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1、材料成型传输原理Xian Jiaotong University西安交通大学材料学院李梅娥参 考 书 目 Transport Phenomena in Metallurgy, G.H.Geiger, D.R.Poirier, Addison-Wesley Publishing Company,1973. 冶 金 中 的 传 热 传 质 现 象 俞 量 禄 ， 魏 季 合 译 冶 金 工 业 出 版 社 。 动 量 、 热 量 和 质 量 传 递 原 理 ， JR 威 尔 特 ， CE 威 克 斯 ， RE 威 尔 逊 ，GL 罗 勒 编 著 ， 化 学 工 业 出 版 社 。 材 料 科 学
2、与 工 程 中 的 传 输 原 理 ， 李 日 ， 冶 金 工 业 出 版 社 。 金 属 热 态 成 型 传 输 原 理 林 伯 年 哈 工 大 出 版 社 。 材 料 加 工 冶 金 传 输 原 理 吴 树 森 机 械 工 业 出 版 社 。 冶 金 传 输 原 理 苏 华 钦 东 南 大 学 出 版 社 。1.传 输 现 象 的 重 要 性 许 多 材 料 成 型 及 制 备 过 程 都 是 在 高 温 下 进 行 的 ， 在 进 行 物理 化 学 反 应 的 同 时 ， 必 然 伴 随 着 热 量 传 递 及 物 质 传 递 。 在 大 多数 情 况 下 ， 还 存 在 物 质 的 流
3、 动 ， 因 此 ， 热 量 传 输 、 质 量 传 输 和动 量 传 输 一 起 构 成 了 材 料 成 型 与 制 备 中 三 个 重 要 的 物 理 过 程 ，三 者 具 有 类 似 的 机 理 ， 也 有 相 互 关 联 和 相 互 作 用 。 在 材 料 科 学与 工 程 中 大 量 的 研 究 工 作 就 是 针 对 如 何 控 制 体 系 内 的 流 动 和 传热 传 质 条 件 从 而 达 到 控 制 材 料 组 织 和 性 能 的 目 的 。绪 论 砂 型 铸 造 系 统浇 口 杯 冒 口直 浇 道横 浇 道砂 箱铸 型 铸 件 型 腔砂 芯 上 型下 型分 型 线 铸 件
4、的 最 终 质 量 与 充 型 及 凝 固 过 程 中 的 传 热 、 传 质 及 金 属 液流 动 密 切 相 关 ， 宏 观 上 如 卷 气 、 夹 渣 、 缩 孔 缩 松 等 ， 微 观 上 如 显微 缩 松 、 晶 内 偏 析 等 都 与 三 种 传 输 过 程 有 关 。 铸 造 充 型 系 统定 向 凝 固 柱 状 晶 生 长 过 程Czochralski法制 备 单 晶仔 晶仔 晶 提 拉 方 向拉 杆 拉 杆 旋 转 方 向固 液 界 面 单 晶 体熔 体 加 热 线 圈石 英 坩 埚 坩 埚 旋 转 方 向 加 热 器 使 熔 体 的 温 度 保 持 在 材 料 的 熔 点
5、以 上 ， 固 液 界 面 处 温度 恰 好 是 材 料 的 熔 点 。 随 着 拉 杆 的 缓 缓 拉 伸 ， 熔 体 不 断 在 固 液 界面 处 结 晶 ， 并 保 持 了 仔 晶 的 结 晶 学 取 向 。 为 了 保 持 熔 体 的 均 匀 和固 液 界 面 处 温 度 的 稳 定 ， 仔 晶 和 坩 埚 沿 相 反 方 向 旋 转 。 在 该 工 艺过 程 中 ， 正 是 通 过 流 动 与 传 热 来 精 确 控 制 单 晶 炉 内 的 温 度 分 布 ，以 保 证 单 晶 体 的 生 长 。 焊 接 熔 池 凝 固 及 焊 缝 的 形 成熔 池 体 积 小 、 冷 却 速 度
6、快 ；电 弧 吹 力 、 电 磁 力 、 密 度 差 等 导 致 对 流 强 烈 ；母 材 与 熔 化 的 焊 丝 金 属 发 生 复 杂 的 化 学 冶 金 反 应 。 动 量 传 输 速 度 分 布 热 量 传 输 （ 传 导 、 对 流 、 辐 射 ） 温 度 分 布 质 量 传 输 （ 对 流 、 扩 散 ） 浓 度 分 布2. 课 程 内 容l 三 者 具 有 相 似 性 y Tq k y AAx A Cj D x Newton， s lawFourier， s lawFick， s law xyx Vy xyx Vy py C Tq y AAx A Cj D x 动 量 密 度 ，
7、动 量 /cm3能 量 密 度 ，能 量 /cm3物 质 密 度 ，mol/cm3动 量 速 度能 量 由 温 度 高 的 地 方 向 低 的 地 方 传 递 。 物 质 浓 度 ， ， DA具 有 相 同 的 量 纲 cm2/s(L2/T)， 所 以 三 者 在 本 质 上 是 相 似的 。 pkC 3.课 程 特 点l 三 种 现 象 在 材 料 成 型 中 常 常 同 时 发 生 如 金 属 凝 固 时 ， 要 使 凝 固 界 面 向 前 推 进 ， 必 须 ：1) 液 体 中 过 热 及 凝 固 潜 热 传 出 ， 界 面 处 有 一 定 过 冷 ；3) 上 述 过 程 是 在 流 动
8、 中 进 行 的 (温 度 、 浓 度 分 布 不 均 导 致 的 自然 对 流 或 外 加 力 量 的 强 迫 对 流 )， 而 对 流 又 会 引 起 温 度 、 浓 度 分布 的 变 化 。2) 因 液 相 与 固 相 成 分 不 同 ， 故 界 面 前 液 相 中 溶 质 要 再 行 分 配 ；l 定 量 研 究 各 种 材 料 成 形 及 制 备 方 法 的 理 论 基 础 ；l 其 他 相 关 领 域 定 量 研 究 的 基 础 ， CFD， NHT等 等 。l 传 输 现 象 这 门 学 科 和 热 力 学 、 力 学 一 起 列 为 “ 基 础 工 程 学科 ” ， 在 科 学
9、 及 工 程 领 域 起 着 重 要 作 用 。应 用 领 域 材 料化 工动 力 工 程冶 金4. 课 程 应 用1. 牛 顿 粘 性 定 律1.1 流 体 的 流 动 形 式1.2 牛 顿 流 体1.4 非 牛 顿 流 体1.3 流 体 的 粘 性1.1 流 体 的 流 动 形 式雷 诺 实 验1883年紊 流 状 态 下流 体 质 点 存在 随 机 运 动热 线 测 速 仪 测 量 流 体 速 度紊 流 状 态 下 物 理 量 随 时 间 存 在 不 规 则 的 随 机 脉 动u层 流 ： 流 体 的 流 动 像 是 无 限 薄 流 层 相 对 于 邻 近 层 作 滑 动 。 并 且流
10、体 质 点 按 一 定 的 路 径 或 流 线 运 动 。u紊 流 ： 流 体 质 点 的 运 动 是 不 规 则 的 ， 并 且 伴 随 有 速 度 的 波 动 。 特 点 ： (1) 质 点 的 运 动 路 径 不 稳 定 ； (2) 流 体 中 某 一 空 间 点 的 速 度 在 某 一 平 均 值 上 下 不 规 则 波 动 。 该 平 均 速 度 叫 瞬 时 平 均 速 度 。层 流 紊 流分 层 流 动 ， 各 部 分互 不 掺 混 各 部 分 激 烈 掺 混质 点 轨 迹 光 滑 质 点 轨 迹 杂 乱 无 章流 动 稳 定 流 动 极 不 稳 定临 界 雷 诺 数 与 实 验
11、外 部 条 件 有 关 ， 该 值 随 体 系 不 同 而 变 化 ；也 会 随 其 它 因 素 如 表 面 粗 糙 度 和 流 体 的 起 始 扰 动 程 度 而 变 化 。Re VD ： 流 体 平 均 速 度 ； ： 运 动 粘 度 ；： 管 道 直 径VD决 定 流 动 状 态 的 判 据工 程 管 流 Re 2100cr Re 4000cr 1.2 牛 顿 流 体两 平 行 板 间 有 一 种 流 体 ， 下 板 不 动 ， 上 板 在 t=0时 ， 以 速 度 U开始 运 动 ， 经 过 足 够 长 时 间 后 达 到 稳 定 状 态 。 平 板 上 施 加 的 力 为F,平 板
12、面 积 为 A， 则 切 应 力F U UA Y Y yx dudy 反 应 流 动 的 内 在 阻 力动 量 传 递 方 向 流 速 方 向（ 应 力 方 向 ） yx uy 牛 顿 粘 性 定 律粘 性 切 应 力 与 速 度 梯 度 成 正 比 ， 而 不 由 速 度 决 定 。从 变 形 角 度 看 ， 若 为 固 体 材 料 ， 受 剪 应 力 时 ， 变 形 到 一 定程 度 后 就 稳 定 了 ， 在 弹 性 范 围 内 符 合 胡 克 定 律 ：yxd=G dyxyx （ G为 剪 切 模 量 ）在 流 体 中 ， 剪 应 力 引 起 流 动 ，即 变 形 是 不 断 持 续
13、的 。d= duyx y 剪 切 速 率剪 应 变 率dx dy d d ddu t ty ddt 粘 性 切 应 力 与 剪 应 变 率 成 正 比 ， 而 不 由 剪 应 变 量 决 定 。与 固 体 本 构 的 比 较 的 双 重 意 义yx d d1 1d d d d dx x x yxmV mV Ft A A t A 剪 应 力 由 应 力 角 度 看 ， 由 于 速 度 差 异 ， 粘 性 流 体 中 受 到 剪 应 力 。应 力 符 号 为 正 应 力 符 号 为 负 动 量 流 率 由 动 量 传 输 角 度 看 ， 流 体 各 层 间 存 在 速 度 差 异 ， 由 于 分子
14、 间 的 作 用 力 ， 高 速 层 会 带 动 低 速 层 分 子 ， 相 当 于 动 量 从 高速 向 低 速 方 向 传 递 。 既 然 有 动 量 传 递 ， 就 有 动 量 流 率 （ 即 动量 通 量 ） 的 概 念 （ 单 位 时 间 通 过 单 位 面 积 的 动 量 ）1.3 流 体 的 粘 性粘 性 是 流 体 抵 抗 剪 切 变 形 (相 对 运 动 )的 一 种 属 性 。动 力 粘 性 系 数 yxxV / y 动 力 粘 度 反 应 流 体 真 实 粘 性 的 大 小 。2 2 21 1 1N cm g cm S cm gcm S cm S cm S 或 21 1 2 1N cm N Pa Scm S cm cm S 动 力 粘 度 的 量 纲运 动 粘 度 的 量 纲 为 ：1 1 23g cm S cm /Sg cm 运 动 粘 性 系 数 运 动 粘 度 不 能 真 实 反 应 流 体 粘 性 的 大 小 。动 力 粘 性 系 数 与 温 度 的 关 系液 体 T 气 体 T
