材料物理性能07

12、热容随温度变化的实际规律•P5，3个区域的划分！•1.2.2晶体固体热容的经典理论和经验定律•19世纪中叶以前，人类能实现的低温范围很有限，在有限的低温和室温或较高温度下，测定材料的热容为常数！•经典统计物理给出的解释也指出材料的比热是常数！•19世纪末期，人类能够获得更低的温度，发现材料的比热随温度下降而下降！21.2.3热容的量子理论nNq,iTkqiiBieqqE3121Vm.VTEC03221Nq,iTk/qTk/qBiBBiBieeTkqk爱因斯坦理论22013Tk/qTk/qBiBm,VBiBieeTkqkNC31.2.3热容的量子理论高温时92430.kNCBm,V低温时Tk/BiBm,VBieTkkNC203爱因斯坦理论给出热容随温度下降的趋势，但细节与实际不符。41.2.3热容的量子理论•德拜假设：格波的频率与波矢量成正比！Tk/mBVBmdeeTkRTC024319高温时低温时34024351219mBmBVTkRdeeTkRTC34512TR92431322.ReeTkkCnTk/Tk/BiBm,VBiBi5自由电子热容20201251FBETkEE温度不为零时，电子的平均动能为TEEkTECFBVem,V2002265em,VLm,Vm,VCCCP9，图1－461.2.4影响热容的因素•金属材料的热容（1）自由电子对热容的贡献（2）合金成分对热容的影响室温到较高温度，符合经典理论的规律（奈曼－柯普定律）72、无机材料的热容•基本符合德拜理论。•结构不敏感•单位体积的热容与气孔关系很大！•多孔材料热容小！高温炉内的耐火砖、保温材料等多用轻质多孔材料！2cTbTaCm,p83组织转变对热容的影响•一级相变和二级相变•亚稳态组织转变－4熔点和德拜温度的关系BmDk德拜温度与晶体中晶格振动的最高频率有关Lindemann公式321310761/aMmMVT.32137/aMDMVT9元素元素元素元素AgAlAsAuBBeBi金刚石CaCdCo225428282165125014401192230230209445CrCuFeGaGeGdHgInKLiLa63034347032037420071.910891344142MgMnMoNaNiPbPtSbSiSn灰Sn白400410450158450105240211645260200TaThTiTlVWZnZr24016342078.5380400327291DΘDΘDΘDΘ101.2.5热容的测量1、量热计法mTTQcp122、撒克司法关键是要测量样品升降温过程的吸热量或放热量Q；样品的温度！111.2.6热分析及其工程应用1、热分析法根据材料在不同温度下发生的“热量、质量、体积”等物理参数的变化与材料组织结构之间的关系，对材料进行分析研究的一类方法差热分析、差示扫描量热法、热重分析法和热膨胀分析等12差热分析（differentialthermalananlysis,简称DTA）•在程序控制温度下，将被测样品与参比物在相同的条件下加热或冷却，测量样品与参比物之间温差随温度或时间的变化。•参比物是热惰性物质TT13差示扫描量热法(Defferentialscanningcalorimery)简称DSC•在程序控温下，加热或冷却，为保证样品温度和标准样品（参比物）的温差为零，需要额外给被测样品补充热量；这个热量随温度和时间的关系热重法(Thermogravimetry)简称TG•在程序控温下，样品重量（质量）随温度的变化关系。14TmmTTDTATG15热分析法的应用•材料的所有转变和反应一般都伴随着热效应。通过热效应的测定，就可以研究材料的转变和反应等。•应用方面很多（自己看P14、15、16）161.3材料的热膨胀一、热膨胀的概念及热膨胀系数定义：物体在同种状态下，体积（volum）或长度（length）随温度升高而增加（increasewith）的现象为热膨胀。热膨胀是非常常见的一种热学行为，用线膨胀和体膨胀系数两个参量来定量描述这种行为。17热膨胀系数线膨胀系数的推导——假设温度从T1→T2，长度从L1→L2，则)](1[1212TTLL11121211LTLLTTLLTTLdTdL1当△T和△L趋近于0时，为T温度下的真实线膨胀系数，单位K-1。18热膨胀系数一般非金属材料的热膨胀系数较小，金属的热膨胀系数较大，范围都在10－5～10－6K－1。体膨胀系数的推导与线膨胀系数类似，T1-T2＝△T，V1→VTVdTdV)T(VVT11TT并非常数，随温度的变化而变化，一般用平均线膨胀系数表征。T↑，↑，单位也是K－1。19热膨胀系数)1)(1)(1(000TTTLLLLLLVcbacbacTbTaTT])(1[0TVVcbaTcbacba,,对各向异性晶体，各晶轴方向的线膨胀系数不同，设为，忽略二次方项201.3.2热膨胀的物理本质•热膨胀的机理热膨胀来源于原子的非简谐振动。•从原子间作用力模型来解释在原子的平衡位置附近受力是非对称的。在r0左侧斥力增大很快，r0右侧引力增加较慢。原子振动随T↑，振幅的增大，中点位置必然要向右移，相当于原子间距增大。211.3.2热膨胀的物理本质2从原子间作用能来解释221.3.3热膨胀与其他物理性能的关系1、热膨胀与热容的关系格律乃森（Grüneisen）根据晶格振动理论导出了热膨胀系数与热容之间的关系式VKrCVV0VKrCVl032、热膨胀与结合能、熔点之间的关系23原子间结合力大位阱深而狭！热膨胀小、熔点高！固体的热膨胀极限方程，对于纯金属06000.VVVTTmVm241.3.4影响热膨胀性能的因素对于无机非金属材料，金属材料的膨胀系数）1结合键键合强度高的材料↓2结构结构紧密的晶体↑结构松散的材料，例非晶，↓多晶石英12×10－6K－1非晶石英0.5×10-6K-1251.3.4影响热膨胀性能的因素3晶体结构非等轴晶系石墨b，a轴方向的膨胀系数＝1×10-6K-1c轴方向的膨胀系数＝27×10-6K-1对于高度各向异性材料→体膨胀系数小，例堇青石。261.3.4影响热膨胀性能的因素4金属或合金相变2)溶质原子的种类和溶入的多少，（Mn1517K，Sn505K）Fe1809K，↑（V2175K，Cr2130K）Fe↓3)合金元素在钢中是溶入（↑）还是形成化合物（↓）。1)相变都伴随变化。一级相变有突变，二级相变时只出现拐折，如有序→无序转变，图1-16。271.3.5热膨胀系数的测量•机械膨胀仪•光学膨胀仪•电测膨胀仪•膨胀法在材料研究中的应用利用相变时热膨胀随温度的异常变化研究相变点研究晶体缺陷－缺陷存在引起体积变化－研究空位浓度！281.3.6热膨胀的工程应用•精密仪器设备部件－•要求热膨胀系数小•利用热膨胀效应的元件•要求采用高热膨胀系数的材料•不同材料的连接•要求热膨胀系数匹配！291.4材料的导热性•1.4.1材料的导热性及热导率热传导：热量自动地从高温区（高温物体）向低温区（低温物体）转移的现象，称为热传导。tSdXdTQ热导率（导热系数）sKm/JKm/W或301.4.1材料的导热性及热导率TgradTj金属50~415合金12~120绝热材料0.03~0.17非金属液体0.17~0.7大气压气体0.007~0.17典型材料的热导率W/m·K物体内部各处温度稳定时311.4.1材料的导热性及热导率•非稳态热传导与稳态不同•非稳态热传导中，材料各点温度随时间变化。其遵循的方程应该是：z,y,xTzyxcTctTpp2222222定义：pc热扩散率或导温系数在相同的加热或冷却条件下，导温系数越大，物体各处的温差越小。321.4.1材料的导热性及热导率•非稳态热传导与稳态不同•非稳态热传导中，材料各点温度随时间变化。其遵循的方程应该是：z,y,xTzyxcTctTpp2222222定义：pc热扩散率或导温系数在相同的加热或冷却条件下，导温系数越大，物体各处的温差越小。33331.4.2热传导的物理机制•热运动•晶格振动自由电子热运动晶格振动，可以用“声子”语言来描述，晶格传热可以看成是“声子气体”传热！理想气体的导热公式lvc31dlvc31343411TkqBqenqBBqTkTkqn1exp1高温下低温下TkTkqnBqBqexp1exp1自由电子传热35351.4.3影响材料导热性能的因素1金属热导率与电导率之间的关系（Wiedeman-Franz）定律室温下，很多金属的热导率与电导率之比基本一样！（Lorenlz）进一步发现LT2温度对金属热导率的影响36363温度对无机非金属材料的影响•无机非金属材料主要靠声子到热，高温时光子导热逐渐体现出来！374晶体结构的影响•晶体结构复杂，晶格振动的非线形程度越大，格波传播收到的散射越大，声子的平均自由程越小，热导率就越低！•非等轴晶系的晶体，热导率各向异性！•多晶体比单晶体热导率小！38385化学组成的影响•原子量小、原子间作用力强的晶体，热导率大！•形成固溶体时，晶格畸变、缺陷增多，热导率降低！39396复相材料的热导率7气孔的影响Ps1对于小而均匀的气孔对于大尺寸的气孔影响有所区别透明和不透明材料，气孔的影响也不同！40401.4.4热导率的测量及应用•稳态法•非稳态法热导率的应用41411.5材料的热稳定性•材料承受温度急剧变化而不破坏的能力，又称为抗热震性•抗热冲击断裂性－材料抵抗热冲击下发生瞬时断裂的性能。•抗热冲击损失——材料抵抗在热冲击循环作用情况下发生破损变质的能力。42421.5材料的热稳定性•热应力的来源：因热胀冷缩受到限制而产生热应力。•抗热冲击断裂韧性1、第一热应力断裂抵抗因子ERlf1热应力超过材料极限强度43431.5材料的热稳定性•第二热应力断裂抵抗因子lfE'R1材料的热导率对抗热应力断裂有很大影响•第三热应力断裂抵抗因子pplflfcRcEER'11材料的导温系数对抗热断裂性能的影响，主要应用于确定材料所能允许的最大冷却速率44441.5.4抗热冲击损伤性能•抗热冲击损伤因子12E'''R122effrER451.5.5提高抗热冲击断裂性能的措施•提高材料强度，减小弹性模量•提高热导率•减小材料热膨胀系数•减小表面散热系数•减小产品的有效厚度