fh12-材料的熱學性能-1

1、材料性能學,付 華石家莊鐵道大學,第12章 材料的熱學性能第13章 材料的磁學性能第14章 材料的電學性能第15章 材料的光學性能,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 點陣（晶格）振動12.2 熱容12.3 熱膨脹12.4 熱傳導12.5 熱穩(wěn)定性,第12章 材料的熱學性能,,12.1 晶體的點陣振動,材料溫度升高1k吸收的熱量——>熱容； 單位質量材料的

2、熱容——>比熱容。,物理本質：,聲頻支：低f 光頻支：高f （紅外光區(qū)）,晶格質點（原子/離子）的熱振動（3維）→→以波（格波）的形式傳播：,12.2 熱容,（一）經典熱容理論（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,質點孤立熱振動，能量連續(xù)變化，有任何頻率的振動（聲頻支、光頻支）。----分子動力學,單原子理想氣體，1個自由度，只有動能：,用諧振子代表固體原子在平衡位置一個自由度的振動，且平均動能等于平均位能。,固體中一個原子有3個自由度，總能量3kt。,（一）經典熱容理論（固體）,1mol固體中：E總=3Nkt N：阿佛加德羅常數；1mol單原子固體物質的摩爾定容熱容：

4、 Cv=3Nk=3R≈25J/mol/k,杜隆--珀替定律：熱容與溫度無關，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，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，大多數氧化物和硅酸鹽化合物 的熱容。計算多相合金和復合材料的熱容。,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：原子能量ε=hγ

6、,同一溫度下，不同質點熱振動頻率不一定相同， 能量時大時小，且振動能量是量子化的。,1. 愛因斯坦模型：原子獨立地以相同 f 振動，無耦合——>過于簡單。,2. 德拜 Debye 固體熱容理論：晶體為近似連續(xù)介質，主要考慮聲頻支和原子間相互作用（低溫下聲頻支遠大于晶格常數）。,德拜 Debye，Peter Joseph Wilhelm ：,德拜：荷蘭-美國。 專業(yè)：電機工程，物理學博士 1916年德拜和謝樂

7、一起推進布喇格父子的研究，固體粉末X射線衍射環(huán)；認為大多數鹽（氯化鈉）是完全電離的； 1912年改進愛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,,,當溫度很低時，即T<<θD：,,當溫度較高時，即T>>θD，CVm≈3R-----杜隆-珀替定律。,當T趨于0K時， 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

8、：,極低溫時，電子運動 對熱容貢獻不可忽略。,德拜理論的不足：,不能解釋超導現象。,適用：金屬、簡單離子晶體， Al, Cu, C,KCl等， 不完全適用化合物。,實際材料----多相結構，晶界、雜質等缺陷，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、顯著熱運動。,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。經典理論Ce=3k/2。,二級相變：熱焓無突變,轉變在一個溫度區(qū)間完成,熱容有極大峰值。 （磁性，有序無序轉變）,相變比熱：,一級相變：熱焓突變，臨界點Tc 熱容無限大。 2個平衡相。熔化與凝固,1.相變,固體材料的熱容與組織結構關系不大。CaSiO3與（CaO+SiO2）混合物的熱容曲線基本重合。,2.組織結構,無相變范圍內，經驗

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，物體的長度或體積增大的現象。,,平均線膨脹系數：,鋼：（10-20）×10-6/K無機非金屬：（1-10）× 10-6/K,真線膨脹系數 ：,體膨脹系數αV：各向同性體：3α各向異性晶體：αV=αa+αb+αC .,12.3.2 熱膨脹機理,2．熱缺陷→晶格畸變→膨脹。,1．質點不對稱熱振動→膨脹。,質點在平衡位置兩側受力

11、 不對稱，非簡諧振動； 振動位置從aAb變化，平均位置r1，偏離r0(右側)。,（晶格振動引起熱膨脹，與熱容變化趨勢相同）,12.3.3 影響熱膨脹的因素,1．化學成分、晶體結構、鍵強度,A.鍵強度高→α↓。陶瓷類，共價鍵SiC, Si,Ge,Ti,V,B. 結構緊密→α大。 結構松散→α小。（空隙多，容納原子間距的增大） 多晶石英α：12×10-6/K 無定形石英α：0.5×10-6

12、/K,,無機材料,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 熱膨脹性能的應用,1．α的匹配（測試材料的α）,普通陶瓷坯、釉間α的匹配：α釉＜α坯→表面壓應力，強度↑，微裂紋↓α釉＞α坯→表面

13、拉應力，強度↓，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。,組織轉變→體積效應→膨脹曲線改變規(guī)律,2．材料科學,（1）測定鋼的組織轉變臨界點比容：A＜F+Fe3C(P,S,T) ＜M膨脹系數：A最大（結構緊密的晶體膨脹系數大）,（3）淬火鋼的回火過程研究,相變溫度、相變動力學,（2）研究鋼的 TTT圖和CCT曲線。,低膨脹系數材料：,因瓦合金 “Invar”(法語)

14、：“不變鋼”，俗稱殷鋼，Fe-Ni36%的特殊鋼，膨脹系數極小，適合做測量元件。標準尺、測溫計、測距儀、鐘表擺輪、塊規(guī)、微波設備的諧振腔、重力儀、熱雙金屬、光學儀器零件等 。1896年，瑞士物理學家紀堯姆（C. E. Guillaume）發(fā)現。為此獲得1920年的諾貝爾物理學獎，是歷史上第一/唯一位因一項冶金學成果而獲此殊榮的科學家。,可伐合金： kovar alloy,20世紀30年代出現。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，使封接應力降到極小值，延展性 很好，可以軋成薄帶，拉成細絲。 電真空元件，發(fā)射管，顯像管， 開關管，晶體管、電子管、氣體放電燈等 電極與玻璃的融合。,負熱膨脹材料 :,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