20195第三章热处理储运传
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化工原理第三章传热
Q S
Kt m
t m
1/ K
(1-3)
传 热 速 率
传热温度差（推动力） 热阻（阻力）
式中：△tm──传热过程的推动力， ℃ 1/K ──传热总阻力（热阻），m2 ·℃/W
两点说明：
➢ 单位传热面积的传热速率(热通量)正比于推动力，反比于 热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推
动力和降低热阻。
三、 换热器类型
换热器：实现冷、热介质热量交换的设备
用于输送热量的介质—载热体。 加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。水蒸气、热水等。 冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。
① 直接混合式 —— 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。 ② 蓄热式 —— 热量 存储在热载体上 传递给冷流体。如
式中：d1为套管的内管直径，d2为套管的内管直径。
应用范围：
Re 1200 ~ 220000, d2 1.65 ~ 17 d1
特征尺寸： 流动当量直径de。
定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝 液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝 称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。
➢ 一般金属（固体）的导热系数>非金属（固体）>液体>气体
➢ 多数固体λ与温度的关系
λ=k0+k×t
单位：W/(m •K)
k0 --0℃下的导热系数
k为经验常数。
对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。
➢ 对于金属 t ↑ λ↓(通过自由电子的运动) 对于非金属 t ↑ λ↑ (通过靠晶格结构的振动) 对于液体 t ↑ λ↓ (通过靠晶格结构的振动) 对于气体 t ↑ λ↑ (通过分子不规则热运动)
第三章+传热过程(第二讲)
2011-2-17
13
常见流体的表面传热系数大致范围
α α
2011-2-17
14
§ 3-4 间壁式热交换的计算
1．热负荷及热量衡算 ．
（1）热负荷 ） 生产工艺对换热器换热能力的要求， 生产工艺对换热器换热能力的要求，即单位时间内需要对 物料加入或取出的热量称为换热器的工艺热负荷Q 物料加入或取出的热量称为换热器的工艺热负荷 L。 通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率 传热速率， 通过热负荷的计算，可以确定换热器所应具有的传热速率， 再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积 传热面积等 再依据此传热速率可计算换热器所需的传热面积等。 热负荷的计算根据工艺特点有两种情况： 热负荷的计算根据工艺特点有两种情况： ①流体在传热中只有相变的场合
QL·s-1； 流体的质量流量， 流体的质量流量 r——流体的相变热 流体的相变热kJ·kg-1 流体的相变热
2011-2-17 15
②流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合 流体在传热中仅有温度变化不发生相变的场合 不发生相变
QL=W·cp(t2-t1)
化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和 化工生产中多见的相变给热是液体受热沸腾和饱和水蒸 液体受热沸腾 气的冷凝。 气的冷凝。
①液体的沸腾
液体通过固体壁面被加热的 对流传热过程中， 对流传热过程中，若伴有液 相变为气相， 相变为气相，即在液相内部 产生气泡或气膜的过程称为 液体沸腾，又称沸腾传热 沸腾传热。 液体沸腾，又称沸腾传热。 液体沸腾的情况因固体壁面 温度t 与液体饱和温度t 温度 w与液体饱和温度 s之 间的差值而变化， 间的差值而变化，如图为水 的沸腾曲线： 的沸腾曲线：
a、直列 b、正三角错列 c、正方形错列
热处理炉内的传热讲解
一、对流换热的计算
流体与固体表面间的换热量可用牛顿公式计算。 假设：1）单位时间内对流换热量为 Q（单位 W）；2）流体与固体表面间的接触面积为 F（m2）；3）流 体与固体表面间的温度差为 t1-t2(单位℃)；4）对流换热系数为α（单位 W/ m2℃）。 则根据牛顿公式有：Q=α（t1-t2）F，该式表明，对刘欢热所传递的热流量与流体和固体表面间的温度 差、两者间的接触面积成正比。此外，由该公式可见，计算热流量的关键是确定对流换热系数。故下面先 介绍影响对流换热的因素，然后再介绍如何确定对流换热系数。
由公式 q=
t1 tn1
得：q= 950 50 666W / m2
s1 s2 sn
0.115 0.230
1 2
n
0.519 0.204
t2=t1-qs1/λ1=950-666*0.115/0.519=803℃ 可见，计算温度和假设温度非常接近。通常前后两次的近似温差小于 5%时，即可认为计算正确。因 为（807-803）/807=0.5%， 因此，界面温度为 803℃，热流密度为 666W/m2。
则：q1=q2=q3=q，
根据导热基本方程有：第一层：q=
1 s1
(t1
t2
)
→t1-t2=qs1/λ1
第二层：q=
2 s2
(t 2
t3 ) →t2-t3=qs2/λ2
第三层:q=
3 s3
(t3
t4
)
→t3-t4=qs3/λ3
上述三式相加并变换可得：q= t1 t4 s1 s2 s3 1 2 3
二、温度场与温度梯度 1、温度场
温度场是描述物体中温度分布情况的，它是空间坐标和时间坐标的函数。 如果物体的温度沿空间三个坐标方向都有变化，则该温度场称为三向温度场；如物体的温度仅沿空间 坐标的一个方向有变化，则称该温度场为单向温度场。 如果物体各点的温度不随时间而变化，则称该温度场为稳定温度场。稳定温度场中的传热为稳定态传 热，如长时间横温后的炉壁的传热。 如果物体各点的温度随时间的变化而变化，则称该温度场为不稳定态稳定场。不稳定态温度场中的传 热为不稳定传热，如升温时炉壁的传热。
流体与固体表面间的换热量可用牛顿公式计算。 假设：1）单位时间内对流换热量为 Q（单位 W）；2）流体与固体表面间的接触面积为 F（m2）；3）流 体与固体表面间的温度差为 t1-t2(单位℃)；4）对流换热系数为α（单位 W/ m2℃）。 则根据牛顿公式有：Q=α（t1-t2）F，该式表明，对刘欢热所传递的热流量与流体和固体表面间的温度 差、两者间的接触面积成正比。此外，由该公式可见，计算热流量的关键是确定对流换热系数。故下面先 介绍影响对流换热的因素，然后再介绍如何确定对流换热系数。
由公式 q=
t1 tn1
得：q= 950 50 666W / m2
s1 s2 sn
0.115 0.230
1 2
n
0.519 0.204
t2=t1-qs1/λ1=950-666*0.115/0.519=803℃ 可见，计算温度和假设温度非常接近。通常前后两次的近似温差小于 5%时，即可认为计算正确。因 为（807-803）/807=0.5%， 因此，界面温度为 803℃，热流密度为 666W/m2。
则：q1=q2=q3=q，
根据导热基本方程有：第一层：q=
1 s1
(t1
t2
)
→t1-t2=qs1/λ1
第二层：q=
2 s2
(t 2
t3 ) →t2-t3=qs2/λ2
第三层:q=
3 s3
(t3
t4
)
→t3-t4=qs3/λ3
上述三式相加并变换可得：q= t1 t4 s1 s2 s3 1 2 3
二、温度场与温度梯度 1、温度场
温度场是描述物体中温度分布情况的，它是空间坐标和时间坐标的函数。 如果物体的温度沿空间三个坐标方向都有变化，则该温度场称为三向温度场；如物体的温度仅沿空间 坐标的一个方向有变化，则称该温度场为单向温度场。 如果物体各点的温度不随时间而变化，则称该温度场为稳定温度场。稳定温度场中的传热为稳定态传 热，如长时间横温后的炉壁的传热。 如果物体各点的温度随时间的变化而变化，则称该温度场为不稳定态稳定场。不稳定态温度场中的传 热为不稳定传热，如升温时炉壁的传热。
第三章传热过程
第三章传热过程内容提要：本章先对传热的三种基本方式即传导传热、对流传热和辐射传热以及工业上的换热方法进行介绍，然后着重讨论传导传热、对流传热的机理和传导传热、对流传热的速率方程式，在此基础上建立总传热速率方程。
冷热流体通过固体壁面进行热交换时的热量衡算及与总传热方程相结合解决热交换过程中的问题。
对强化和抑制传热过程的途径以及列管式热交换器的基本结构仅作简单介绍。
学习指导：了解传导传热和对流传热的机理，掌握传导传热、对流传热的速率方程式，掌握总传热速率方程式并对其中的总传热系数K、传热平均温度差Δtm能分别计算，能将热交换中热量衡算式与总传热方程相结合而解决热交换中的计算问题。
了解强化和抑制传热过程的方法以及列管式热交换器的基本结构。
第一节概述在自然界，在人们的生产和日常生活中，每时每刻都在发生由于物体或系统内部温度不同而使热量自动地转移到温度较低的部分的过程，这一过程称为热的传递简称传热。
而本章主要研究化工生产中的传热。
一、化工生产中的传热过程在化工生产、科学实验中随时会遇到热量传递问题，化工生产中的化学反应要求在一定温度下进行，而适宜的温度依靠加热或冷却才能实现。
例如，氮、氢合成氨、由氨氧化制硝酸、萘氧化制苯酐等，由于催化剂的活性和反应的要求，反应温度必须控制在一定的范围，过高过低都会导致原料利用率降低，温度控制不当甚至会发生事故。
又如在蒸馏、蒸发、干燥、结晶、冷冻等操作中也必须供给或移走一定的热量才能顺利进行。
在这类情况下，要求热量的传递速率要高，即通常所说的要求传热良好。
另有一类情况如高温或低温下操作的设备或管道，为了保持其温度应尽量隔绝热的传递即要求传热速度要低，即通常所说的保温。
此外，能量的充分利用是化工生产尤其是大型生产中极为重要的问题，为了充分利用反应热，回收余热和废热以降低生产成本，工业上大量使用热交换器，这都涉及到热量的传递问题。
传热过程是研究具有不同温度的物体内或物体间热量的传递。
第3章(58)教材配套课件
3.1.3 钢的热处理按工艺方法的不同可分为整体热处理、表面热处
表面热处理包括表面淬火和化学热处理等两种方法。
第3章 钢的热处理
3.2 热处理的基本原理
热处理之所以能够使钢的性能发生很大变化，主要是由 于在加热和冷却过程中，钢的内部组织发生了变化。 FeFe3C相图是表示铁碳合金在接近平衡状态下相与成分和温 度之间的关系图，图中的临界点A1、A3和Acm也只是在这样 的条件下才适用的。然而， 生产中不可能以无限缓慢的速度 加热和冷却，其相变是在非平衡的条件下进行的，研究发
图3-3 共析钢奥氏体的形成过程
第3章 钢的热处理
(1) 温度。温度越高，原子的扩散能力越强，加速了奥
(2) 原始组织。原始组织越细，相界面越多，提供的奥 氏体晶核就越多，碳原子的扩散距离也越短，加速了奥氏体
(3) 钢的成分。含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面越 多，加速了奥氏体的形成。
加入合金元素后不改变奥氏体形成的基本过程，但会减
第3章 钢的热处理
2. (1) (2) (3) 材料：中碳钢(45)、合金调质钢(40Cr) (4) 技术条件：表面50~55 HRC (5) 感应表面淬火方法如图3-6
第3章 钢的热处理
图3-6 钢的感应表面淬火
第3章 钢的热处理
① 200~300 kHz高频感应淬火，表面硬化层深度为 0.5～2 mm
第3章 钢的热处理
对于加热，非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的 相变温度，称过热度。对于冷却，非平衡条件下的相变温度 低于平衡条件下的相变温度，这个温差叫滞后度，对应的转
加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大， 导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会
平衡条件下的临界点：A1 A3 Acm 非平衡加热的临界点：Ac1 Ac3 Accm 非平衡冷却的临界点：Ar1 Ar3 Arcm 相图表示如图3-2
表面热处理包括表面淬火和化学热处理等两种方法。
第3章 钢的热处理
3.2 热处理的基本原理
热处理之所以能够使钢的性能发生很大变化，主要是由 于在加热和冷却过程中，钢的内部组织发生了变化。 FeFe3C相图是表示铁碳合金在接近平衡状态下相与成分和温 度之间的关系图，图中的临界点A1、A3和Acm也只是在这样 的条件下才适用的。然而， 生产中不可能以无限缓慢的速度 加热和冷却，其相变是在非平衡的条件下进行的，研究发
图3-3 共析钢奥氏体的形成过程
第3章 钢的热处理
(1) 温度。温度越高，原子的扩散能力越强，加速了奥
(2) 原始组织。原始组织越细，相界面越多，提供的奥 氏体晶核就越多，碳原子的扩散距离也越短，加速了奥氏体
(3) 钢的成分。含碳量增加，铁素体和渗碳体相界面越 多，加速了奥氏体的形成。
加入合金元素后不改变奥氏体形成的基本过程，但会减
第3章 钢的热处理
2. (1) (2) (3) 材料：中碳钢(45)、合金调质钢(40Cr) (4) 技术条件：表面50~55 HRC (5) 感应表面淬火方法如图3-6
第3章 钢的热处理
图3-6 钢的感应表面淬火
第3章 钢的热处理
① 200~300 kHz高频感应淬火，表面硬化层深度为 0.5～2 mm
第3章 钢的热处理
对于加热，非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的 相变温度，称过热度。对于冷却，非平衡条件下的相变温度 低于平衡条件下的相变温度，这个温差叫滞后度，对应的转
加热与冷却速度越大，温度提高与下降的幅度就越大， 导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会
平衡条件下的临界点：A1 A3 Acm 非平衡加热的临界点：Ac1 Ac3 Accm 非平衡冷却的临界点：Ar1 Ar3 Arcm 相图表示如图3-2
金属工艺学 第3章 钢的热处理
再结晶退火：消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150— 250℃），降低硬度，恢复塑性。
11/12/2020
正火
将钢加热到Ac3 线以上30—50 ℃ （亚共析钢）或 Accm以上30——50 ℃ （过共析钢） ，保温后在空气中 冷却。得到的是细 珠光体组织（索氏 体）。
应用：（1）取代部分完全退火； （2）用于普通结构件的最终热处理； （3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体， 为球化处理作准备。
11/12/2020
复习思考题
1 某汽车齿轮选用20CrMnTi制造，其工艺路线为：下料→ 锻造→正火①→切削加工→渗碳②→淬火③→低温回 火④→喷丸→磨削。请说明①、②、③、④四项热处 理工艺的目的。
2 说明固溶强化的强化原理。
第4章 非金属材料
11/12/2020
自学
目的：
Ø降低硬度，便于机加工。 Ø细化晶粒，提高塑性和韧性。 Ø消除应力。
应用：铸件、锻件、焊接及其它毛
坯的热处理。
1、完全退火：将亚共析钢加热到Ac3线以上20—30℃，保温后缓慢冷却. 2、球化退火: 将过共析钢加热到Ac1线以上20—30℃，保温后缓慢冷却. 3、低温退火: 将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却.
11/12/2020
钢的热处理
3.2 化学热处理
1 渗碳 2 渗氮 3 碳氮共渗
基本程序： （1）将工件加热到一定的温度，使有利 于吸收渗入元素活性原子。 （2）由化合物分解或离子转化而得到渗 入元素的活性原子。 （3）活性原子被吸附，并溶入工件表面， 形成固溶体，在活性原子浓度很高时，还 可形成化合物。 （4）渗入原子在一定温度，由表层向内 扩散，形成一定的扩散层。
工程材料导论
11/12/2020
正火
将钢加热到Ac3 线以上30—50 ℃ （亚共析钢）或 Accm以上30——50 ℃ （过共析钢） ，保温后在空气中 冷却。得到的是细 珠光体组织（索氏 体）。
应用：（1）取代部分完全退火； （2）用于普通结构件的最终热处理； （3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体， 为球化处理作准备。
11/12/2020
复习思考题
1 某汽车齿轮选用20CrMnTi制造，其工艺路线为：下料→ 锻造→正火①→切削加工→渗碳②→淬火③→低温回 火④→喷丸→磨削。请说明①、②、③、④四项热处 理工艺的目的。
2 说明固溶强化的强化原理。
第4章 非金属材料
11/12/2020
自学
目的：
Ø降低硬度，便于机加工。 Ø细化晶粒，提高塑性和韧性。 Ø消除应力。
应用：铸件、锻件、焊接及其它毛
坯的热处理。
1、完全退火：将亚共析钢加热到Ac3线以上20—30℃，保温后缓慢冷却. 2、球化退火: 将过共析钢加热到Ac1线以上20—30℃，保温后缓慢冷却. 3、低温退火: 将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却.
11/12/2020
钢的热处理
3.2 化学热处理
1 渗碳 2 渗氮 3 碳氮共渗
基本程序： （1）将工件加热到一定的温度，使有利 于吸收渗入元素活性原子。 （2）由化合物分解或离子转化而得到渗 入元素的活性原子。 （3）活性原子被吸附，并溶入工件表面， 形成固溶体，在活性原子浓度很高时，还 可形成化合物。 （4）渗入原子在一定温度，由表层向内 扩散，形成一定的扩散层。
工程材料导论
第三章 热量传递的基本原理
若不存在内热源，且为一维稳态径向导热，如 薄壁长圆筒，则上式简化为：
2
d T 1 dT + = 0 2 dr r dr
• 导热问题的完整数学描述 无内热源、常物性、稳态一维问题的导热 微分方程 2
由
d t =0 2 dx
得
dt = c1 dx
得
t = c1 x + c2
问题不能确定，需有定解条件： 〈1〉 初始条件：τ = 0 时的温度分布 t τ = 0 =f (x,y,z) 〈2〉 边界条件：边界上的温度分布或换热条 件。
即 边界条件：
x
d 2t =0 2 dx
x = 0 t = t1 ; x = δ t = t 2
数学描述
d 2t =0 2 dx x = 0 , t = t1 x = δ , t =t 2
t = c1 x + c2
c2 = t1
温度分布
c1 =
t 2 − t1
δ
t=
dt dx
t 2 − t1
δ
x + t1
μ↑
Re ↓
h↓
4、换热表面的形状、大小、位置 壁面形状、位置形状(平板,圆管)、位置(横 放、竖放、管内、管外)
5、流体有无相变 有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不 变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜 热。有相变比无相变时换热系数大很多。 珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。
综上所述
动力消耗大
δ ↓ h↑
3、流体的物理性质
流速：V↑ h↑ V=0 无对流 物性－表征物质物理特性的物理量 密度，粘性，热导率，比热等 其他条件相同时，不同的流体换热量不 同，就是因为物性不同
λ的影响：
2
d T 1 dT + = 0 2 dr r dr
• 导热问题的完整数学描述 无内热源、常物性、稳态一维问题的导热 微分方程 2
由
d t =0 2 dx
得
dt = c1 dx
得
t = c1 x + c2
问题不能确定，需有定解条件： 〈1〉 初始条件：τ = 0 时的温度分布 t τ = 0 =f (x,y,z) 〈2〉 边界条件：边界上的温度分布或换热条 件。
即 边界条件：
x
d 2t =0 2 dx
x = 0 t = t1 ; x = δ t = t 2
数学描述
d 2t =0 2 dx x = 0 , t = t1 x = δ , t =t 2
t = c1 x + c2
c2 = t1
温度分布
c1 =
t 2 − t1
δ
t=
dt dx
t 2 − t1
δ
x + t1
μ↑
Re ↓
h↓
4、换热表面的形状、大小、位置 壁面形状、位置形状(平板,圆管)、位置(横 放、竖放、管内、管外)
5、流体有无相变 有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不 变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜 热。有相变比无相变时换热系数大很多。 珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。
综上所述
动力消耗大
δ ↓ h↑
3、流体的物理性质
流速：V↑ h↑ V=0 无对流 物性－表征物质物理特性的物理量 密度，粘性，热导率，比热等 其他条件相同时，不同的流体换热量不 同，就是因为物性不同
λ的影响：
《热质交换原理与设备》课件：第3章 传热传质问题的分析和计算
3.1.1 三种传递各自的速率描述及其之间的雷同关系
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别 发生动量、热量和质量的传递现象。动量、热量和质量 的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散， 也可以是由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的 湍流传递。
3.1.1.1 分子传递（传输）性质
流体的粘性、热传导性和质量扩散性统称为流体的分 子传递性质。因为从微观上来考察，这些性质分别是非均 匀流场中分子不规则运动时同一个过程所引起的动量、热 量和质量传递的结果。
3.2.1 流体在管内受迫流动时的质交换
管内流动着的气体和管道湿内壁之间，当气体中某 组分能被管壁的液膜所吸收，或液膜能向气体作蒸发， 均属质交换过程，它和管内受迫流动换热相类似。由传 热学可知，在温差较小的条件下，管内紊流换热可不计 物性修正项，并有如下准则关联式
通过大量被不同液体润湿的管壁和空气之间的质交换 实验，吉利兰(Gilliand)把实验结果整理成相似准则并表示 在下图中，并得到相应的准则关联式为：
1）分子传递系数只取决于流体的热力学状态，而不受流体宏观 运动的影响，因此分子传递系数μ、λ、DAB 均是与温度、压力有 关的流体的固有属性，是物性。然而湍流传递系数主要取决于流 体的运动，取决于边界条件及其影响下的速度分布，故不是物性。
2）分子传递性质可以由逐点局部平衡的定律来确定；然而对于 湍流传递性质来说，应该考虑其松弛效应，即历史和周围流场对 某时刻、某空间点湍流传递性质的影响。
如热空气流经湿表面的热质交换过程、表冷器冷 却除湿、喷水室、冷却塔、湿球温度计工作过程。
当流体流过一物体表面，并与表面之间既有质量又有 热量交换时，同样可用类比关系由传热系数h计算传质系 数hm
已知Pr和Sc准则数，它们分别表示物性对对流传热和 对流传质的影响。
传热学第三章
第三章 稳态导热
第一节 一维稳态导热
※简化假设： （1）导热体为几何形状简单、均质各向同性材料； （2）常物性、无内热源、壁面温度均匀一致； （3）一维稳态导热。 ※一维稳态导热计算公式的导出途径： （1）
导热微分方程 边界条件 Fourier定律 边界条件 Fourier定律 边界条件
①温度分布 t t ( x)或 t t (r ) 和q ② ③R 和r 若定积分，则可以不求解温度场而直接求得
（ e） （f ）
（ g）
r r 1 , t t w1 r r2 , t t w2
同样的计算公式：
求解上述方程，经过整理可以得出和第一种求解方法 温度分布①、热流量或线热流量②、热阻③。
第三章 稳态导热
第一节 一维稳态导热
（3）对傅里叶定律表达式分离变量，并进行定积分:
tw 2 dr dt t w1 2l r
t w1 t w3 q 解：本题为多层平壁的导热问题，应有 1 2
把所有的已知数据代入，有
1
2
1300 30 0.02 t w1 t w3 1 ) 0.35 0.238 m 2 ( ) 2 ( 1830 1.3 q 1
第三章 稳态导热
流量Φ为常量，但热流密度 q
※工程计算中，一般采用热流量或线热流量。 线热流量：是指单位长度圆筒壁的导热热流量，即
却是变量。
l l
第三章 稳态导热
第一节 一维稳态导热
将温度分布代入傅里叶定律，可求出其热流量或线热流量为：
dt dt 2l (t w1 t w2 ) 2l (t w1 t w2 ) A (2rl ) r d dr dr ln 2 ln 2 r1 d1 l 2 (t w1 t w 2 ) 2 (t w1 t w 2 ) r2 d2 l ln ln r1 d1
传热学第三章
内能减小=物体向环境对流换热
7
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院
传 热 学
定义过余温度： θ=t-t∞
dt cV Ah (t t ) d
cV
dt Ah d
初始条件：
d
τ=0， θ =θ0=t0-t∞
微分方程分离变量，并积分：
0
hA cV
Fo>0.2，正规状况阶段
非稳态导热过程中传递热量
从τ=0 至热平衡
Q0 cV (t 0 t )
19
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院
传 热 学
从τ=0 至τ时刻
Q c V t 0 t ( x, )dV 1 Q0 cV (t 0 t ) V 1 1 V (t 0 t ) (t t ) dV V t0 t
机械工程与材料能源学部 能源与动力工程学院 6
传 热 学
1. 导热微分方程式建立
例：测量变化着的温度的热电偶
t0 t
t t0 0
t f ( ) ?
t 2t 2t 2t ( 2 2 2) 导热微分方程： c x y z c
11
传 热 学
4. BiV及FoV物理意义
Biv hl
1 h
l
内部面积导热热阻 表面面积对流换热热阻
无量纲 热阻 无量纲 时间
从边界上开始发生热扰 动时刻起 a 到所计算时刻为止的时 间间隔 Fov 2 2 边界上发生有限大小的 热扰动穿过一定 l l a 厚度的固体层扩散到 2的面积上所需时间 l
FoV越大，热扰动越深入地传播到物体内部， 物体内各点的温度越接近周围介质的温度
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第三章 钢的热处理
2）马氏体的形态 马氏体的形态分板条状和
针状两类。 板条状马氏体 立体形态为细长的扁棒状 在光镜下板条状马氏体为
一束束的细条组织。
光镜下
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电镜下
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第三章 钢的热处理
针状马氏体
立体形态为双凸透镜形的片状。 显微组织为针状。
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20CrMnTi钢不同热处理工艺的显微组织材料科学与工程学院
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第三章 钢的热处理
根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工
艺分类如下：
退火
正火 普通热处理 淬火
回火
热处理 表面热处理
其他热处理
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表面淬火—感应加热、火焰加热、 电接触加热等
化学热处理—渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等
1. 过冷奥氏体的转变产物及转变过程
当温度在A1以上时, 奥氏体是稳定的。当温度降到A1以下 后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过 冷A是不稳定的，会转变为其它的组织。钢在冷却时的转变，实 质上是过冷A的转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体 转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。
2、热处理特点: 热处理区别于其
他加工工艺如铸造、压力加工
等的特点是只通过改变工件的
组织来改变性能，而不改变其
形状。
铸造
3、热处理适用范围:只适 用于固态下发生相变的材 料，不发生固态相变的材 料不能用热处理强化。
轧制
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第三章 钢的热处理
4.热处理目的和应用范围 目的：改变钢的性能； 应用范围：整个制造业。
根据片层厚薄 不同,又细分 为珠光体、索 氏体和屈氏体.
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托氏体
珠光体
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索氏体
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第三章 钢的热处理
珠光体型 ( P ，Pearlite) 转变 ( Ar1～550℃，扩散性转变）:
Ar1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
第三章 钢的热处理
一、热处理概述
§3.1 概 述
1 热处理定义 将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以获得预期组织和性
能的工艺。
为简明表 示热处理的基 本工艺过程， 通常用温度— 时间坐标绘出 热处理工艺曲 线。
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温度/℃
加热 0
保温
临界温度 冷却
时间/s
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第三章 钢的热处理
1. 奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过 程，分为四步。现以共析钢为 例说明：
钢坯加热
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第三章 钢的热处理
第一步 奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大：A 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大。 第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。
之一。
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第三章 钢的热处理
三、 钢在冷却时的转变
冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定 了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时 间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因 为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏 体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？
现以共析钢为例说明：
过冷奥氏体的等温冷却转变
建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 ---TTT曲线 ( C 曲线 )
T --- time
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T --- temperature
T --- transformation
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第三章 钢的热处理
温度 (℃)
800 700 600 500
控制气氛热处理
真空热处理 形变热处理 激光热处理
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第三章 钢的热处理
6.预备热处理与最终热处理 预备热处理：为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热
处理作准备的热处理。 最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理。
W18Cr4V钢热处理工艺曲线
温度/℃
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预备热处理
最终热处理
时间
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第三章 钢的热处理
7. 临界温度与实际转变温度
铁碳相图中PSK、GS、ES线 分别用A1、A3、Acm表示. 实际加热或冷却时存在着过冷
或过热现象，因此将钢加热时
的实际转变温度分别
用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、 Ar3、Arcm表示。
中温转变：550 ℃～Ms点 转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有 一定的扩散能力。 转变产物：贝氏体，即Fe3C或碳化物分布在含碳 过饱和的铁素体上的两相混合物。
上贝氏体： 550 ～ 350℃，呈羽毛状,小片状 Fe3C分布在F体条间。强度和韧性差。
下贝氏体： 350 ℃～Ms点，呈针状,韧性高，综 合力学性能好。
由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中的数据
是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
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第三章 钢的热处理
二、钢在加热时的转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以 下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获 得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
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45钢正常淬火组织
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第三章 钢的热处理
3）马氏体的性能 高硬度是马氏体性能
的主要特点。 马氏体的硬度主要取
决于其含碳量。 含碳量增加，其硬度
增加。
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。
合金元素对马氏体硬度的影响不大。
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第三章 钢的热处理
2、影响奥氏体晶粒长大的因素
⑴加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，A 晶粒粗大。
⑵加热速度：加热速度越快,过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细。
⑶钢的化学成分
碳含量：在一定范围内，随着奥氏体中碳含量增加，晶粒长大倾向
增大，但碳量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，反使晶粒长
板条状马氏体：强度高、韧性好；针状马氏体：强度和硬度
高，韧性差。
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第三章 钢的热处理
马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马 氏体转变产生的组织细化也有强化作用。
马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体 脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。
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第三章 钢的热处理
2. 奥氏体晶粒长大及其影响因素
1、奥氏体晶粒长大 起始晶粒度：珠光体向奥氏体转变刚刚完成时的晶粒度 ,此时晶 粒细小均匀。 实际晶粒度：钢在某一具体加热条件下的晶粒度； 本质晶粒度：度量钢本身晶粒在930℃以下，随温度升高,晶粒长 大的程度，表示奥氏体长大倾向。
400 300 200 100
0
2.共析碳钢 TTT 曲线的分析
稳定的奥氏体区
A1
过 冷 奥 氏
+ 产
A A向产物 转变终止线
产 物 区
体
物
区 A向产
区
Ms 物转变开始线
A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。
550～230℃;中温转变 区; 半扩散型转变;
贝氏体( B ) 转变区;
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0.2%C
0.45%C
1..2%C
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第三章 钢的热处理
先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和 孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所 以越是后形成的马氏体片越细小。
原始奥氏体晶粒细，转变 后的马氏体片也细。
当最大马氏体片细到光镜 下无法分辨时，该马氏体 称隐晶马氏体.
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第三章 钢的热处理
• 冷却方式
连续冷却转变 ——使加热到奥氏体 化的钢连续降温进行 组织转变 等温冷却转变 ——使加热到奥氏体 化的钢以较快的冷却 速度冷到A1以下某温 度保温，在等温下发 生组织转变。
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第三章 钢的热处理
残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。 第四步 奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过
长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
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第三章 钢的热处理
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化 过程与共析钢基本相同。但由于 先共析F或二次Fe3C的存在，要 获得全部奥氏体组织，必须相应 加热到Ac3或Accm以上.
5.热处理的分类 热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）