材料加工過程傳輸理論1緒論

1、BUAA材料加工過程傳輸理論材料加工過程傳輸理論緒論緒論北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院周鐵濤2017.9BUAA材料加工過程傳輸理論材料加工過程傳輸理論P(yáng)rinciple of Transport Principle of Transport Processes in Material WorkingProcesses in Material Working課程代號(hào)：011505學(xué) 時(shí)：32開課單位：105學(xué) 分：2BUAA一課程目的與地位一課程目的與地位： 傳輸現(xiàn)象是動(dòng)量傳輸，熱量傳輸和質(zhì)量傳輸?shù)目偡Q。通過本課程的學(xué)習(xí)使同學(xué)能夠系統(tǒng)地理解和掌握動(dòng)量傳輸，熱量傳輸和質(zhì)量傳輸?shù)囊话阍砑捌涔こ虘?yīng)用。提

2、高學(xué)生運(yùn)用有關(guān)物理概念和數(shù)學(xué)解析方法分析解決本專業(yè)工程實(shí)際問題的能力。本課程是為材料加工工程研究生開設(shè)的課程，是一門數(shù)理解析較重的專業(yè)基礎(chǔ)課。在材料加工工程日新月異并更加趨向整體化、綜合化的今天，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，材料加工過程的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)過程的描述不僅要求是定性的，更要求精確定量的描述，本課程重要地位和作用不言而喻。BUAA二課程主要章節(jié)、學(xué)時(shí)分配二課程主要章節(jié)、學(xué)時(shí)分配第一篇 緒論第二篇?jiǎng)恿總鬏數(shù)谌獰崃總鬏數(shù)谒钠|(zhì)量傳輸綜合復(fù)習(xí)和考試BUAA三教學(xué)方式及學(xué)習(xí)方法三教學(xué)方式及學(xué)習(xí)方法： 課程教學(xué)以課堂講授和課堂討論為主，每篇內(nèi)容完成后安排一次綜合練習(xí)，以鞏固課堂教

3、學(xué)內(nèi)容并訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。 BUAA四考核方式四考核方式 全部教學(xué)內(nèi)容完成后，再安排一次綜合練習(xí)，要求每位學(xué)生獨(dú)立完成，此次練習(xí)成績(jī)與平時(shí)練習(xí)成績(jī)占課程總成績(jī)的60。課程總復(fù)習(xí)后筆試，筆試成績(jī)占總成績(jī)的40。五五主要參考書主要參考書梅幟：冶金傳輸過程原理中南工業(yè)大學(xué) BUAA第一章第一章 緒緒 論論 材料加工過程的本質(zhì)是以原材料為對(duì)象，通過各種加工手段獲得成型零件，其本質(zhì)是既要控制形狀，更要控制其組既要控制形狀，更要控制其組織和性能。織和性能。原材料包括：金屬、陶瓷、高分子復(fù)合材料及由它們通過各種方式組合而成的復(fù)合材料。BUAA 碳素鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼鋼：合金鋼 合金結(jié)構(gòu)

4、鋼（滲碳、調(diào)質(zhì)、 彈 簧、軸承、易切削） 合金工具鋼（刃具、模具、量具） 特殊性能鋼 不銹、耐熱、耐磨、導(dǎo)磁、 無磁、膨脹鑄鐵：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、特種鑄鐵有色金屬及其合金：鋁及合金、銅及合金、鈦及合 金、鎂及合金、其他金屬合金金屬材料BUAA塑料：通用塑料：聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚苯乙烯PS、酚 醛樹脂PF、脲醛樹脂UF、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 工程塑料:聚酰胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、 聚甲醛、聚苯醚、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺纖維：人造纖維：粘膠纖維、銅胺纖維、醋酸纖維素纖維、 蛋白質(zhì)纖維合成纖維：PET纖維(滌綸)、PA纖維（錦綸或尼龍）聚丙烯纖維（丙綸）、聚丙烯腈纖維（腈

5、綸）、聚氨酯纖維（氨綸）、聚氯乙烯纖維（氯綸）橡膠：通用橡膠：順丁橡膠（BR）、丁苯橡膠(SBR)、丁基橡膠、乙丙橡膠(EPR)特種橡膠：丁腈橡膠（NBR）、硅橡膠(MQ)、氟橡膠(FPM)、聚硫橡膠高分子材料BUAA陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷：玻璃、水泥、耐火材料特種陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷 氧化物、氮化物、碳化物 功能陶瓷 電功能、磁功能、光功能、 生物功能BUAA復(fù)合材料聚合物復(fù)合材料（2500C-3500C)金屬基復(fù)合材料（3500C-12000C)陶瓷基復(fù)合材料（20000C-)復(fù)合材料一般有兩個(gè)基本相：連續(xù)相和分散相。連續(xù)相為基體相，分散相為強(qiáng)化相。一般滿足高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度。BUAA金屬

6、：鑄造、鍛造、焊接、沖壓、粉末冶金、高分子材料：擠出、注射、壓延、流延、澆鑄、熱成型、中空吹塑、薄膜和纖維拉伸陶瓷：壓制-燒結(jié)、澆鑄-燒結(jié)、擠出-燒結(jié)、注射-燒結(jié)、吹制-燒結(jié)、吹制、拉制、浮法復(fù)合材料：手糊成型、壓制成型、擠出、 注射、浸漬、共沉積、粉末冶金材料成型工藝方法BUAA各種物態(tài)成形方法固態(tài)成型工藝：塑形成性（鍛造、沖壓、中空吹塑、 薄膜和纖維拉伸）粉末成形與燒結(jié) （粉末冶金）、機(jī)械切削液態(tài)成型工藝：澆鑄、焊接、粘接、擠出、注射、壓 延、壓制、浸漬、吹制、拉制、浮法BUAA材料成型工藝的重要特點(diǎn)：一種成型工藝可以用于不同材料的成型；不同材料的成型工藝可以互相借鑒，共同促進(jìn)該工藝的發(fā)展

7、。材料成型工藝的發(fā)展趨勢(shì)：1.精密、精確、低能耗、無污染2.連續(xù)化、自動(dòng)化3.技藝轉(zhuǎn)化為科學(xué)，工藝設(shè)計(jì)、工藝模擬、成型制造科學(xué)化4.新技術(shù)應(yīng)用，激光、微波、紅外、超聲波、高能輻射、電磁動(dòng)態(tài) 技術(shù)5.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)，使成型工藝過程、結(jié)構(gòu)和 性能可設(shè)計(jì)和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)制品的性能裁剪。BUAA無論何種材料無論以何種工藝手段成型其本質(zhì)是：溫度T、壓力P、各種場(chǎng)力M改變材料形狀、成份、組織、性能研究：流場(chǎng) 流體力學(xué)、壓力P 溫度場(chǎng)傳熱理論、溫度T 質(zhì)量場(chǎng)傳質(zhì)理論、場(chǎng)力MBUAA 材料加工過程傳輸理論就是研究材料加工過程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、質(zhì)量場(chǎng)的傳輸現(xiàn)象和規(guī)律。 傳輸現(xiàn)象不僅存在于材料加工及冶

8、金過程中。在其它工程技術(shù)領(lǐng)域中也是普遍存在的，如制冷工程、機(jī)械工程、生化工程及環(huán)境工程等領(lǐng)域。 物理本質(zhì)：傳輸過程是物理量從非平衡狀態(tài)朝平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程。所謂平衡狀態(tài)，通常是指在物理系統(tǒng)內(nèi)具有強(qiáng)度性質(zhì)的物理量(如溫度、壓力、組分濃度等)不存在梯度而言的，例如，熱平衡是指物系內(nèi)的溫度各處均勻一致。反之，若物系處于非平衡狀態(tài)，即具有強(qiáng)度性質(zhì)的物理量在系統(tǒng)內(nèi)不均勻時(shí)就會(huì)發(fā)生物理量的傳輸，例如，冷、熱兩物體互相接觸，熱量會(huì)由熱物體流向冷物體，最后使兩物體的溫度趨于一致。BUAA 傳輸過程中所傳遞的物理量為動(dòng)量、熱量和質(zhì)量。 動(dòng)量傳輸是指在垂直于實(shí)際流體流動(dòng)方向上，動(dòng)量由高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)移； 熱

9、量傳輸是指熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉(zhuǎn)移； 質(zhì)量傳輸指物系中一個(gè)或幾個(gè)組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移； 由此可見，動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳輸之所以發(fā)生，是由于系統(tǒng)內(nèi)部存在速度、溫度和濃度梯度的緣故。 通常將通量等于擴(kuò)散系數(shù)乘以濃度梯度的方程稱為現(xiàn)象方程，它是一種關(guān)聯(lián)所觀察現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)方程。 動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸是一門探討速率過程的科學(xué)。將這三種傳輸現(xiàn)象歸結(jié)為速率過程問題加以綜合探討，具有一個(gè)鮮明的持色，這就是在速率這個(gè)概念上三種傳翰現(xiàn)象之間存在著許多相似性。BUAA動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳輸?shù)念愃菩詣?dòng)量、熱量與質(zhì)量傳輸?shù)念愃菩?動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳輸是一種探討速率的科學(xué)，三者之間具有許多類似之處，它們不但可以用

10、類似的數(shù)學(xué)模型描述，而且描述三者的一些物理量之間還存在著某些定量關(guān)系。這些類似關(guān)系和定量關(guān)系會(huì)使研究三類傳輸過程規(guī)律的問題得以簡(jiǎn)化。 當(dāng)系統(tǒng)中存在著速度、溫度和濃度梯度時(shí)，則分別發(fā)生動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳輸過程。動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞，既可由分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起的分子擴(kuò)散傳遞，也可以是由旋渦混合造成的流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)引起的湍流傳遞。BUAA 冶金熔液或氣體等流體的粘性、熱傳導(dǎo)性和質(zhì)量擴(kuò)散性，統(tǒng)稱為流體的分子傳遞(傳輸)性質(zhì)。因?yàn)閺奈⒂^上來考察，這些性質(zhì)分別是非均勻流場(chǎng)中分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)在同一過程所引起的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸?shù)慕Y(jié)果。當(dāng)流場(chǎng)中速度分布不均勻時(shí)，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生切應(yīng)力；而溫度分布不均勻

11、時(shí)，分于傳遞的結(jié)果產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；在多組分的混合流體中，如果某種組分的濃度分布不均勻，分子傳遞的結(jié)果便引起該組分的質(zhì)量擴(kuò)散。表示上述三種分子傳輸性質(zhì)的數(shù)學(xué)關(guān)系分別為牛頓粘性定律、博里葉定律和菲克定律。 BUAA牛頓粘性定律：牛頓粘性定律： 兩個(gè)作直線運(yùn)動(dòng)的流體層之間的切應(yīng)力正比于垂直于運(yùn)動(dòng)方向的速度變化率。即：dydv dyvddyvd）（）（對(duì)于均質(zhì)不可壓縮流體，上式可改寫為：BUAA傅里葉導(dǎo)熱定律：傅里葉導(dǎo)熱定律： 在均勻的各向同性材料內(nèi)的一維溫度場(chǎng)中，通過導(dǎo)熱方式傳遞的熱流密度為：dydTq對(duì)于恒定cp的流體，上式可改寫為：dyTcddyTcdcqppp)()(稱為導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)率，稱為導(dǎo)溫

12、系數(shù)火熱擴(kuò)散系數(shù)BUAA菲克定律：菲克定律： 在混合物中若各組分存在濃度梯度時(shí)，則發(fā)生分子擴(kuò)散。對(duì)于兩組分系統(tǒng)通過分子擴(kuò)散傳遞的組分A的質(zhì)量通量密度為dydDjAABABUAA三種傳輸現(xiàn)象的類比：三種傳輸現(xiàn)象的類比： 由牛頓枯性定律、傅里葉定律和菲克定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸過程的規(guī)律存在著許多類似性，可得到如下幾點(diǎn)結(jié)論： (1)動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸通量，均等于各自量的擴(kuò)散系數(shù)與各自量的濃度梯度乘積的負(fù)值，三種分子傳遞過程可用一個(gè)通式來表達(dá)，即 (通量)=-(擴(kuò)散系數(shù))x(濃度梯度) (2)動(dòng)量、熱量和質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)、DAB具有相同的因次其單位均為m2s (3)通量為單位時(shí)間

13、內(nèi)通過與傳遞方向相垂直的單位面積上的動(dòng)量、熱量或質(zhì)量，各量的傳遞方向均與該量的濃度梯度方向相反，故通量的通式中有一“負(fù)”號(hào)。BUAA傳輸過程的研究方法傳輸過程的研究方法 傳輸現(xiàn)象包含了流體力學(xué)、傳熱學(xué)及傳質(zhì)學(xué)的內(nèi)容，因此傳輸過程是物理過程。它的研究方法和物理學(xué)中其它領(lǐng)域的研究方法一樣，有理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三種方法。它們彼此取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互促進(jìn)，從而使學(xué)科得到不斷發(fā)展。BUAA 一、理論研究方法一、理論研究方法 傳輸理論是以物理學(xué)的3個(gè)基本定律(質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律和熱力學(xué)第一定律)為依據(jù)的。這3個(gè)定律對(duì)體系而言的數(shù)學(xué)公式早以為大家所熟知。 傳輸理論應(yīng)用這3個(gè)定律從宏觀上研究傳輸問

14、題，其分析方法的核心是微元平衡法，而整體平衡法只是微元平衡法的積分形式。前一種方法得到的是微分方程，其解是在具體條件下的速度分布、溫度分布和濃度分布；后一種方法得到的是積分方程，其解是在具體條件下的體系進(jìn)口與出口各物理量之間的關(guān)系。 BUAA理論研究方法一般可分為下述三個(gè)階段： (1)確定簡(jiǎn)化的物理模型 這是理論研究方法最關(guān)鍵也是最困難的一步，它要求人們對(duì)所研究的對(duì)象必須有深刻的了解。通?？梢砸揽繉?shí)驗(yàn)、觀察，對(duì)被研究的對(duì)象進(jìn)行具體分析，分析哪些是主要因素，哪些是次要因素，然后抓住主要因素忽略次要因素進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和近似，從而提出一個(gè)簡(jiǎn)化的物理模型。 (2)建立數(shù)學(xué)模型 針對(duì)上述物理模型，根據(jù)物

15、理上已經(jīng)總結(jié)出來的普遍定律(例如牛頓定律，熱力學(xué)定律等)建立普遍方程。普遍方程是對(duì)一大類問題的一般描述，它沒有涉及過程的具體特點(diǎn)。為了唯一地確定所研究的某一過程，必須列出相應(yīng)的定解條件，它包括初始條件和邊界條件。數(shù)學(xué)模型建立后，實(shí)際上已將一個(gè)物理問題變成了數(shù)學(xué)問題。 (3)數(shù)學(xué)求解 利用各種數(shù)學(xué)工具準(zhǔn)確地或近似地解出上述數(shù)學(xué)問題，并將結(jié)果和實(shí)驗(yàn)或觀察資料進(jìn)行比較，確定解的準(zhǔn)確程度以及適用范圍。BUAA 二、實(shí)驗(yàn)研究方法二、實(shí)驗(yàn)研究方法 實(shí)驗(yàn)研究方法在傳輸過程中有著廣泛應(yīng)用，它是研究問題不可缺少的一個(gè)方面。簡(jiǎn)化物理模型的提出，需要實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)；計(jì)算結(jié)果的正確性、可靠性，需要實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)；當(dāng)所研究的

16、問題極其復(fù)雜數(shù)學(xué)模型不易建立，或雖有數(shù)學(xué)模型但因方程復(fù)雜或邊界條件復(fù)雜難于求解時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究或基于相似理論的模型實(shí)驗(yàn)研究就顯得特別重要。 實(shí)驗(yàn)研究方法的主要特點(diǎn)在于，實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谂c所研究的問題完全相同或大體相同的條件下進(jìn)行觀測(cè)。因此，通過實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果一般說來是可靠的。但是實(shí)驗(yàn)方法往往要受到模型尺寸的限制，以及邊界條件不能全部滿足等問題。BUAA 三、數(shù)值計(jì)算方法三、數(shù)值計(jì)算方法 傳輸方程是二階非線性偏微分方程組。當(dāng)研究對(duì)象是三維空間或邊界條件復(fù)雜時(shí)，普通的數(shù)學(xué)解析方法往往會(huì)無能為力。數(shù)值計(jì)算方法是在20世紀(jì)60年代蓬勃發(fā)展起來的。由于數(shù)學(xué)發(fā)展水平的局限，理論研究方法往往只能局限于比較簡(jiǎn)單的物理模型

17、。 生產(chǎn)技術(shù)的日益提高，又要求能研究更復(fù)雜更符合實(shí)際的過程。另外，高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，以及一系列有效的近似計(jì)算方法(有限差分法、有限元法等)的發(fā)展，使數(shù)值計(jì)算在傳遞過程研究方法中的作用和地位不斷提高，并已成為與理論研究和實(shí)驗(yàn)研究并列的具有同等重要意義的研究方法。 BUAA 數(shù)值計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠解決理論研究無法解決的復(fù)雜問題。和實(shí)驗(yàn)相比，所需的費(fèi)用和時(shí)間都比較少，而且有較高的精度。有些問題，例如加熱爐過程的解祈與自動(dòng)控制、可控?zé)岷司圩冎械母邷氐入x子流動(dòng)，以至星云演化過程等均無法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若采用數(shù)值計(jì)算法卻可以對(duì)它們進(jìn)行研究。 當(dāng)然，數(shù)值計(jì)算法也有局限性，所得結(jié)果也是離散的，以至不容易看出各個(gè)物理參數(shù)對(duì)解的影響。另外，它要求對(duì)問題的物理特性有足夠的了解，從而能