fh12-材料的熱學(xué)性能-1

1、材料性能學(xué),付 華石家莊鐵道大學(xué),第12章 材料的熱學(xué)性能第13章 材料的磁學(xué)性能第14章 材料的電學(xué)性能第15章 材料的光學(xué)性能,第二部分 材料的物理性能,功能材料,研究相變與組織的手段,12.1 晶體的 點(diǎn)陣（晶格）振動(dòng)12.2 熱容12.3 熱膨脹12.4 熱傳導(dǎo)12.5 熱穩(wěn)定性,第12章 材料的熱學(xué)性能,,12.1 晶體的點(diǎn)陣振動(dòng),材料溫度升高1k吸收的熱量——>熱容； 單位質(zhì)量材料的

2、熱容——>比熱容。,物理本質(zhì)：,聲頻支：低f 光頻支：高f （紅外光區(qū)）,晶格質(zhì)點(diǎn)（原子/離子）的熱振動(dòng)（3維）→→以波（格波）的形式傳播：,12.2 熱容,（一）經(jīng)典熱容理論（固體）,一、熱容理論,（二）量子理論（固體熱容）,2. 德拜（Debye）固體熱容理論,1. 愛(ài)因斯坦模型,1. 杜隆--珀替定律（Dulong-Petit law ）,2.紐曼--柯普定律（Neumann-Kopp）,

3、杜隆--珀替定律： 1819年法國(guó),質(zhì)點(diǎn)孤立熱振動(dòng)，能量連續(xù)變化，有任何頻率的振動(dòng)（聲頻支、光頻支）。----分子動(dòng)力學(xué),單原子理想氣體，1個(gè)自由度，只有動(dòng)能：,用諧振子代表固體原子在平衡位置一個(gè)自由度的振動(dòng)，且平均動(dòng)能等于平均位能。,固體中一個(gè)原子有3個(gè)自由度，總能量3kt。,（一）經(jīng)典熱容理論（固體）,1mol固體中：E總=3Nkt N：阿佛加德羅常數(shù)；1mol單原子固體物質(zhì)的摩爾定容熱容：

4、 Cv=3Nk=3R≈25J/mol/k,杜隆--珀替定律：熱容與溫度無(wú)關(guān)，單原子為3R，雙原子6R。,只適用于較高溫度下；,低溫下，固體熱容與溫度有關(guān)，Cv∝T3；用量子理論解釋。,表12-1 輕元素的原子熱容,適用：室溫下：大多數(shù)金屬和一些非金屬；高溫下：B、Be、Si和金剛石；,不適用：輕元素,較高溫度下固體化合物熱容有加和性；,“化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和”,紐曼----柯普定律

5、（Neumann-Kopp） ：,,300℃以上，大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物 的熱容。計(jì)算多相合金和復(fù)合材料的熱容。,2.紐曼--柯普定律（Neumann-Kopp） （化合物/合金）,（二）量子理論（固體熱容）,普朗克假說(shuō)：原子能量ε=hγ

6、,同一溫度下，不同質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)頻率不一定相同， 能量時(shí)大時(shí)小，且振動(dòng)能量是量子化的。,1. 愛(ài)因斯坦模型：原子獨(dú)立地以相同 f 振動(dòng)，無(wú)耦合——>過(guò)于簡(jiǎn)單。,2. 德拜 Debye 固體熱容理論：晶體為近似連續(xù)介質(zhì)，主要考慮聲頻支和原子間相互作用（低溫下聲頻支遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)）。,德拜 Debye，Peter Joseph Wilhelm ：,德拜：荷蘭-美國(guó)。 專業(yè)：電機(jī)工程，物理學(xué)博士 1916年德拜和謝樂(lè)

7、一起推進(jìn)布喇格父子的研究，固體粉末X射線衍射環(huán)；認(rèn)為大多數(shù)鹽（氯化鈉）是完全電離的； 1912年改進(jìn)愛(ài)因斯坦的固體比熱容公式 。,2. 德拜固體熱容理論：,θD德拜特征溫度,,,當(dāng)溫度很低時(shí)，即T<<θD：,,當(dāng)溫度較高時(shí)，即T>>θD，CVm≈3R-----杜隆-珀替定律。,當(dāng)T趨于0K時(shí)， CVm∝T3；著名的德拜T立方定律。溫度越低，近似越好。,極低溫下不完全符合事實(shí)

8、：,極低溫時(shí)，電子運(yùn)動(dòng) 對(duì)熱容貢獻(xiàn)不可忽略。,德拜理論的不足：,不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象。,適用：金屬、簡(jiǎn)單離子晶體， Al, Cu, C,KCl等， 不完全適用化合物。,實(shí)際材料----多相結(jié)構(gòu)，晶界、雜質(zhì)等缺陷，誤差更大。,二、影響熱容的因素,晶體比熱=晶格比熱（CL)+電子比熱(Ce）+相變比熱,電子比熱Ce：,常溫下：過(guò)渡族金屬s/d/f層電子熱容Ce很小,可忽略；,極高溫下不能忽略-->電子

9、顯著熱運(yùn)動(dòng)。,極低溫下：Ce不急劇減小，CL急劇減小，Ce所占比例增大，不可忽略。經(jīng)典理論Ce=3k/2。,二級(jí)相變：熱焓無(wú)突變,轉(zhuǎn)變?cè)谝粋€(gè)溫度區(qū)間完成,熱容有極大峰值。 （磁性，有序無(wú)序轉(zhuǎn)變）,相變比熱：,一級(jí)相變：熱焓突變，臨界點(diǎn)Tc 熱容無(wú)限大。 2個(gè)平衡相。熔化與凝固,1.相變,固體材料的熱容與組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。CaSiO3與（CaO+SiO2）混合物的熱容曲線基本重合。,2.組織結(jié)構(gòu),無(wú)相變范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)

10、公式 ：,,3.溫度,12.3 熱膨脹,12.3.1 基本概念,隨著溫度T升高，物體的長(zhǎng)度或體積增大的現(xiàn)象。,,平均線膨脹系數(shù)：,鋼：（10-20）×10-6/K無(wú)機(jī)非金屬：（1-10）× 10-6/K,真線膨脹系數(shù) ：,體膨脹系數(shù)αV：各向同性體：3α各向異性晶體：αV=αa+αb+αC .,12.3.2 熱膨脹機(jī)理,2．熱缺陷→晶格畸變→膨脹。,1．質(zhì)點(diǎn)不對(duì)稱熱振動(dòng)→膨脹。,質(zhì)點(diǎn)在平衡位置兩側(cè)受力

11、 不對(duì)稱，非簡(jiǎn)諧振動(dòng)； 振動(dòng)位置從aAb變化，平均位置r1，偏離r0(右側(cè))。,（晶格振動(dòng)引起熱膨脹，與熱容變化趨勢(shì)相同）,12.3.3 影響熱膨脹的因素,1．化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、鍵強(qiáng)度,A.鍵強(qiáng)度高→α↓。陶瓷類，共價(jià)鍵SiC, Si,Ge,Ti,V,B. 結(jié)構(gòu)緊密→α大。 結(jié)構(gòu)松散→α小。（空隙多，容納原子間距的增大） 多晶石英α：12×10-6/K 無(wú)定形石英α：0.5×10-6

12、/K,,無(wú)機(jī)材料,金屬材料,合金元素：固溶于F中：α↓ 形成合金碳化物：α↑,金屬材料,,C. 非等軸晶系：α各向異性大： 石墨：垂直C軸α：1×10-6/K 平行C軸α：27×10-6/K,2．相變（金屬材料）,相變：拐折,12.3.4 熱膨脹性能的應(yīng)用,1．α的匹配（測(cè)試材料的α）,普通陶瓷坯、釉間α的匹配：α釉＜α坯→表面壓應(yīng)力，強(qiáng)度↑，微裂紋↓α釉＞α坯→表面

13、拉應(yīng)力，強(qiáng)度↓，釉層龜裂。α釉＜＜α坯→釉層剝落。,金屬間α的匹配儀器儀表零件的α要小→→精度高。,組織轉(zhuǎn)變→體積效應(yīng)→膨脹曲線改變規(guī)律,2．材料科學(xué),（1）測(cè)定鋼的組織轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)比容：A＜F+Fe3C(P,S,T) ＜M膨脹系數(shù)：A最大（結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)大）,（3）淬火鋼的回火過(guò)程研究,相變溫度、相變動(dòng)力學(xué),（2）研究鋼的 TTT圖和CCT曲線。,低膨脹系數(shù)材料：,因瓦合金 “Invar”(法語(yǔ))

14、：“不變鋼”，俗稱殷鋼，F(xiàn)e-Ni36%的特殊鋼，膨脹系數(shù)極小，適合做測(cè)量元件。標(biāo)準(zhǔn)尺、測(cè)溫計(jì)、測(cè)距儀、鐘表擺輪、塊規(guī)、微波設(shè)備的諧振腔、重力儀、熱雙金屬、光學(xué)儀器零件等 。1896年，瑞士物理學(xué)家紀(jì)堯姆（C. E. Guillaume）發(fā)現(xiàn)。為此獲得1920年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是歷史上第一/唯一位因一項(xiàng)冶金學(xué)成果而獲此殊榮的科學(xué)家。,可伐合金： kovar alloy,20世紀(jì)30年代出現(xiàn)。鐵鎳鈷：Ni 28.5-29.5％

15、，Co 16.8-17.8％。在20-450℃，膨脹曲線 與硬玻璃很吻合，容易焊接和熔接，使封接應(yīng)力降到極小值，延展性 很好，可以軋成薄帶，拉成細(xì)絲。 電真空元件，發(fā)射管，顯像管， 開關(guān)管，晶體管、電子管、氣體放電燈等 電極與玻璃的融合。,負(fù)熱膨脹材料 :,Cd(CN)2 和Zn(CN)2 AM2O8 (A=Zr4+, Hf4+; M=Mo6+, W6+)Y2(MoO4)3,熱縮材料：高分子形狀記憶材料