材料性能與測試-第十一章材料的熱性能

1、1 2 引 言 材料熱學(xué)性能主要有熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)。 也是材料物理性能的重要組成部分。熱傳導(dǎo)是熱 量傳遞的三種基本方式之一；熱性能在材料相變 研究有重要的理論意義；工程上應(yīng)用廣泛，如航 天耐熱導(dǎo)熱隔熱材料，可抵御高熱、保護(hù)人機(jī)安 全，節(jié)約能源；冶金工業(yè)中耐火材料的設(shè)計(jì)； 本章概括地介紹熱學(xué)性能的物理概念、影響 因素、測量方法以及在材料研究中的應(yīng)用。 3 目 錄 11.1 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ) 11.2 熱容熱容 11.3 熱膨脹熱膨脹 11.4 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 4 11.1 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ) 1. 晶格熱振動 固體材料的各種熱學(xué)性能，均與構(gòu)成材料的質(zhì)點(diǎn) (原子、離子)熱振動

2、有關(guān)，點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子) 總是圍繞其平衡位置作微小振動。 晶格熱振動是三維的，3個方向的線性振動 簡諧振動方程： 振動頻率隨Em(微觀彈性模量)的增大而提高 m質(zhì)量，x質(zhì)點(diǎn)的位移量 5 彈性波(又稱晶格波，其能量量子稱為聲子) 多頻率振動的組合波 (1) 聲頻支振動:如果振動著的質(zhì)點(diǎn)中包含頻率很低 的格波，質(zhì)點(diǎn)彼此之間的位相差不大 （2）光頻支振動:格波中頻率很高的振動波，質(zhì)點(diǎn) 間的位相差很大，頻率往往在紅外光區(qū)， （3）聲頻支可以看成是相鄰原子具有相同的振動方 向；光頻支可以看成相鄰原子振動方向相反，形成 一個范圍很小、頻率很高的振動 2. 彈性波 6 在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，

3、材料溫度升高1K時所 吸收的熱量(Q)稱做該材料的熱容，單位為J/K，不同材 料，熱容量不同 熱容表達(dá)式為： 單位質(zhì)量材料的熱容又稱之為“比熱容”或“質(zhì)量熱 容”,單位為J(kgK)；1 mol材料的熱容則稱為“摩爾 熱容”，單位為J(mol K) 11.2 熱容 1. 基本概念 7 同一種材料在不同溫度時的比熱容也往往不同，通常 工程上所用的平均比熱容是指單位質(zhì)量的材料從溫度T1 到T2所吸收的熱量的平均值: T1T2的范圍愈大，精確性愈差 當(dāng)溫度T2無限趨近于T1時，材料的比熱容，即 Q-熱量；E內(nèi)能；H焓 加熱過程恒壓條件，所測定的比熱容稱為比定壓熱容(Cp) 加熱過程容積不變時，所測定

4、的熱容稱為比定容熱容(Cv) 8 恒壓加熱過程中，物體除溫度升高外，還要對外界作功 (膨脹功)，每提高1K溫度需要吸收更多的熱量 CpCv 根據(jù)熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出Cp和Cv的關(guān)系： VdV/VdT, 容積熱膨脹系數(shù)；Vm:摩爾容積； -dV/Vdp，三向靜力壓縮系數(shù); 9 a. 元素的熱容定律 杜隆珀替定律：“恒壓下元素的 原子熱容等于24.9J(K mol)” b.化合物熱容定律 柯普定律：“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” 固體材料的熱容兩個經(jīng)驗(yàn)定律 10 能量自由度均分，每一振動自由度的平均動能和平均位 能都為(1/2)kT，一個原子有3個振動自由度，平均動能 和位能

5、的總和就等于3kT，一摩爾固體中有NA個原子總 能量 1 mol單原子固體物質(zhì)的摩爾定容熱容為 經(jīng)典熱容理論 NA阿伏加德羅常數(shù) 6.021023/mol；k波爾茲曼常數(shù) 1.3811023J/K；R氣體常數(shù) 8.314 J/Kmol； 認(rèn)為：熱容是與溫度無關(guān)的常數(shù)認(rèn)為：熱容是與溫度無關(guān)的常數(shù)， 杜隆杜隆珀替定律的實(shí)質(zhì)珀替定律的實(shí)質(zhì) 11 對于雙原子的固態(tài)化合物，摩爾定容熱容為Cv、m 2 25J（Kmol)，三原子固態(tài)化合物的摩爾定容熱容為Cv、 m=3 25J(K mol )； 杜隆杜隆珀替定律在高溫時與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是很符合的，珀替定律在高溫時與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是很符合的， 但在低溫下時卻相差較大，實(shí)

6、驗(yàn)結(jié)果表明材料的但在低溫下時卻相差較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料的 摩爾熱容，是隨溫度而變化的摩爾熱容，是隨溫度而變化的 12 2. 固體熱容的量子理論 同一溫度下，物質(zhì)中不同質(zhì)點(diǎn)的熱振動頻率不同 ，同一質(zhì)點(diǎn)振動的能量在不同時刻，大小不同， 而且振動能量是量子化的。 1) 愛因斯坦模型 愛因斯坦模型認(rèn)為：晶體中每一個原子都是一個 獨(dú)立的振子原子都以相同的頻率振動。 式中fE稱為愛因斯坦函數(shù)，RNAk，Ehv/k，愛因斯坦 溫度；T很大時，CVm3R24.9J/molK,和杜-鉑定律符合 13 T很低時，依指數(shù)規(guī)律隨溫很低時，依指數(shù)規(guī)律隨溫 度而變化，而不是從試驗(yàn)中度而變化，而不是從試驗(yàn)中 得出的按得出

7、的按T變化的規(guī)律變化的規(guī)律 忽略振動之間頻率的差別是忽略振動之間頻率的差別是 此模型在低溫時不準(zhǔn)確的原此模型在低溫時不準(zhǔn)確的原 因因 2) 德拜(Debye)模型 晶體中原子存在彈性斥力和引力，相互作用晶體中原子存在彈性斥力和引力，相互作用 的對熱容的主要貢獻(xiàn)是彈性波的振動，即聲頻支，的對熱容的主要貢獻(xiàn)是彈性波的振動，即聲頻支， 在低溫下占主導(dǎo)地位晶體近似視為連續(xù)介質(zhì)，聲在低溫下占主導(dǎo)地位晶體近似視為連續(xù)介質(zhì)，聲 頻支的振動近似地看作是連續(xù)的頻支的振動近似地看作是連續(xù)的 14 式中fD稱為德拜比熱函數(shù)，x D /T, RNAk， Dhv/k，德拜溫度； T很大時，CVm3R24.9J/molK

8、,和杜-鉑定律符 合; 溫度很低時，符合實(shí)驗(yàn)T立方規(guī)律 金屬德拜溫度是金屬本征物理量，可間接反映原子間 得結(jié)合力強(qiáng)弱，熔點(diǎn)高，結(jié)合力強(qiáng)，德拜溫度高；Ar 元素相對原子量，Vm摩爾體積 15 德拜模型雖比愛因斯坦模型進(jìn)步，能解釋部分 金屬德實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但不完全適合其它化合物，因 為把晶體看成連續(xù)介質(zhì)，對于原子振動頻率較高 部分不適用，因此金屬在很高溫度(大于1000K)、 極低溫度(小于5K)不符合。 另外，實(shí)際材料多相，雜質(zhì)晶界影響，誤差大 ；忽略了電子運(yùn)動能量對熱容的貢獻(xiàn)；符合得比 較好得是陶瓷材料(離子鍵共價(jià)鍵，室溫下幾乎沒 有自由電子) 16 3. 熱容的影響因素(自學(xué)) a. 合金成分

9、b. 相變，一級相變、二級相變； 純鐵的熱容變化，既有 一級相變，也有二級相 變 17 4. 熱容的測量 18 19 20 5. 熱分析法的應(yīng)用 根據(jù)材料在不同溫度下發(fā)生的熱量、質(zhì)量、體根據(jù)材料在不同溫度下發(fā)生的熱量、質(zhì)量、體 積積等物理參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對材料進(jìn)等物理參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對材料進(jìn) 行分析研究。行分析研究。 1）差熱分析（）差熱分析（DTA）：在程序溫度控制下，測量）：在程序溫度控制下，測量 試樣和參照物的溫度差隨溫度（試樣和參照物的溫度差隨溫度（T）或時間）或時間(t)的變的變 化關(guān)系化關(guān)系 2) 差示掃描量熱法差示掃描量熱法(DSC)：在程序溫度控制下用：在程

10、序溫度控制下用 差動方法測量加熱或冷卻過程中，在試樣和標(biāo)樣差動方法測量加熱或冷卻過程中，在試樣和標(biāo)樣 的溫度差保持為零時，所要補(bǔ)充的熱量與溫度和的溫度差保持為零時，所要補(bǔ)充的熱量與溫度和 時間的關(guān)系的分析技術(shù)時間的關(guān)系的分析技術(shù) 。 3) 熱重法熱重法(簡稱簡稱TG) ：在程序控制溫度下測量材：在程序控制溫度下測量材 料的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)。料的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)。 21 通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)， 如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、 聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱效

11、應(yīng)來進(jìn)行物質(zhì)鑒聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來進(jìn)行物質(zhì)鑒 定定 在陶瓷生產(chǎn)中可幫助確定各種原料配入量在陶瓷生產(chǎn)中可幫助確定各種原料配入量 和制訂燒成制度和制訂燒成制度 在金屬材料研究中，熱分析方法也有廣泛在金屬材料研究中，熱分析方法也有廣泛 的用途的用途 22 11.3 熱膨脹 1. 基本概念 物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象 23 質(zhì)點(diǎn)在平衡位置兩側(cè)時受力的情質(zhì)點(diǎn)在平衡位置兩側(cè)時受力的情 況況并不對稱并不對稱，在質(zhì)點(diǎn)平衡位置，在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r r0 0的的 兩側(cè)，合力曲線的斜率是不等的，兩側(cè)，合力曲線的斜率是不等的， 當(dāng)當(dāng)r r r r0 0 時，

12、曲線斜率較大，時，曲線斜率較大，r r r r0 0時，斜率較小，質(zhì)點(diǎn)振動時的平時，斜率較小，質(zhì)點(diǎn)振動時的平 均位置就不在均位置就不在r r0 0處而要向右移處而要向右移 動因此相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離增加，動因此相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離增加， 溫度越高，振幅越大，質(zhì)點(diǎn)在溫度越高，振幅越大，質(zhì)點(diǎn)在r r0 0兩兩 側(cè)受力不對稱情況越顯著，平衡位側(cè)受力不對稱情況越顯著，平衡位 置向右移動得越多，相鄰質(zhì)點(diǎn)間平置向右移動得越多，相鄰質(zhì)點(diǎn)間平 均距離也就增加得越多，以致晶胞均距離也就增加得越多，以致晶胞 參數(shù)增大，晶體膨脹。參數(shù)增大，晶體膨脹。 溫度升高，質(zhì)點(diǎn)平均位置移動，溫度升高，質(zhì)點(diǎn)平均位置移動， 晶體就膨脹

13、；晶體中熱缺陷的形成晶體就膨脹；晶體中熱缺陷的形成 將造成局部晶格的畸變和膨脹將造成局部晶格的畸變和膨脹 2. 熱膨脹機(jī)理 24 3. 熱膨脹和其它性能關(guān)系 1) 1) 熱膨脹和熱容的關(guān)系熱膨脹和熱容的關(guān)系 固體材料受熱引起的容積的膨脹是晶格振動固體材料受熱引起的容積的膨脹是晶格振動 加劇的結(jié)果，晶格振動的加劇是原子加劇的結(jié)果，晶格振動的加劇是原子( (離子離子) )熱運(yùn)熱運(yùn) 動能量的增大，升高單位溫度時能量的增量正是動能量的增大，升高單位溫度時能量的增量正是 熱容。兩者的比值接近于恒值熱容。兩者的比值接近于恒值 25 2) 2) 熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系 結(jié)合力越

14、強(qiáng)的材料，熱膨脹系數(shù)越小結(jié)合力越強(qiáng)的材料，熱膨脹系數(shù)越小 結(jié)合能大的熔點(diǎn)較高，通常熔點(diǎn)高、膨脹系數(shù)結(jié)合能大的熔點(diǎn)較高，通常熔點(diǎn)高、膨脹系數(shù) 小；??； 26 1)1)、化學(xué)成分化學(xué)成分: :堿金屬高，過渡族低；合金堿金屬高，過渡族低；合金 2)2)、鍵強(qiáng)度鍵強(qiáng)度 鍵強(qiáng)度高的材料，有低的熱膨脹系數(shù)鍵強(qiáng)度高的材料，有低的熱膨脹系數(shù) 3)3)、晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而非晶態(tài)結(jié)結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而非晶態(tài)結(jié) 構(gòu)比較松散的材料，有較小的熱膨脹系數(shù)。構(gòu)比較松散的材料，有較小的熱膨脹系數(shù)。 非等軸晶系的晶體，各晶鈾方向的膨脹系數(shù)不等，非等軸晶系的晶體，各晶鈾方向的膨脹系

15、數(shù)不等， 因?yàn)閷觾?nèi)有牢固的聯(lián)系，而層間的聯(lián)系要弱得多。因?yàn)閷觾?nèi)有牢固的聯(lián)系，而層間的聯(lián)系要弱得多。 層間膨脹系數(shù)為小，層內(nèi)的膨脹系數(shù)大。層間膨脹系數(shù)為小，層內(nèi)的膨脹系數(shù)大。 結(jié)構(gòu)上高度各向異性的材料，體膨脹系數(shù)都很小，結(jié)構(gòu)上高度各向異性的材料，體膨脹系數(shù)都很小， 是一種優(yōu)良的抗熱震材料。是一種優(yōu)良的抗熱震材料。 4. 熱膨脹的影響因素(自學(xué)) 27 4) 4) 其他因素其他因素 相變、合金成分和組織、晶體結(jié)構(gòu)及鋼中組相變、合金成分和組織、晶體結(jié)構(gòu)及鋼中組 成相成相 純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排伴隨純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排伴隨 著金屬比容突變著金屬比容突變, ,導(dǎo)致線膨脹系數(shù)發(fā)生

16、不連續(xù)變化導(dǎo)致線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化 有序有序無序轉(zhuǎn)變時無體積突變，膨脹系數(shù)在無序轉(zhuǎn)變時無體積突變，膨脹系數(shù)在 相變溫區(qū)僅出現(xiàn)拐折相變溫區(qū)僅出現(xiàn)拐折 組成合金的溶質(zhì)元素對合金熱膨脹有明顯影組成合金的溶質(zhì)元素對合金熱膨脹有明顯影 響響 多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相性質(zhì)和多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相性質(zhì)和 數(shù)量數(shù)量 鋼的熱膨脹特性取決于組成相特性鋼的熱膨脹特性取決于組成相特性 28 29 5. 熱膨脹系數(shù)的測量 1) 1) 簡易熱膨脹儀簡易熱膨脹儀 30 2) 2) 光學(xué)熱膨脹儀光學(xué)熱膨脹儀 標(biāo)樣和試樣，光杠桿放大膨脹量；標(biāo)樣和試樣，光杠桿放大膨脹量； 3) 3) 電膨脹儀電膨脹儀 電感

17、式、電容式等；目前應(yīng)用最多電感式、電容式等；目前應(yīng)用最多 31 6. 熱膨脹的應(yīng)用(自學(xué)) a.a.鋼的相變點(diǎn)和連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線；鋼的相變點(diǎn)和連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線； b.b.膨脹合金：低膨脹合金、定膨脹合金、高膨脹膨脹合金：低膨脹合金、定膨脹合金、高膨脹 合金、復(fù)合材料膨脹匹配設(shè)計(jì)熱沉材料合金、復(fù)合材料膨脹匹配設(shè)計(jì)熱沉材料 32 11.4 熱傳導(dǎo) a. 定義定義：當(dāng)固體兩端存在溫差時，熱量從熱端自：當(dāng)固體兩端存在溫差時，熱量從熱端自 動地傳向冷端的現(xiàn)象動地傳向冷端的現(xiàn)象 b. 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù): 穩(wěn)定傳熱條件下，單位時間通過單穩(wěn)定傳熱條件下，單位時間通過單 位垂直截面積上的熱流密度，位垂直截面積上的熱流密

18、度，W/(mK) 1. 熱傳導(dǎo)的概念 33 c. 導(dǎo)溫系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù): 又稱熱擴(kuò)散率，又稱熱擴(kuò)散率， 單位單位m2/s；若材料；若材料 棒各點(diǎn)的溫度隨時間變化，截面上各點(diǎn)溫度變化棒各點(diǎn)的溫度隨時間變化，截面上各點(diǎn)溫度變化 率：率： p p c x T ct T 2 2 式中cp為比定壓熱容，為材料密度，t為時間， 不穩(wěn)定導(dǎo)熱，既有熱量傳導(dǎo)變化，又有溫度變化；不穩(wěn)定導(dǎo)熱，既有熱量傳導(dǎo)變化，又有溫度變化； 越大，物體各處的溫差越小；越大，物體各處的溫差越?。?34 2. 熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理 固體導(dǎo)熱主要是由晶格振動的格波和自由電子的運(yùn)動來固體導(dǎo)熱主要是由晶格振動的格波和自由電子的運(yùn)動來 實(shí)現(xiàn)，此外還有

19、部分光子輻射；實(shí)現(xiàn)，此外還有部分光子輻射； 某一質(zhì)點(diǎn)處于較高的溫度狀態(tài)，它的熱振動就較為強(qiáng)烈，某一質(zhì)點(diǎn)處于較高的溫度狀態(tài)，它的熱振動就較為強(qiáng)烈， 振動較弱的質(zhì)點(diǎn)在振動較強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)的影響下，振動就會加振動較弱的質(zhì)點(diǎn)在振動較強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)的影響下，振動就會加 劇，熱振動能量就增加，熱量就能轉(zhuǎn)移和傳遞劇，熱振動能量就增加，熱量就能轉(zhuǎn)移和傳遞 。 35 聲子概念 量子理論認(rèn)為：一個諧振子的能量變化不能取量子理論認(rèn)為：一個諧振子的能量變化不能取 任意值，只能是取量子能量的整數(shù)倍，一個量子任意值，只能是取量子能量的整數(shù)倍，一個量子 具有具有h(普朗克常數(shù)乘以振動頻率普朗克常數(shù)乘以振動頻率)能量能量 ，晶格振晶格振 動中的能量是量子化的動中的能量是量子化的 聲頻波看成彈性波，類似在固體中的聲波，把聲頻波看成彈性波，類似在固體中的聲波，把 聲頻波的聲頻波的“量子量子”稱為稱為“聲子聲子” ； 把格波傳播看成聲子后，就可以把格波與物質(zhì)的把格波傳播看成聲子后，就可以把格波與物質(zhì)的 作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，可以用氣體傳熱作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，可以用氣體傳熱 概念處理；概念處理； 36 純金屬純金屬合金合金半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 電子導(dǎo)熱為主電子導(dǎo)熱為主 聲子作用加大聲子作用加大 電子、聲子導(dǎo)電子、聲子導(dǎo) 熱各半熱各半 聲子導(dǎo)熱為主聲子導(dǎo)熱為主 只有在極高溫度下，才有光子導(dǎo)熱只有在極高溫度下，