所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下，被焊工件上（包括内部）各点在某一瞬时的温度分布。

7. 一、焊接传热形式及热传导方程 1.焊接传热的基本形式 焊接过程主要研究的是焊件温度变化（相当于冷却为主）因此主要以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。

8. 2.焊接热传导的基本方程 热总是从物体的高温部位向低温部位流动，它的流动规律服从傅立叶定律。 根据傅立叶定律及能量守恒定律，可以导出任一无限大物体内部的热传导基本方程。 傅立叶定律： q=dT/dn q—电流密度，即沿法线方向单位面积、单 位时间内流过的热量； —热导率（J/cm•s•ºc),表示导热能力

9. 焊接热传导方程 T/t=a²T a：热扩散率(cm²/s) ▽:拉普拉斯符号(∂/∂x+ ∂/∂y+ ∂/∂z) 表示某时刻，物体上给定点附近温度分布越不均匀，则该点温度变化越快。 二、焊接温度场的数学表述法及数学解析的假定条件 焊接温度场的数学表达式为 T = f( x, y, z, t ）

10. 式中，T —工件上某一瞬时某点的温度 x,y,z —工件上某点的空间坐标 t —时间 数学解析的基本假定： ●物理系数=常数 ●初始温度均匀为零 ●不考虑相变、散热和结晶潜热 ●焊件几何尺寸是无限的 ●热源作用于焊件形式为点、线和面状。

11. 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式可以简化为：根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式可以简化为： 1 厚大焊件—点状热源—三维温度场 2 薄板焊件—线状热源—二维温度场 3 细棒对接—面状热源—一维温度场

12. 三、瞬时热源的传导过程 假定焊件的初始温度t=0，利用瞬时热源法比较容易求得热传导基本方程的特解。其特解为： T(r,t)= r ——给定点到热源点的坐标 n ——与热源有关的常数 Q——焊件瞬时获得的热能 点 n=3 线 n=2 面 n=1

14. 四、影响焊接温度场的因素 1 热源的性质（热源能量的集中性） 2 焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入）

16. 3 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）

17. 4.焊件的板厚及形状 薄板焊接的温度场分布

18. 表面堆焊和丁字接头形式温度场分布

19. 第三节 焊接热循环 焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变化。即焊件上某点的温度是随时间由低到高达到最大值后又由高到低的变化。称为焊接热循环。

20. 一、焊接热循环的主要参数

22. 1 加热速度 ωH

23. 2 峰值温度 Tmax 3 高温停留时间 tH 4 冷却速度ω（或冷却时间t8/5;t8/3;t100）

26. 二、多层焊接热循环 1.长段多层焊接热循环 长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊缝基本上冷却到100-200℃以下

28. 2.短段多层焊接热循环

30. 三、影响焊接热循环的因素 1.焊件尺寸形状的影响

31. 2.接头形式的影响

32. 3.焊道长度的影响

33. 4.预热温度的影响

35. 5.焊接线能量的影响 6.焊接时冷却条件的影响

36. 第四节 凝固成形热过程 一、凝固成形热过程特点及效率 1.凝固成形热过程特点 凝固成形的基本热过程包括加热熔化和冷却凝固两个部分。以冲天炉为例，其热交换区可分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区4个部分。 （1）预热区的热交换特点 1）炉气给热以对流方式为主。 2）传递热量大 3）温度变化大

37. （2）熔化区的热交换特点 1）炉气给热以对流传热为主。 2）呈凹形分布。 3）高度波动大。 （3）过热区热交换的特点 1）铁水的受热以与焦炭接触传导导热为主。 2）传热强度大。 3）炉气最高温度与区域高度起决定作用。 （4）炉缸区的热交换特点 与过热区相仿

38. 2.凝固成形加热过程热效率 凝固成形加热过程的热效率与冶炼方式、热源种类及冶炼材料的性能等因素有关。 二、凝固成形热温度场 根据铸件温度场随时间的变化，能够预测铸件凝固过程中其断面上各时刻的凝固区域大小及变化，凝固前沿向中心推进的速度、缩孔和缩松的位置，凝固时间等重要问题。

39. 四种情况下，铸件和铸型的温度分布特点 1.铸件在绝热铸型中凝固温度分布特点

40. 2.以金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固温度分布特点2.以金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固温度分布特点

41. 3.厚壁金属型中凝固温度的分布特点

42. 4.水冷金属型中凝固温度分布特点

43. 第五节 塑性成形热过程特点及温度场 一、塑性成形热过程的基本特点 固体金属材料的加热过程，主要是热源通过对流和辐射的形式对金属加热，在金属内部主要通过热传导的形式传递热量，使金属材料的温度逐步均匀化。 1.金属材料的热扩散率是温度的函数 材料的热扩散性好，即表明加热时温度在金属内部传播的速度快，因而在材料断面上的温差就 小，由此产生的温度应力就小；同时，由于加热时，温度均匀化的速度快，因而可以采用快速加热的方法提高生产率。

44. 2.钢在加热过程中的氧化及脱碳

45. 二、塑性成形加热过程的热效率 金属坯料的加热方法，按所采用热源种类分为火焰加热和电加热两大类。 各种加热方法的热效率都不相同。 三、塑性成形的温度场 塑性成形在钢锭或钢材加热过程中，开始时总是表面温度高于中心温度，出现断面温差，温差 大小取决于钢材热扩散性能、断面尺寸、加热速度以及炉温与料温的温度差。锻件在冷却过程中，初期表面冷却速度快，同样也会出现断面温度差，只是此时是表面温度低于中心部。