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(jī)械工業(yè)出版社，2005關(guān)于本課程關(guān)于本課程其他參考教材：其他參考教材：蘇華欽主編，冶金傳輸原理，東南大學(xué)出版社，1989 沈頤身、李保衛(wèi)、吳懋林著，冶金傳輸原理基礎(chǔ)，2000 朱愛民，流體力學(xué)基礎(chǔ)，中國計(jì)量出版社，2004 趙鎮(zhèn)南主編，傳熱學(xué)，高等教育出版社，2002 J.R.威爾特等編著、馬紫峰、吳衛(wèi)生等譯，動(dòng)量、 熱量和質(zhì)量傳遞原理課程性質(zhì)課程性質(zhì) 該課是材料工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課是材料工程類專業(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(shí)，其特點(diǎn)是運(yùn)用到較多高等數(shù)學(xué)方面知識(shí)

2、，課程難度較高，該課與冶金熱力學(xué)與動(dòng)力課程難度較高，該課與冶金熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、金屬學(xué)共同構(gòu)成專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。學(xué)、金屬學(xué)共同構(gòu)成專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。序號(hào)知識(shí)點(diǎn)課內(nèi)講授教學(xué)各環(huán)節(jié)備注實(shí)驗(yàn)上機(jī)設(shè)計(jì)1第一章緒論22第二章流體的性質(zhì)23第三章流體動(dòng)力學(xué)64第四章層流運(yùn)動(dòng)及湍流運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)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(zhì)量傳輸基本概念和傳質(zhì)微分方程414第十四章分子傳質(zhì)415第十五章對流傳質(zhì)2合計(jì)48一、什么是傳輸過程？一、什么是傳

3、輸過程？ 傳輸過程是傳輸過程是 動(dòng)量傳輸動(dòng)量傳輸、熱量傳輸熱量傳輸、質(zhì)量傳輸質(zhì)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。是工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的物理現(xiàn)象。工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的物理現(xiàn)象。緒論 v動(dòng)量傳輸動(dòng)量傳輸：垂直于流體流動(dòng)的方向上，動(dòng)量由高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。v質(zhì)量傳輸質(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。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(jìn)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(zhì)傳遞或者熱量傳遞等物理

4、過程。例如：鋼鐵冶金過程中的高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、鐵水脫硫都是一個(gè)高溫化學(xué)反應(yīng)過程。如何實(shí)現(xiàn)高溫？如何實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)？此外，傳輸現(xiàn)象還存在于制冷工程、機(jī)械工程、生物化學(xué)工程及環(huán)境工程等領(lǐng)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(kuò)散熱處理過程中組分的擴(kuò)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(zhì)合金焊接及焊接過程熱傳導(dǎo)異質(zhì)合金焊接及焊接過程熱傳導(dǎo)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(dòng)量、熱量、質(zhì)量三種傳輸過程有其內(nèi)在的聯(lián)系，

5、動(dòng)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)生三者之間有許多相似之處，在連續(xù)介質(zhì)中發(fā)生的的 “三傳三傳” 現(xiàn)象有共同的傳遞機(jī)理。在實(shí)際工現(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。程中，三種傳輸現(xiàn)象常常是同時(shí)發(fā)生的。為什么把為什么把“三傳三傳”放在一起作為一個(gè)整體：放在一起作為一個(gè)整體： “三傳”具有共同的物理本質(zhì)：都是物理過程。 “三傳”具有類似的表述方程和定律。 在實(shí)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(shí)存在，又相互影響，是一個(gè)有機(jī)的整體。傳輸過程的本質(zhì)：傳輸過程的本質(zhì)： 傳輸過程是傳輸過程是物質(zhì)物質(zhì)或或能

6、量能量從非平衡態(tài)到平衡從非平衡態(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。狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程。平衡態(tài)概念平衡態(tài)概念是指體系內(nèi)物理量不存在梯度。例如是指體系內(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。熱平衡是體系內(nèi)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(nèi)物理量存在梯度，這時(shí)物是體系內(nèi)物理量存在梯度，這時(shí)物系內(nèi)的物理量不均勻，就會(huì)發(fā)生物理量的傳輸。系內(nèi)的物理量不均勻，就會(huì)發(fā)生物理量的傳輸。 二、傳輸原理主要研究

7、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(dòng)力及阻力傳遞推動(dòng)力及阻力之間的關(guān)系。之間的關(guān)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(wù)：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(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸?shù)幕驹?，以及結(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、沖壓、拔絲。金屬在常溫

8、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 件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加

9、工工藝和連接方式。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：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。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。 金屬加工成形的分類 流體力學(xué)流體力學(xué)（Hydrodynamics）研究動(dòng)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(dòng)狀態(tài)；以及流體和固體界壁間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)規(guī)律。 傳熱學(xué)傳熱學(xué)（Heat Transfer）：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

10、部分之間熱量傳遞的規(guī)律。 傳質(zhì)學(xué)傳質(zhì)學(xué)（Mass Transfer）：研究質(zhì)量傳輸主要研究質(zhì)量傳遞的有關(guān)理論。四.研究傳輸原理需要三門學(xué)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(dòng)（鑄液填充型腔）（2）.氣體的流動(dòng)（砂型氣體溢出，爐加熱，爐氣運(yùn)動(dòng)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(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸現(xiàn)象的意義：研究動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸現(xiàn)象的意義：以上的現(xiàn)象都屬于動(dòng)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。五

11、.熱態(tài)成形過程中傳輸現(xiàn)象以及研究動(dòng)量、熱量、 質(zhì)量傳輸現(xiàn)象的意義動(dòng)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)。、內(nèi)容深要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)。2、課上認(rèn)真聽講。、課上認(rèn)真聽講。3、課后、課后 復(fù)習(xí)、總結(jié)。復(fù)習(xí)、總結(jié)。4、多練習(xí)，多作習(xí)題。、多練習(xí)，多作習(xí)題。六：幾點(diǎn)說明六：幾點(diǎn)說明動(dòng)量、熱量與質(zhì)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(gè)作直線運(yùn)動(dòng)的流體層之間的切應(yīng)力兩個(gè)作直線運(yùn)動(dòng)的流體層之間的切應(yīng)力)1.0(-dydv);ap切應(yīng)

12、力（式中， ).spa動(dòng)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(dòng)量，即動(dòng)量通量。單位時(shí)間通過單位面積smsmkgsmssmkgmNpa22220.1 0.1 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 當(dāng)當(dāng)作動(dòng)量通量理解時(shí)，可以將式（作動(dòng)量通量理解時(shí)，可以將式（0-1）改寫為改寫為常量）(）2-0（)()(dyvddyvddydv;單位,動(dòng)量濃度梯度)(式中3mmsmkgdyvd.2sm，稱運(yùn)動(dòng)粘度，單位即 “”號(hào)表示動(dòng)量通量的方向與速度梯度的方向相反，即動(dòng)量號(hào)表示動(dòng)量通量的方向與速度梯度的方向相反，即動(dòng)量朝速度降低的方向傳遞。朝速度降低的方向傳

13、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(dǎo)熱示例圖導(dǎo)熱示例圖xT室內(nèi)室內(nèi)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(nèi)的一維溫度場中，內(nèi)的一維溫度場中，通通過導(dǎo)過導(dǎo)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(dǎo)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(kuò)散率（即式中，);)(3mmJdyTCdp熱量濃度變化率（

14、 “- -”號(hào)表示熱量傳遞的方向（熱量通量）與溫度梯度方向相號(hào)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(fèi)克定律費(fèi)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(kuò)散對兩組分系統(tǒng)，通過分子擴(kuò)散傳遞的組分傳遞的組分A A的質(zhì)量通量密度為的質(zhì)量通量密度為)5 . 0(dydDjAABA）；質(zhì)量通量密度（式中，smkgJA2；中的）擴(kuò)散系數(shù)在組分組分)(2SmBADAB);3mmkgAdydA的濃度梯度（組分 “”號(hào)號(hào)質(zhì)量通量的方向與濃度梯度的方向相反，即組分質(zhì)量通量的方向與濃度梯度的方向相反，即

15、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(guān)系）類比關(guān)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(kuò)散系數(shù)通量擴(kuò)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(gè)擴(kuò)散系數(shù)具有相同、(3)(3)“” 號(hào)意義相同號(hào)意義相同, ,即通量與濃度梯度方向相反。

16、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(gè)基本定律形式相宏觀上：可用同一類型的方程描述。三個(gè)基本定律形式相同。同。 微觀上：本質(zhì)上都是分子、原子等運(yùn)動(dòng)及微團(tuán)的脈動(dòng)?？捎妙愃频奈⒂^上：本質(zhì)上都是分子、原子等運(yùn)動(dòng)及微團(tuán)的脈動(dòng)。可用類似的 機(jī)理闡述。機(jī)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(dòng)量、熱量、質(zhì)量動(dòng)量、熱量、質(zhì)量l動(dòng)量傳輸：在垂直于實(shí)際流體流動(dòng)方向上，動(dòng)量從高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)移；l熱量傳輸：熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉(zhuǎn)移；l質(zhì)量傳輸：物質(zhì)體系中一個(gè)或幾個(gè)組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移；l牛頓粘性定律(Newtons law of viscosity)：動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸?shù)南嗨菩詃vdvddyydvdy l傅里葉定律（Fouriers law）:pppdCdC TdTd