材料加工冶金傳輸原理課件(吳樹森)

材料加工冶金傳輸原理課程性質(zhì)

該課是材料加工冶金工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程。其特點(diǎn)是運(yùn)用到較多高等數(shù)學(xué)方面知識，課程難度較高，該課與冶金熱力學(xué)與動力學(xué)、金屬學(xué)共同構(gòu)成專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。緒論

一、什么是傳輸過程？

傳輸過程是動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸過程的總稱，簡稱“三傳”或者“傳遞現(xiàn)象”。是工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的物理現(xiàn)象。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(zhuǎn)移。熱量傳輸：熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉(zhuǎn)移。質(zhì)量傳輸：物系中一個(gè)或幾個(gè)組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移。“三傳”的聯(lián)系：動量、熱量、質(zhì)量三種傳輸過程有其內(nèi)在的聯(lián)系，三者之間有許多相似之處，在連續(xù)介質(zhì)中發(fā)生的“三傳”現(xiàn)象有共同的傳遞機(jī)理。在實(shí)際工程中，三種傳輸現(xiàn)象常常是同時(shí)發(fā)生的。傳輸過程的本質(zhì)：傳輸過程是物質(zhì)或能量從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉(zhuǎn)移的物理過程。是某物質(zhì)體系內(nèi)描述體系的物理量（如溫度、速度、組分濃度等）從不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程。平衡態(tài)概念——是指體系內(nèi)物理量不存在梯度。例如熱平衡是體系內(nèi)的溫度各處均勻一致。不平衡態(tài)概念——是體系內(nèi)物理量存在梯度，這時(shí)物系內(nèi)的物理量不均勻，就會發(fā)生物理量的傳輸。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遞速率大小與傳遞推動力及阻力之間的關(guān)系。

三、《材料加工傳輸原理》課程的主要任務(wù)：

學(xué)習(xí)研究金屬在熱態(tài)成形過程中經(jīng)常遇到的動量、熱量、質(zhì)量傳輸?shù)幕驹恚约敖Y(jié)合實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例。金屬加工成形的分類金屬加工成形的分類：

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。冷態(tài)成形——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（“三傳”現(xiàn)象廣泛存在）1.鑄造：液態(tài)(或固液態(tài))金屬——注入模具中——降溫、凝固。2.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、 加壓手段，而獲得一定的形狀的工藝方法。3.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 件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和連接方式。

4.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(dá)到調(diào)整材 質(zhì)（如基體組織發(fā)生變化，硬度發(fā)生變化），以及削除應(yīng)力。四.研究傳輸原理需要三門學(xué)科流體力學(xué)（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?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)；以及流體和固體界壁間有相對運(yùn)動時(shí)的相互作用和流動規(guī)律。

傳熱學(xué)（HeatTransfer

）：研究熱量傳輸

主要研究不同溫度的物體，或同一物體的不同部分之間熱量傳遞的規(guī)律。

傳質(zhì)學(xué)（MassTransfer

）：研究質(zhì)量傳輸 主要研究質(zhì)量傳遞的有關(guān)理論。五.熱態(tài)成形過程中傳輸現(xiàn)象以及研究動量、熱量、 質(zhì)量傳輸現(xiàn)象的意義熱態(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(yùn)動等）（3）.金屬件內(nèi)部之間、金屬件與周圍介質(zhì)之間熱量交換和物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhì)量傳輸現(xiàn)象的意義：以上的現(xiàn)象都屬于動量、熱量、質(zhì)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(zhì)量有很大影響。研究意義就在于此。動量、熱量、質(zhì)量傳輸（傳遞）過程的速率。

研究對象理論研究實(shí)驗(yàn)研究數(shù)值計(jì)算簡單問題復(fù)雜問題研究方法1、內(nèi)容深要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)。2、課上認(rèn)真聽講，跟上，不明白提問。3、課后復(fù)習(xí)、總結(jié)。4、多練習(xí)，多作習(xí)題。六：幾點(diǎn)說明動量、熱量與質(zhì)量傳輸?shù)念愃菩?.1牛頓粘性定律0.1牛頓粘性定律vv慢層快層V+dvvdvττ兩個(gè)作直線運(yùn)動的流體層之間的切應(yīng)力yτ的另一物理意義將τ的單位作如下變化0.1牛頓粘性定律當(dāng)τ作動量通量理解時(shí)，可以將式（0.1）改寫為“—”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。0.1牛頓粘性定律0.2傅立葉定律0.2傅里葉定律導(dǎo)熱示例圖x室內(nèi)室外墻在均勻的各向同性材料內(nèi)的一維溫度場中，通過導(dǎo)熱方式傳遞的熱流密度為“-”號表示熱量傳遞的方向（熱量通量）與溫度梯度方向相反。0.2傅里葉定律0.3費(fèi)克定律.0.3費(fèi)克定律鋼的表面滲碳對兩組分系統(tǒng)，通過分子擴(kuò)散傳遞的組分A的質(zhì)量通量密度為“—”號——質(zhì)量通量的方向與濃度梯度的方向相反，即組分A

朝著濃度降低的方向傳遞。0.4三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律(類比關(guān)系）

對比（0.2）、（0.4）、（0.5）式有：0.4三種傳輸現(xiàn)象的普遍規(guī)律（1)通量＝－擴(kuò)散系數(shù)×濃度梯度（各自量的濃度梯度）；(3)“－”號意義相同,即通量與濃度梯度方向相反。