材料加工冶金传输原理课件-绪论

1、材料加工冶金传材料加工冶金传输原理输原理 张 腾 课程简介：本课程为考试课程教材：材料加工冶金传输原理，吴树森，机械工业出版社，2005关于本课程关于本课程其他参考教材：其他参考教材：苏华钦主编，冶金传输原理，东南大学出版社，1989 沈颐身、李保卫、吴懋林著，冶金传输原理基础，2000 朱爱民，流体力学基础，中国计量出版社，2004 赵镇南主编，传热学，高等教育出版社，2002 J.R.威尔特等编著、马紫峰、吴卫生等译，动量、 热量和质量传递原理课程性质课程性质 该课是材料工程类专业基础课程。该课是材料工程类专业基础课程。其特点是运用到较多高等数学方面知识，其特点是运用到较多高等数学方面知识

2、，课程难度较高，该课与冶金热力学与动力课程难度较高，该课与冶金热力学与动力学、金属学共同构成专业基础核心课程。学、金属学共同构成专业基础核心课程。序号知识点课内讲授教学各环节备注实验上机设计1第一章绪论22第二章流体的性质23第三章流体动力学64第四章层流运动及湍流运动45第五章边界层理论26第六章材料加工中的特殊流体流动27第七章相似理论与量纲分析28第八章热量传输的基本概念29第九章导热610第十章对流换热411第十一章辐射换热412第十二章材料加工中的热量传输213第十三章质量传输基本概念和传质微分方程414第十四章分子传质415第十五章对流传质2合计48一、什么是传输过程？一、什么是传

3、输过程？ 传输过程是传输过程是 动量传输动量传输、热量传输热量传输、质量传输质量传输过程的总称，简称过程的总称，简称 “三传三传” 或者或者 “传递现象传递现象”。是。是工程技术领域中普遍存在的物理现象。工程技术领域中普遍存在的物理现象。绪论 v动量传输动量传输：垂直于流体流动的方向上，动量由高速度区向低速度区的转移。v热量传输热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移。v质量传输质量传输：物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。传输现象：传输现象：普遍存在于金属热态成形过程与冶金过程，这些过程都是在高温下进行、并且常有气、液、固等多相参与，过程中必然伴随着各种物质传递或者热量传递等物理

4、过程。例如：钢铁冶金过程中的高炉炼铁、转炉炼钢、铁水脱硫都是一个高温化学反应过程。如何实现高温？如何实现化学反应？此外，传输现象还存在于制冷工程、机械工程、生物化学工程及环境工程等领域。 合金熔炼过程中组分的混合合金熔炼过程中组分的混合 冲天炉熔炼中焦炭的燃烧冲天炉熔炼中焦炭的燃烧 热处理过程中组分的扩散热处理过程中组分的扩散合金液充型过程散热、铸件的冷却及组分的再分配合金液充型过程散热、铸件的冷却及组分的再分配 异质合金焊接及焊接过程热传导异质合金焊接及焊接过程热传导材料加工过程中的传输现象：材料加工过程中的传输现象：“三传三传”的联系：的联系： 动量、热量、质量三种传输过程有其内在的联系，

5、动量、热量、质量三种传输过程有其内在的联系，三者之间有许多相似之处，在连续介质中发生三者之间有许多相似之处，在连续介质中发生的的 “三传三传” 现象有共同的传递机理。在实际工现象有共同的传递机理。在实际工程中，三种传输现象常常是同时发生的。程中，三种传输现象常常是同时发生的。为什么把为什么把“三传三传”放在一起作为一个整体：放在一起作为一个整体： “三传”具有共同的物理本质：都是物理过程。 “三传”具有类似的表述方程和定律。 在实际金属热态成形过程中往往包括有两种或两种以上传输现象，它们同时存在，又相互影响，是一个有机的整体。传输过程的本质：传输过程的本质： 传输过程是传输过程是物质物质或或能

6、量能量从非平衡态到平衡从非平衡态到平衡态转移的物理过程。是某物质体系内描述体系的态转移的物理过程。是某物质体系内描述体系的物理量（如温度、速度、组分浓度等）从不平衡物理量（如温度、速度、组分浓度等）从不平衡状态向平衡状态转移的过程。状态向平衡状态转移的过程。平衡态概念平衡态概念是指体系内物理量不存在梯度。例如是指体系内物理量不存在梯度。例如热平衡是体系内的温度各处均匀一致。热平衡是体系内的温度各处均匀一致。不平衡态概念不平衡态概念是体系内物理量存在梯度，这时物是体系内物理量存在梯度，这时物系内的物理量不均匀，就会发生物理量的传输。系内的物理量不均匀，就会发生物理量的传输。 二、传输原理主要研究

7、什么？二、传输原理主要研究什么？ 传输原理主要研究传输过程的传输原理主要研究传输过程的传递速率大小传递速率大小与与传递推动力及阻力传递推动力及阻力之间的关系。之间的关系。 三、三、材料加工冶金传输原理材料加工冶金传输原理课程课程的主要任务：的主要任务：学习研究金属在热态成形过程中经常遇到的动量、热量、质量传输的基本原理，以及结合实际的应用实例。金属加工成形的分类：金属加工成形的分类：热态成形热态成形金属的成形过程，是在较高温度状态下，通过高温手段，使金属成形。金属的成形过程，是在较高温度状态下，通过高温手段，使金属成形。冷态成形冷态成形金属在常温下，使金属成形。如：切削、冲压、拔丝。金属在常温

8、下，使金属成形。如：切削、冲压、拔丝。金属热态成形的四种工艺金属热态成形的四种工艺 （ “三传三传” 现象广泛存在）现象广泛存在）1. 铸造：铸造：液态液态(或固液态或固液态)金属金属注入模具中注入模具中降温、凝固。降温、凝固。2. 锻压：锻压：金属加热至塑性变形抗力小、但是仍然为固体的状态，采用锻打、金属加热至塑性变形抗力小、但是仍然为固体的状态，采用锻打、 加压手段，而获得一定的形状的工艺方法。加压手段，而获得一定的形状的工艺方法。3. 焊接：焊接：焊接是通过加热、加压，或两者并用，用或者不用填充材料，使两工焊接是通过加热、加压，或两者并用，用或者不用填充材料，使两工 件产生原子间结合的加

9、工工艺和连接方式。件产生原子间结合的加工工艺和连接方式。4. 热处理：热处理：热处理就是将工件通过热处理（高温加热，冷却速度不同）达到调整材热处理就是将工件通过热处理（高温加热，冷却速度不同）达到调整材 质（如基体组织发生变化，硬度发生变化），以及削除应力。质（如基体组织发生变化，硬度发生变化），以及削除应力。 金属加工成形的分类 流体力学流体力学（Hydrodynamics）研究动量传输主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态；以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。 传热学传热学（Heat Transfer）：研究热量传输主要研究不同温度的物体，或同一物体的不同

10、部分之间热量传递的规律。 传质学传质学（Mass Transfer）：研究质量传输主要研究质量传递的有关理论。四.研究传输原理需要三门学科热态成形过程中的传输现象举例：热态成形过程中的传输现象举例：（1）.金属液体的流动（铸液填充型腔）（2）.气体的流动（砂型气体溢出，炉加热，炉气运动等）（3）.金属件内部之间、金属件与周围介质之间热量交换和物质转移现象（加热过程，热交换，渗炭，渗氮，元素再分布）研究动量、热量、质量传输现象的意义：研究动量、热量、质量传输现象的意义：以上的现象都属于动量、热量、质量传输现象。不同的传输情况对金属热态成形过程和最后得到的金属件质量有很大影响。研究意义就在于此。五

11、.热态成形过程中传输现象以及研究动量、热量、 质量传输现象的意义动量、热量、质量传输（传递）过程的速率。 研究对象理论研究实验研究数值计算简单问题复杂问题研究方法1、内容深要求学生课前预习。、内容深要求学生课前预习。2、课上认真听讲。、课上认真听讲。3、课后、课后 复习、总结。复习、总结。4、多练习，多作习题。、多练习，多作习题。六：几点说明六：几点说明动量、热量与质量传输的类似性0.1 0.1 牛顿粘性定律牛顿粘性定律0.1 0.1 牛顿粘性定律牛顿粘性定律vv慢层慢层快层快层V+dvvdv 两个作直线运动的流体层之间的切应力两个作直线运动的流体层之间的切应力)1.0(-dydv);ap切应

12、力（式中， ).spa动力粘度（);msmdydv速度梯度（y的另一物理意义的另一物理意义将将的单位作如下变化的单位作如下变化的动量，即动量通量。单位时间通过单位面积smsmkgsmssmkgmNpa22220.1 0.1 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 当当作动量通量理解时，可以将式（作动量通量理解时，可以将式（0-1）改写为改写为常量）(）2-0（)()(dyvddyvddydv;单位,动量浓度梯度)(式中3mmsmkgdyvd.2sm，称运动粘度，单位即 “”号表示动量通量的方向与速度梯度的方向相反，即动量号表示动量通量的方向与速度梯度的方向相反，即动量朝速度降低的方向传递。朝速度降低的方向传

13、递。0.1 0.1 牛顿粘性定律牛顿粘性定律0.2 0.2 傅立叶定律傅立叶定律 0.2 0.2 傅里叶定律傅里叶定律导热示例图导热示例图xT室内室内室外室外墙墙1T2T 在均匀的各向同性材料在均匀的各向同性材料内的一维温度场中，内的一维温度场中，通通过导过导热方式传递的热流密度为热方式传递的热流密度为)3-0(dydTq);22smJmWq或热流密度、热流通量（;(）比例系数、热导率式中，mW).mKdydT温度梯度（)(KkgJCp及比定压热容对恒定的）4-0（)()(dyTCdadyTCdCdydTqppp);2smCap，称热扩散率（即式中，);)(3mmJdyTCdp热量浓度变化率（

14、 “- -”号表示热量传递的方向（热量通量）与温度梯度方向相号表示热量传递的方向（热量通量）与温度梯度方向相反。反。0.2 0.2 傅里叶定律傅里叶定律0.3 0.3 菲克定律菲克定律.0.3 0.3 费克定律费克定律钢的表面渗碳钢的表面渗碳 对两组分系统，通过分子扩散对两组分系统，通过分子扩散传递的组分传递的组分A A的质量通量密度为的质量通量密度为)5 . 0(dydDjAABA）；质量通量密度（式中，smkgJA2；中的）扩散系数在组分组分)(2SmBADAB);3mmkgAdydA的浓度梯度（组分 “”号号质量通量的方向与浓度梯度的方向相反，即组分质量通量的方向与浓度梯度的方向相反，即

15、组分A A 朝着浓度降低的方向传递。朝着浓度降低的方向传递。0.4 0.4 三种传输现象的普遍规律三种传输现象的普遍规律( (类比关系）类比关系） 对比（对比（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 三种传输现象的普遍规律三种传输现象的普遍规律（1)1)通量扩散系数通量扩散系数浓度梯度（各自量的浓度梯度）；浓度梯度（各自量的浓度梯度）；;)2(2smDAB的因次：三个扩散系数具有相同、(3)(3)“” 号意义相同号意义相同, ,即通量与浓度梯度方向相反。

16、即通量与浓度梯度方向相反。表面上：是三种完全不同的现象。表面上：是三种完全不同的现象。 宏观上：可用同一类型的方程描述。三个基本定律形式相宏观上：可用同一类型的方程描述。三个基本定律形式相同。同。 微观上：本质上都是分子、原子等运动及微团的脉动。可用类似的微观上：本质上都是分子、原子等运动及微团的脉动。可用类似的 机理阐述。机理阐述。 0.4 0.4 三种传输现象的普遍规律三种传输现象的普遍规律本课程涉及到的物理量：本课程涉及到的物理量：动量、热量、质量动量、热量、质量l动量传输：在垂直于实际流体流动方向上，动量从高速度区向低速度区的转移；l热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移；l质量传输：物质体系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移；l牛顿粘性定律(Newtons law of viscosity)：动量、热量、质量传输的相似性dvdvddyydvdy l傅里叶定律（Fouriers law）:pppdCdC TdTd