冶金传输原理实验指导书
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4、比较两种不同流量下总水头线及测压管水头线的走向，分析各种水头 变化的规律。
表1
测定 1
时间 t(s)
开启度1
体积
流量
V(cm3) Q(cm3/s)
平均流量 测 Q均(cm3/s) 定
1
时间 t(s)
开启度2
体积
流量 平均流量
V(cm3) Q(cm3/s) Q均(cm3/s)
2
2
3
3
表2
各断面数据计算
2．氧原子的扩散D和温度T之间存在如下关系
(8)
——扩散常数（随材料不同而异） ——扩散激活能
三、实验设备
电阻炉、预磨机、抛光机、显微镜
四、实验步骤
1． 将T12、T8试样放入电阻内，升温至930℃，保温3～4小时，随 炉冷却。
2． 取出试样，制取截面金相试样（预磨、抛光、腐蚀4%HNO3、酒 精）。
它反映了流体流段流动方向的能量守恒。 式中，z-----------位置水头，m
p/ρg------压力水头，m v2/2g------速度水头，m 连接总流各断面(z+p/ρg)的顶点而形成的线即为测压管水头线；连 接总流各断面(z+p/ρg+ v2/2g)的顶点而形成的线即为测压管水头线；这 两条线的走向可以说明各种水头沿流程变化的规律。
五、实验结果整理
1、根据记录及公式计算出的流量填写表1。
2、利用各断面面积S，计算出各断面平均流速及相应的速度水头。其中α 为动能修正系数，其大小取决于流速在有效断面上分布的不均匀性。 管流大多属紊流，α =1.05～1.10，实际常取α =1。
3、从各断面测压管水头及速度水头即可算出各断面的总水头，填写表 2，并按一定比例绘出水管管路上测压管水头线及总水头线。
(2)
氧与Cu-Al中Al的氧化速度为：
Vr=kC’
(3)
在稳定状态下，式(2)= 式(3)，即
(4)
化简可得：
(5)
氧化初期，扩散阻力小，DA>>k，式(5)可变为：
X=kCt
(6)
随着扩散层增厚，氧的扩散阻力增加，扩散进度愈来愈慢，扩散层 厚度就取决于扩散速度，此时k>>D，式(5)可变为：
(7)
（1）
式中，CA——物质A的浓度 DA——A的扩散系数 jAX——物质A在X方向上的扩散速率
以制备Al2O3/Cu表面复合材料为例（图1），设在t秒内扩散层厚度 为X cm，初始的浓度为C，扩散X厚度处的浓度为C’，则扩散速率Vd 为：
氧原子扩散方向 Cu-Al合金 C’ C 扩散层 图1 制备Al2O3/Cu表面复合材料示意
实验一、伯努利方程实验（动量传输）
一、实验目的
1. 观察液体在管道中流动时能量守恒和转化的物理现象。 2. 测绘玻璃水管管路上的测压管水头线及总水头线。
二、实验原理
如果液体在管内的流动是稳定流，由于摩擦阻力的存在，对初始截面 1和截面2，则相对于同一水平基准面，实验流体总流的伯努利方程为：
z1+p1/ρg+ v12/2g= z2+p2/ρg+ v22/2g+h失 (1)
三、实验装置
图1伯努利方程实验装置图 A、B---阀门，C---溢流孔，D---水箱，E---不同管径的试验管，1、2、 3、4---测压管
四、实验步骤
1、选定测量位置水头的水平基准面。 2、关闭阀门B，开启阀门A，稳定水箱液面（保持最高水位并溢流）。
根据连通器原理，此时水箱液面与测压管内各液面为同一水平面，以 此来校正所选定的测量基准面是否水平。同时检查试验管和各测压管 内是否有气泡。 3、将各断面内径及间距尺寸记录下来，并填入记录表格中。 4、打开阀门B，并检查水箱液面是否稳定。调节阀门B的大小，观察各 测压管液面的变化和各测压管间液面高度差的变化。 5、固定阀门B于某一开启度，测记所定基准面到各断面测压管中液面的 高度（即各断面的测压管水头）。 6、在测记各测压管水头的同时，用体积法测定试验管中的流量，其方法 是用秒表和量筒，测出时间间隔t内流过的体积总量V，并重复3～4 次。 7、调节阀门B于另一开启度，重复上述实验步骤5和6。
平均流量Q 均(cm3/s)
断面 编号
内径 (cm)
面积 (cm2)
流速 v(cm/s)
速度水头 αv2/2g(cm)
测压 管水
头 z+p/ ρ g(cm)
1
开
2
启
度1
3
4
1
开 启
2
度2
3
4
总水头 z+p/ρg+ αv2/2g(cm)
水头 损失 (cm)
六、实验思考题
1、为什么实验所得总水头的走向总是下降？ 2、为什么开大阀门B（流量增大）时，测压管水头线下降？
3． 组织观察，并画示意图，标明组成。 4． 观察Al2O3/Cu表面复合材料复合层厚度（注意工艺条件）。
五、实验要求
1．画出T12钢及脱碳后的组织形象。 2．分析Al2O3/Cu表面复合层厚度的影响因素？并画出示意曲线。 3．对本实验有何体会和建议？
3、如果突然关阀门B，测压管液面将发生什么现象？并解释。
实验二、质量传输实验
一、实验目的
1．熟悉菲克扩散第一定律 2．熟悉有关设备、了解钢的退火工艺及脱碳缺陷 3．观察T12钢及出现脱碳缺陷的金相组织。Al2O3/Cu表面复合材料的复
合层厚度并分析温度及时间对其影响。
二、实验原理
1．在稳定状态下，冶金过程中菲克扩散第一定律的表达式为：
表1
测定 1
时间 t(s)
开启度1
体积
流量
V(cm3) Q(cm3/s)
平均流量 测 Q均(cm3/s) 定
1
时间 t(s)
开启度2
体积
流量 平均流量
V(cm3) Q(cm3/s) Q均(cm3/s)
2
2
3
3
表2
各断面数据计算
2．氧原子的扩散D和温度T之间存在如下关系
(8)
——扩散常数（随材料不同而异） ——扩散激活能
三、实验设备
电阻炉、预磨机、抛光机、显微镜
四、实验步骤
1． 将T12、T8试样放入电阻内，升温至930℃，保温3～4小时，随 炉冷却。
2． 取出试样，制取截面金相试样（预磨、抛光、腐蚀4%HNO3、酒 精）。
它反映了流体流段流动方向的能量守恒。 式中，z-----------位置水头，m
p/ρg------压力水头，m v2/2g------速度水头，m 连接总流各断面(z+p/ρg)的顶点而形成的线即为测压管水头线；连 接总流各断面(z+p/ρg+ v2/2g)的顶点而形成的线即为测压管水头线；这 两条线的走向可以说明各种水头沿流程变化的规律。
五、实验结果整理
1、根据记录及公式计算出的流量填写表1。
2、利用各断面面积S，计算出各断面平均流速及相应的速度水头。其中α 为动能修正系数，其大小取决于流速在有效断面上分布的不均匀性。 管流大多属紊流，α =1.05～1.10，实际常取α =1。
3、从各断面测压管水头及速度水头即可算出各断面的总水头，填写表 2，并按一定比例绘出水管管路上测压管水头线及总水头线。
(2)
氧与Cu-Al中Al的氧化速度为：
Vr=kC’
(3)
在稳定状态下，式(2)= 式(3)，即
(4)
化简可得：
(5)
氧化初期，扩散阻力小，DA>>k，式(5)可变为：
X=kCt
(6)
随着扩散层增厚，氧的扩散阻力增加，扩散进度愈来愈慢，扩散层 厚度就取决于扩散速度，此时k>>D，式(5)可变为：
(7)
（1）
式中，CA——物质A的浓度 DA——A的扩散系数 jAX——物质A在X方向上的扩散速率
以制备Al2O3/Cu表面复合材料为例（图1），设在t秒内扩散层厚度 为X cm，初始的浓度为C，扩散X厚度处的浓度为C’，则扩散速率Vd 为：
氧原子扩散方向 Cu-Al合金 C’ C 扩散层 图1 制备Al2O3/Cu表面复合材料示意
实验一、伯努利方程实验（动量传输）
一、实验目的
1. 观察液体在管道中流动时能量守恒和转化的物理现象。 2. 测绘玻璃水管管路上的测压管水头线及总水头线。
二、实验原理
如果液体在管内的流动是稳定流，由于摩擦阻力的存在，对初始截面 1和截面2，则相对于同一水平基准面，实验流体总流的伯努利方程为：
z1+p1/ρg+ v12/2g= z2+p2/ρg+ v22/2g+h失 (1)
三、实验装置
图1伯努利方程实验装置图 A、B---阀门，C---溢流孔，D---水箱，E---不同管径的试验管，1、2、 3、4---测压管
四、实验步骤
1、选定测量位置水头的水平基准面。 2、关闭阀门B，开启阀门A，稳定水箱液面（保持最高水位并溢流）。
根据连通器原理，此时水箱液面与测压管内各液面为同一水平面，以 此来校正所选定的测量基准面是否水平。同时检查试验管和各测压管 内是否有气泡。 3、将各断面内径及间距尺寸记录下来，并填入记录表格中。 4、打开阀门B，并检查水箱液面是否稳定。调节阀门B的大小，观察各 测压管液面的变化和各测压管间液面高度差的变化。 5、固定阀门B于某一开启度，测记所定基准面到各断面测压管中液面的 高度（即各断面的测压管水头）。 6、在测记各测压管水头的同时，用体积法测定试验管中的流量，其方法 是用秒表和量筒，测出时间间隔t内流过的体积总量V，并重复3～4 次。 7、调节阀门B于另一开启度，重复上述实验步骤5和6。
平均流量Q 均(cm3/s)
断面 编号
内径 (cm)
面积 (cm2)
流速 v(cm/s)
速度水头 αv2/2g(cm)
测压 管水
头 z+p/ ρ g(cm)
1
开
2
启
度1
3
4
1
开 启
2
度2
3
4
总水头 z+p/ρg+ αv2/2g(cm)
水头 损失 (cm)
六、实验思考题
1、为什么实验所得总水头的走向总是下降？ 2、为什么开大阀门B（流量增大）时，测压管水头线下降？
3． 组织观察，并画示意图，标明组成。 4． 观察Al2O3/Cu表面复合材料复合层厚度（注意工艺条件）。
五、实验要求
1．画出T12钢及脱碳后的组织形象。 2．分析Al2O3/Cu表面复合层厚度的影响因素？并画出示意曲线。 3．对本实验有何体会和建议？
3、如果突然关阀门B，测压管液面将发生什么现象？并解释。
实验二、质量传输实验
一、实验目的
1．熟悉菲克扩散第一定律 2．熟悉有关设备、了解钢的退火工艺及脱碳缺陷 3．观察T12钢及出现脱碳缺陷的金相组织。Al2O3/Cu表面复合材料的复
合层厚度并分析温度及时间对其影响。
二、实验原理
1．在稳定状态下，冶金过程中菲克扩散第一定律的表达式为：