材料加工冶金傳輸原理課件-緒論

1、材料加工冶金傳材料加工冶金傳輸原理輸原理 張 騰 課程簡介：本課程為考試課程教材：材料加工冶金傳輸原理，吳樹森，機械工業(yè)出版社，2005關于本課程關于本課程其他參考教材：其他參考教材：1. 蘇華欽主編，冶金傳輸原理，東南大學出版社，19892. 沈頤身、李保衛(wèi)、吳懋林著，冶金傳輸原理基礎，20003. 朱愛民，流體力學基礎，中國計量出版社，20044. 趙鎮(zhèn)南主編，傳熱學，高等教育出版社，20025. J.R.威爾特等編著、馬紫峰、吳衛(wèi)生等譯，動量、 熱量和質量傳遞原理課程性質課程性質 該課是材料工程類專業(yè)基礎課程。該課是材料工程類專業(yè)基礎課程。其特點是運用到較多高等數(shù)學方面知識，其特點是運用

2、到較多高等數(shù)學方面知識，課程難度較高，該課與冶金熱力學與動力課程難度較高，該課與冶金熱力學與動力學、金屬學共同構成專業(yè)基礎核心課程。學、金屬學共同構成專業(yè)基礎核心課程。序號知識點課內講授教學各環(huán)節(jié)備注實驗上機設計1第一章緒論22第二章流體的性質23第三章流體動力學64第四章層流運動及湍流運動45第五章邊界層理論26第六章材料加工中的特殊流體流動27第七章相似理論與量綱分析28第八章熱量傳輸?shù)幕靖拍?9第九章導熱610第十章對流換熱411第十一章輻射換熱412第十二章材料加工中的熱量傳輸213第十三章質量傳輸基本概念和傳質微分方程414第十四章分子傳質415第十五章對流傳質2合計48一、什么是

3、傳輸過程？一、什么是傳輸過程？ 傳輸過程是傳輸過程是 動量傳輸動量傳輸、熱量傳輸熱量傳輸、質量傳輸質量傳輸過程的總稱，簡稱過程的總稱，簡稱 “三傳三傳” 或者或者 “傳遞現(xiàn)象傳遞現(xiàn)象”。是工程技術領域中普遍存在的物理現(xiàn)象。是工程技術領域中普遍存在的物理現(xiàn)象。緒論 v動量傳輸動量傳輸：垂直于流體流動的方向上，動量由高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉移。v熱量傳輸熱量傳輸：熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉移。v質量傳輸質量傳輸：物系中一個或幾個組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉移。傳輸現(xiàn)象：傳輸現(xiàn)象：普遍存在于金屬熱態(tài)成形過程與冶金過程，這些過程都是在高溫下進行、并且常有氣、液、固等多相參與，過程中必然伴隨著各種物質傳

4、遞或者熱量傳遞等物理過程。例如：鋼鐵冶金過程中的高爐煉鐵、轉爐煉鋼、鐵水脫硫都是一個高溫化學反應過程。如何實現(xiàn)高溫？如何實現(xiàn)化學反應？此外，傳輸現(xiàn)象還存在于制冷工程、機械工程、生物化學工程及環(huán)境工程等領域。 合金熔煉過程中組分的混合合金熔煉過程中組分的混合 沖天爐熔煉中焦炭的燃燒沖天爐熔煉中焦炭的燃燒 熱處理過程中組分的擴散熱處理過程中組分的擴散合金液充型過程散熱、鑄件的冷卻及組分的再分配合金液充型過程散熱、鑄件的冷卻及組分的再分配 異質合金焊接及焊接過程熱傳導異質合金焊接及焊接過程熱傳導材料加工過程中的傳輸現(xiàn)象：材料加工過程中的傳輸現(xiàn)象：“三傳三傳”的聯(lián)系：的聯(lián)系： 動量、熱量、質量三種傳輸

5、過程有其內在的聯(lián)系，動量、熱量、質量三種傳輸過程有其內在的聯(lián)系，三者之間有許多相似之處，在連續(xù)介質中發(fā)生三者之間有許多相似之處，在連續(xù)介質中發(fā)生的的 “三傳三傳” 現(xiàn)象有共同的傳遞機理。在實際工現(xiàn)象有共同的傳遞機理。在實際工程中，三種傳輸現(xiàn)象常常是同時發(fā)生的。程中，三種傳輸現(xiàn)象常常是同時發(fā)生的。為什么把為什么把“三傳三傳”放在一起作為一個整體：放在一起作為一個整體： “三傳”具有共同的物理本質：都是物理過程。 “三傳”具有類似的表述方程和定律。 在實際金屬熱態(tài)成形過程中往往包括有兩種或兩種以上傳輸現(xiàn)象，它們同時存在，又相互影響，是一個有機的整體。傳輸過程的本質：傳輸過程的本質： 傳輸過程是傳輸

6、過程是物質物質或或能量能量從非平衡態(tài)到平衡從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉移的物理過程。是某物質體系內描述體系的態(tài)轉移的物理過程。是某物質體系內描述體系的物理量（如溫度、速度、組分濃度等）從不平衡物理量（如溫度、速度、組分濃度等）從不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉移的過程。狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉移的過程。平衡態(tài)概念平衡態(tài)概念是指體系內物理量不存在梯度。例如是指體系內物理量不存在梯度。例如熱平衡是體系內的溫度各處均勻一致。熱平衡是體系內的溫度各處均勻一致。不平衡態(tài)概念不平衡態(tài)概念是體系內物理量存在梯度，這時物是體系內物理量存在梯度，這時物系內的物理量不均勻，就會發(fā)生物理量的傳輸。系內的物理量不均勻，就會發(fā)生物理量的傳輸。

7、二、傳輸原理主要研究什么？二、傳輸原理主要研究什么？ 傳輸原理主要研究傳輸過程的傳輸原理主要研究傳輸過程的傳遞速率大小傳遞速率大小與與傳遞推動力及阻力傳遞推動力及阻力之間的關系。之間的關系。 三、三、材料加工冶金傳輸原理材料加工冶金傳輸原理課程課程的主要任務：的主要任務：學習研究金屬在熱態(tài)成形過程中經(jīng)常遇到的動量、熱量、質量傳輸?shù)幕驹?，以及結合實際的應用實例。金屬加工成形的分類：金屬加工成形的分類：熱態(tài)成形熱態(tài)成形金屬的成形過程，是在較高溫度狀態(tài)下，通過高溫手段，使金屬成形。金屬的成形過程，是在較高溫度狀態(tài)下，通過高溫手段，使金屬成形。冷態(tài)成形冷態(tài)成形金屬在常溫下，使金屬成形。如：切削、沖

8、壓、拔絲。金屬在常溫下，使金屬成形。如：切削、沖壓、拔絲。金屬熱態(tài)成形的四種工藝金屬熱態(tài)成形的四種工藝 （ “三傳三傳” 現(xiàn)象廣泛存在）現(xiàn)象廣泛存在）1. 鑄造：鑄造：液態(tài)液態(tài)(或固液態(tài)或固液態(tài))金屬金屬注入模具中注入模具中降溫、凝固。降溫、凝固。2. 鍛壓：鍛壓：金屬加熱至塑性變形抗力小、但是仍然為固體的狀態(tài)，采用鍛打、金屬加熱至塑性變形抗力小、但是仍然為固體的狀態(tài)，采用鍛打、 加壓手段，而獲得一定的形狀的工藝方法。加壓手段，而獲得一定的形狀的工藝方法。3. 焊接：焊接：焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，用或者不用填充材料，使兩工焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，用或者不用填充材料，使兩工

9、件產(chǎn)生原子間結合的加工工藝和連接方式。件產(chǎn)生原子間結合的加工工藝和連接方式。4. 熱處理：熱處理：熱處理就是將工件通過熱處理（高溫加熱，冷卻速度不同）達到調整材熱處理就是將工件通過熱處理（高溫加熱，冷卻速度不同）達到調整材 質（如基體組織發(fā)生變化，硬度發(fā)生變化），以及削除應力。質（如基體組織發(fā)生變化，硬度發(fā)生變化），以及削除應力。 金屬加工成形的分類 流體力學流體力學（Hydrodynamics）研究動量傳輸主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)；以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規(guī)律。 傳熱學傳熱學（Heat Transfer）：研究熱量傳輸主要研究不同溫度的物

10、體，或同一物體的不同部分之間熱量傳遞的規(guī)律。 傳質學傳質學（Mass Transfer）：研究質量傳輸主要研究質量傳遞的有關理論。四.研究傳輸原理需要三門學科熱態(tài)成形過程中的傳輸現(xiàn)象舉例：熱態(tài)成形過程中的傳輸現(xiàn)象舉例：（1）.金屬液體的流動（鑄液填充型腔）（2）.氣體的流動（砂型氣體溢出，爐加熱，爐氣運動等）（3）.金屬件內部之間、金屬件與周圍介質之間熱量交換和物質轉移現(xiàn)象（加熱過程，熱交換，滲炭，滲氮，元素再分布）研究動量、熱量、質量傳輸現(xiàn)象的意義：研究動量、熱量、質量傳輸現(xiàn)象的意義：以上的現(xiàn)象都屬于動量、熱量、質量傳輸現(xiàn)象。不同的傳輸情況對金屬熱態(tài)成形過程和最后得到的金屬件質量有很大影響。

11、研究意義就在于此。五.熱態(tài)成形過程中傳輸現(xiàn)象以及研究動量、熱量、 質量傳輸現(xiàn)象的意義動量、熱量、質量傳輸（傳遞）過程的速率。 研究對象理論研究實驗研究數(shù)值計算簡單問題復雜問題研究方法1、內容深要求學生課前預習。、內容深要求學生課前預習。2、課上認真聽講。、課上認真聽講。3、課后、課后 復習、總結。復習、總結。4、多練習，多作習題。、多練習，多作習題。六：幾點說明六：幾點說明動量、熱量與質量傳輸?shù)念愃菩?.1 0.1 牛頓粘性定律牛頓粘性定律0.1 0.1 牛頓粘性定律牛頓粘性定律vv慢層慢層快層快層V+dvvdv 兩個作直線運動的流體層之間的切應力兩個作直線運動的流體層之間的切應力)1.0(-

12、dydv);ap切應力（式中， ).spa動力粘度（);msmdydv速度梯度（y的另一物理意義的另一物理意義將將的單位作如下變化的單位作如下變化的動量，即動量通量。單位時間通過單位面積smsmkgsmssmkgmNpa22220.1 0.1 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 當當作動量通量理解時，可以將式（作動量通量理解時，可以將式（0-1）改寫為改寫為常量）(）2-0（)()(dyvddyvddydv;單位,動量濃度梯度)(式中3mmsmkgdyvd.2sm，稱運動粘度，單位即 “”號表示動量通量的方向與速度梯度的方向相反，即動量號表示動量通量的方向與速度梯度的方向相反，即動量朝速度降低的方向傳遞

13、。朝速度降低的方向傳遞。0.1 0.1 牛頓粘性定律牛頓粘性定律0.2 0.2 傅立葉定律傅立葉定律 0.2 0.2 傅里葉定律傅里葉定律導熱示例圖導熱示例圖xT室內室內室外室外墻墻1T2T 在均勻的各向同性材料在均勻的各向同性材料內的一維溫度場中，內的一維溫度場中，通通過導過導熱方式傳遞的熱流密度為熱方式傳遞的熱流密度為)3-0(dydTq);22smJmWq或熱流密度、熱流通量（;(）比例系數(shù)、熱導率式中，mW).mKdydT溫度梯度（)(KkgJCp及比定壓熱容對恒定的）4-0（)()(dyTCdadyTCdCdydTqppp);2smCap，稱熱擴散率（即式中，);)(3mmJdyTC

14、dp熱量濃度變化率（ “- -”號表示熱量傳遞的方向（熱量通量）與溫度梯度方向相號表示熱量傳遞的方向（熱量通量）與溫度梯度方向相反。反。0.2 0.2 傅里葉定律傅里葉定律0.3 0.3 菲克定律菲克定律.0.3 0.3 費克定律費克定律鋼的表面滲碳鋼的表面滲碳 對兩組分系統(tǒng)，通過分子擴散對兩組分系統(tǒng)，通過分子擴散傳遞的組分傳遞的組分A A的質量通量密度為的質量通量密度為)5 . 0(dydDjAABA）；質量通量密度（式中，smkgJA2；中的）擴散系數(shù)在組分組分)(2SmBADAB);3mmkgAdydA的濃度梯度（組分 “”號號質量通量的方向與濃度梯度的方向相反，即組分質量通量的方向與濃

15、度梯度的方向相反，即組分A A 朝著濃度降低的方向傳遞。朝著濃度降低的方向傳遞。0.4 0.4 三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律( (類比關系）類比關系） 對比（對比（0-20-2）、（）、（0-40-4）、（）、（0-50-5）式）式常量）( ）2-0（)(dyvd）4-0（)(dyTCdaqp）5-0（dydDjAABA有：有：0.4 0.4 三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律（1)1)通量擴散系數(shù)通量擴散系數(shù)濃度梯度（各自量的濃度梯度）；濃度梯度（各自量的濃度梯度）；;)2(2smDAB的因次：三個擴散系數(shù)具有相同、(3)(3)“” 號意義相同號意義相同, ,即通量

16、與濃度梯度方向相反。即通量與濃度梯度方向相反。表面上：是三種完全不同的現(xiàn)象。表面上：是三種完全不同的現(xiàn)象。 宏觀上：可用同一類型的方程描述。三個基本定律形式相宏觀上：可用同一類型的方程描述。三個基本定律形式相同。同。 微觀上：本質上都是分子、原子等運動及微團的脈動。可用類似的微觀上：本質上都是分子、原子等運動及微團的脈動?？捎妙愃频?機理闡述。機理闡述。 0.4 0.4 三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律本課程涉及到的物理量：本課程涉及到的物理量：動量、熱量、質量動量、熱量、質量l動量傳輸：在垂直于實際流體流動方向上，動量從高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉移；l熱量傳輸：熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉移；l質量傳輸：物質體系中一個或幾個組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉移；l牛頓粘性定律(Newtons law of viscosity)：動量、熱量、質量傳輸?shù)南嗨菩詃vdvddyydvdy l傅里葉定律（Fouriers law）:pppdCdC TdTd