热量传输原理和金属材料工程中的应用.doc

《传输原理》课程论文
热量传输原理在金属材料工程中的应用
赵彬
（佳木斯大学 材料科学与工程学院 黑龙江省佳木斯市 154000）
摘要：随着现代科学技术的发展，金属材料发挥的作用越来越越重要，对金属材料的研究也越来越深入，在对金属材料的研究中不得不说热量传输原理在金属材料工程中的应用，其中热分析技术是一种重要的研究方法，而且这种方法也得到了人们的日益关注，在研究中也得到了人们广泛的使用。
关键词：热量传输；金属材料；对流换热；辐射换热
 transfer principle is applied in metal materials engineering
ZHAO Bin
( Jiamusi University,Department of materials science and engineering,Jiamusi , Heilongjiang,province 154000)
Abstract:with the development of modern science and technology, the effect of metal materials play a more and more important, also more and more in-depth research on metal materials, in the study of metal materials have to say that the application of the principle of heat transfer in metal material engineering, including thermal analysis technology is an important research method, and this method also got people's attention increasingly, also has been widely used in the study.
Keywords: heat transfer; metal materials;convective heat transfer ；radiation heat transfer
0 引言
材料的发展与社会的进步有着密切的关系，它是衡量人类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。从人类的起源开始，古人就发现金属材料的优良性能，并把它们制成各种工具使用，金属材料在人类社会发展的过程中越来越重要，而且需求量越来越大，金属资源已经出现了短缺现象。目前，人类还处在金属器时期，虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可以预见的未来，这种情况不会改变。
1 对流换热

众所周知热板金属冷却时，放置在风扇的前面比暴露在静止的空气中更容易冷却。我们说的热对流路程，我们称之为热传递过程。关于热传输过程术语为读者提供了一个直观的概念，但是这种直观的概念必须扩大一个类似适当的分析处理问题。例如我们知道，当空气吹在热板块上，会明显影响热传输速度，但是否是线性影响散热的方式，还无法确定。如果速度增加一倍，热传输速率也将翻倍。我们应该怀疑速率可能是不同的，如我们用水或空气给热板块降温，两种方式的热传递速率有多少差别我们无法知晓。这些问题可以用一种辅助办法来回答。现在我们绘制图表来反映物理对流热传递的机制并显示热板块的温度与流体的温度的关系。作为粘性作用的结果，水流的速度将减小到零。板由于流体层的速度在外壁将是零，热量必须在该点传导和转移。从而我们可能计算出热传递的量，用热导率来表示热板块外壁和流体的温度梯度。那么，为什么热由水流传导到这一层，我们讲的对流换热是需要考虑流体的速度的。答案是温度梯度依赖于其中流体携带的带走热量的速率，高流速产生较大的温度梯度。因此在外壁上的温度梯度取决于流场，我们必须在我们以后的分析制定中明确两个表达式。然而必须记住的是热传递在外壁上的物理机制成为传导过程。
为了表达对流的整体效果，我们用牛顿冷却定律：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的，在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时只在温度差不太大时才成立。这里的热传输速率是相同的，以二者之间的整体温度差和流体的表面面积的量为所谓的对流热传递系数，可对于一些系统进行定义分析计算。对于复杂的情况，它必须通过实验确定。该传热系数有时也被称为是因为它的膜电导关系在流体壁面上薄的静止层的传导过程。我们注意到单位为每摄氏度平方米。鉴于上述讨论，人们可以预计，对流换热具有依赖于流体的粘度（热导率，比热，密度）的热性能。这是显而易见的因为粘度影响速度分布，相应地能量传输率在近壁区域也较大。如果加热板暴露于周围的空气没有外部来源的运动的空气作用，将尽可能接近密度梯度的结果。我们称这种对流为自然对流而不是强制对流。该对流热传递系数具有近似的范围。
2 辐射换热

两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，是传热学的重要研究内容之一。太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的， 因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能，同时又保证得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱（如可见光），集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱范围（如红外线）。所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射（吸收）率极低这样性质的材料。太阳辐射穿过大气层时，大气层对太阳辐射有吸收、散射、反射作用，因而太阳辐射受到了减弱，故到达地表时辐射能小了，大气减弱作用分为：⑴大气层的吸收作用：大气层中含有的H2O、CO2、O2、O3对太阳辐射能选择性地吸收，大气层中含有的尘埃和污染物也有吸收作用；⑵大气层的散射作用：太阳辐射遇到大气层中含有的空气分子和微小尘埃会产生散射；⑶大气层的反射作用：太阳辐射遇到大气层中的云层和较大的尘埃就会反射，把部分反射回宇宙空间出了。气体的辐射和吸收具有明显的选择性，且其辐射和吸收是在整个气体容积中进行。 若气体能辐射和吸收某一定波长范围光带时，当该光带中的热射线穿过气体层时， 射线能量沿途被吸收而不断减弱。

3 建筑金属材料与热处理工艺关系的探讨
因为充分合理利用金属资源可以提高金属材料的利用效率，所以在建筑金属材料的使用过程中，需要在加强热处理工艺在金属材料中的应用倍加重视，规范好金属材料的加工处理工艺，尽量让材料得到充分的应用。如果不能够对建筑金属材料进行正确的热处理工艺进行处理的话，不但会对材料的机械性能造成不良影响，而且严重时还会破坏材料的原有性能，因此金属材料的处理至关重要，我们必须要重视。

3.1 建筑金属材料的切削性能与热处理预热的关系
为了利用好建筑金属材料的固有价值，一般情况下都需要对金属材料进行热处理工艺加工，科学有效的热处理在提高金属材料的基本性能的同时还可以提高产品的质量。在金属材料进行切削的过程中，由于各种金属材料的基本性能、金属的硬度、金属材料的切削环境和条件等具有很大的差异性，因此各种材料的切削效果也不尽相同。热处理的预热处理对象主要是各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品消除冶金及热加工过程产生的缺陷，并为以后切削加工及热处理准备良好的组织状态。因此可以对于部分金属材料进行预热的热处理，在很大的程度上保证材料的切削性能和提高加工的精度，避免材料质量问题。齿坯材料切削处理之后的齿坯材料，一般由于齿坯的硬度不够而会出现粘刀现象，粘刀现象会形成一定的积屑会降低加工零件光的滑度，不利于加工零件正常加工[3]。如果选择正火和不完全淬火的热处理工艺综合使用，可以使切屑从带状向挤裂多渡，在保证了加工材料的光滑程度，还可以使粘刀现象减少，使金属材料的切削性能提高。
3.2 建筑金属材料的切变模量与热处理温度的关系
金属材料的热处理是一种在特定条件下对于金属材料进行加热、保温、冷却处理的工艺，它主要是通过改变材料表面或内部的金相组织结构来达到控制材料基本性能的目的。热处理的温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，也是保证材料基本性能的关键，因此对于保证材料的相关强度、韧性等发挥着重要的作用[3]。
衡量金属材料性能的主要指标之一是切变模量，受到剪切应力之后的金属材料会发生一定的形变，在弹性形变范围之内的切应力与切应变之间的比值就是金属材料的切变模量[3]。切变模量可以很好地体现材料的切应变的抵抗力，一般情况下对于金属材料，切变模量越大金属材料的刚性就越强。热处理后的金属材料一些性能发生改变的同时切变模量也会改变。
原子间作用力的大小决定了材料弹性模量，而原子间的作用力又和材料的结构、温度、性质等有关，在材料经过热处理之后，材料的基本结构、性质产生就会受到影响，所以就会使原子作用力发生变化，材料弹性模量也会发生变动。
3.3 建筑金属材料的断裂韧性与热处理温度的关系
断裂力学的出发点是，任何材料实际都含有不同数量、不同尺寸的裂纹。断裂韧性实际可以理解为含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能[3]。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错，使金属材料中的位错密度下降，从而提高金属强度。细晶强化是减少金属晶体中位错的一种重要方法，其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。
3.4 建筑金属材料抗应力腐蚀开裂与热处理应力的关系
金属材料的应力腐蚀开裂是指材料在特殊的环境下受到了一定的拉伸作用力的影响，同时又受到了周围恶劣环境的腐蚀，材料所发生的断裂和损坏[3]。而金属材料的受热之后，材料内部的结构和相关性质就会发生一定的变化，因此也会增强金属材料的热处理应力。
金属材料在拉伸应力和特定腐蚀环境共同作用下发生的脆性断裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时，以及加热后冷却处理时，改变了材料内部的组织和性能，同时伴随产生了金属热应力和相变应力。
4电磁技术在金属材料工程中的应用
电磁技术是一门覆盖面广的综合性技术,并且应用广泛。20世纪后，电磁技术和其它学科一样得到了进一步的发展，在许多领域得到了应用，例如节能、环保、机械、医学、农业、生物、国防等领域。在以传统的电磁学为基础，后人在不断地探索中进一步发现了许多新的研究方向。材料组织的和性能的分析中，电磁技术已经得到应用，虽然在新型材料的制备方面起步比较晚，但是发展的速度比较快，应用范围也在不断扩大，相信不久的将来电磁技术的应用范围应用的会越来越广泛。
6.1 电磁感应加热
电磁感应加热是指应用电磁场来加热金属的技术, 其原理是根据法拉第电磁感应定律和焦耳-楞茨定律。当铜制线圈内通入一定频率的交流电后, 电流在其周围空间和导体内部激发出交变磁场, 处于线圈内部的金属炉料内会产生感应电动势和感应电流, 因电流热效应使得金属发热熔化[8]。

5 深冷处理在金属材料中的应用
深冷处理是常规冷处理的延伸, 是以液氮为制冷剂在低于- 130℃的温度对材料进行处理的方法.该法能改变材料的力学性能, 可在不降低材料强度及硬度的情况下, 显著提高材料的韧性, 使其具有广阔的应用前景。
4.1 深冷处理机理
深冷处理主要是通过改变材料的微观结构来提高其综合性能，充分发挥材料的潜能。深冷处理的工件在低温环境下微观组织结构会发生变化，宏观上表现为材料的耐磨性，尺寸稳定性，冲击韧性，抗拉强度等力学性能的改善[5]。深冷处理的许多问题目前还处在研究中，只有不断地去研究去探索我们才能发现许多我们需要的性能。
4.2 深冷处理工艺
深冷处理一般采用液氮作为制冷剂，它不仅制冷温度低（可达-196℃），而且经济方便，对环境无污染。以液氮为制冷剂进行深冷处理可分为两种方式。一种是液体法，即液氮浸泡式制冷；另一种方法是气体法[4]。深冷处理涉及到的关键技术之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地获得低温。因为装置的性能直接影响到深冷处理工艺的进行。如同热处理一样，如果不能保证热处理工艺的合理进行，就难以充分发挥金属材料的潜力，难以达到提高零件质量和延长使用寿命的目的。深冷处理工艺也是如此，要想在实际应用中确保深冷处理技术对处理材料产生预想的效果，就必须保证深冷处理工艺的合理。
6 超塑性在金属材料塑性加工中的应用
金属的“超塑性”是指材料在特定的内在及外在条件下显示出的异常高的塑性，即超出一般塑性指标的金属特性[6]。根据超塑性的宏观变形特性，金属的超塑性具有以下几个方面的特点：大延伸、无缩预、小应力、易成形。根据目前世界上各国学者研究的结果，按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等），超塑性可分为：微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）、相变超塑性（即变温超塑性或动态超塑性）及其它超塑性。
7 激光技术在金属材料加工工艺中的应用
激光加工是一种新兴的先进制造技术,具有自己的特色与规律,经过多年的积淀形成了激光加工理论和各种激光加工工艺参数。随着世界科技与经济发展的
需要，激光技术有了迅速发展。激光与普通光相比具有单色性、相干性、方向性和高光强。同样激光加工设备也涉及到众多学科因而决定了它的高科技性和高收益率。纵观国际和国内激光应用场情况经过多年来的研究开发和完善，当代的激光器和激光加工技术与设备已相当成熟形成系列激光加工工艺。
7.1 激光切割
激光是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝[9]。激光切割是当前各国应用最多的激光加工技术，在国外许多领域，例如，汽车制造业和机床制造业都采用激光切割进行钣金零部件的加工。激光可切割的材料很多，包括有机玻璃、木板、塑料等非金属板材，以及不锈钢、碳钢、合金钢、铝板等多种金属材料。激光切割无需刀具和模具在计算机控制下，可直接实现二维、三维上任意形状的板类和壳体类零件的柔性加工。同时，激光切割也是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。
7.2 激光焊接
激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的[9]。激光焊接的特点及应用激光焊接是一种高速度、非接触、变形极小的焊接方式，非常适合大量而连续的在线加工。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。
8 金属材料及热处理的发展趋势
随着现代科学技术的发展, 人们对金属材料性能的要求越来越高, 为了达到预期的目的, 一是研制适合需要的新型合金, 二是对金属材料进行热处理, 以提高金属材料的使用性能。
8.1金属材料的发展趋势
金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益[10]。金属材料的发展方向依然是高强度、高韧性，发展适合于极端条件下（高温、低温、强辐射、强腐蚀等）使用的材料，在发展新能源和其它尖端材料过程中, 低温材料必不可少。
8.2 热处理的发展现状
当前金属材料的热处理工艺发展趋势为：发展节能热处理、无公害热处理和以提高产品质量为目的的新技术、新工艺[10]。
节能热处理。热处理工艺过程要消耗大量的能源。考虑到处理设备及工艺的重要指标，一般大多数国家从热处理设备、工艺、节能钢种、生产管理四个方面考虑节能。
无公害热处理。众所周知化学处理过程中会产生许多有毒物质，对环境会造成一定的污染。现在的研究表明无毒液体渗碳或用其它化学表面热处理代替液体氛化；用高分子聚合物或溶液代替油作淬火冷却介质。当锻件淬入聚丙烯酸钠介质中, 不但可以获得切削加工所需要的硬度值,还可以省去锻后退火或正火的工序,节约了时间又节约了资源。
提高产品质量的新工艺。特殊金属、不锈钢、轴承钢、工具钢以及化学热处理可真空热处理。真空热处理能耗小, 而且有利于提高产品的质量,处理后的工件表面极为光亮, 省去了清洗工序, 避免了环境污染,有利于实现机械化、自动化操作。激光热处理能使工件极薄的表层淬硬, 强度高、耐磨性和耐蚀性好、变形小、节能[10]。
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