材料熱學(xué)性能

1、材料熱學(xué)性能材料熱學(xué)性能 第一章第一章 材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能 熱學(xué)性能：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)。熱學(xué)性能：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)。 這些都與材料中原子的熱振動(dòng)有關(guān)，即直接決這些都與材料中原子的熱振動(dòng)有關(guān)，即直接決定于晶格振動(dòng)。定于晶格振動(dòng)。研究熱容和焓的目的：材料在相變時(shí)有熱的釋放或者研究熱容和焓的目的：材料在相變時(shí)有熱的釋放或者吸收?？梢砸罁?jù)焓、熱容的變化特征，來：吸收?？梢砸罁?jù)焓、熱容的變化特征，來： （1）判定相變類型；）判定相變類型； （2）確定相變臨界點(diǎn)；）確定相變臨界點(diǎn)； （3）研究相的析出和固溶過程；）研究相的析出和固溶過程； （4）冷加工后的回復(fù)和再結(jié)晶過程）冷加工后的回復(fù)

2、和再結(jié)晶過程 第一節(jié)第一節(jié) 焓和熱容焓和熱容一、基本知識(shí)一、基本知識(shí) 在等壓時(shí)，物體吸收或者放出的熱量在數(shù)值上在等壓時(shí)，物體吸收或者放出的熱量在數(shù)值上等于焓的變化：等于焓的變化： 定義：在等壓時(shí)，定義：在等壓時(shí)，1克物體從克物體從0K到到T時(shí)所需熱量時(shí)所需熱量Q為該物體的焓。為該物體的焓。 Q=CmT C是是0K到到TK區(qū)間的平均比例數(shù)。區(qū)間的平均比例數(shù)。 將將m克物體升高克物體升高1K所需熱量定義為熱容所需熱量定義為熱容C,單位單位質(zhì)量為質(zhì)量為c，單位為：，單位為：J/K.dHQ二、物理意義二、物理意義： 熱容量反映了材料中原子熱振動(dòng)能量狀態(tài)改變時(shí)熱容量反映了材料中原子熱振動(dòng)能量狀態(tài)改變時(shí)需

3、要的熱量。加熱時(shí)，材料吸收的熱能主要為點(diǎn)陣需要的熱量。加熱時(shí)，材料吸收的熱能主要為點(diǎn)陣吸收，增加了材料離子的振動(dòng)能量。其次為自由電吸收，增加了材料離子的振動(dòng)能量。其次為自由電子吸收，增加了電子的動(dòng)能。所以，熱振動(dòng)為主要子吸收，增加了電子的動(dòng)能。所以，熱振動(dòng)為主要貢獻(xiàn)。自由電子運(yùn)動(dòng)為次要貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)。自由電子運(yùn)動(dòng)為次要貢獻(xiàn)。定容和定壓時(shí)的不同：定容和定壓時(shí)的不同： 定容時(shí)，吸收的熱量增加其內(nèi)能，提高了溫度；定容時(shí)，吸收的熱量增加其內(nèi)能，提高了溫度； 定壓時(shí)：吸收的熱量大部分增加內(nèi)能，小部分做定壓時(shí)：吸收的熱量大部分增加內(nèi)能，小部分做對(duì)外膨脹功。對(duì)外膨脹功。 據(jù)此：據(jù)此： 由于在定壓時(shí)材料需要對(duì)外做

4、膨脹功，其溫度升由于在定壓時(shí)材料需要對(duì)外做膨脹功，其溫度升高高1K需吸收更多熱量，故需吸收更多熱量，故CpCv。 據(jù)定壓與定容摩爾熱容間的關(guān)系：據(jù)定壓與定容摩爾熱容間的關(guān)系： ：體膨脹系數(shù)：體膨脹系數(shù) ； K：壓縮系數(shù)：壓縮系數(shù) ；VVvtudtQC)()(PPPthdtQC)()(KTVCCMVVP2VVdTdVVVdPdVKVm：摩爾體積：摩爾體積。 研究方法：定容過程材料無膨脹，則易于討論，研究方法：定容過程材料無膨脹，則易于討論，但測(cè)量很難。故用定壓熱容來?yè)Q算定容熱容。但測(cè)量很難。故用定壓熱容來?yè)Q算定容熱容。 材料無相變時(shí)的熱容隨溫度變化：如圖材料無相變時(shí)的熱容隨溫度變化：如圖3-1，

5、3-2 。溶解特征溫度：材料在高于此溫度時(shí)，摩爾熱容接近于溶解特征溫度：材料在高于此溫度時(shí)，摩爾熱容接近于一個(gè)常數(shù)一個(gè)常數(shù)25J/mol k。圖中：圖中： 第一階段：熱容變化是由自由電子運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)。第一階段：熱容變化是由自由電子運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)。 第二、三階段：熱容變化是由晶格振動(dòng)貢獻(xiàn)；第二、三階段：熱容變化是由晶格振動(dòng)貢獻(xiàn)； 有相變時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)需要吸收或者放出一有相變時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)需要吸收或者放出一部分熱量，使焓和熱容有突變。據(jù)此可以作為研究相部分熱量，使焓和熱容有突變。據(jù)此可以作為研究相變的依據(jù)。變的依據(jù)。 第二節(jié)第二節(jié) 材料的熱容理論材料的熱容理論一、杜隆一、杜隆柏替定律柏替定律 假設(shè)：

6、固體中的原子是彼此孤立地做熱運(yùn)動(dòng)，且原假設(shè)：固體中的原子是彼此孤立地做熱運(yùn)動(dòng)，且原子振動(dòng)的能量是連續(xù)的。認(rèn)為與氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)相類子振動(dòng)的能量是連續(xù)的。認(rèn)為與氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)相類似。似。 1摩爾氣體的總能量為：摩爾氣體的總能量為： R：氣體常數(shù)；：氣體常數(shù)； NA：阿伏加得羅常數(shù)；：阿伏加得羅常數(shù)； K：波爾茲曼常數(shù)。：波爾茲曼常數(shù)。 氣體定容摩爾熱容：氣體定容摩爾熱容： .RTTKNEA2323RTuCVmV23)(, 固體材料的熱運(yùn)動(dòng)既具有動(dòng)能，又有位能。摩爾材料固體材料的熱運(yùn)動(dòng)既具有動(dòng)能，又有位能。摩爾材料的總內(nèi)能：的總內(nèi)能： 材料的定容摩爾熱容為：材料的定容摩爾熱容為： 結(jié)論：所有材料

7、的摩爾熱容是一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù)，其結(jié)論：所有材料的摩爾熱容是一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù)，其值接近于值接近于3R。不足：在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)相符合，在低溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)不符合。不足：在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)相符合，在低溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)不符合。問題在于把原子振動(dòng)的能量認(rèn)為是連續(xù)的。問題在于把原子振動(dòng)的能量認(rèn)為是連續(xù)的。RTKTNKTKTNuAAm33)2323(kmolJRTuCVmV253)(,二、愛因斯坦量子熱容理論二、愛因斯坦量子熱容理論 晶格中每個(gè)原子都在其格點(diǎn)做振動(dòng)，各個(gè)原子的振動(dòng)是獨(dú)立而晶格中每個(gè)原子都在其格點(diǎn)做振動(dòng)，各個(gè)原子的振動(dòng)是獨(dú)立而互不依賴的；每個(gè)原子都具有相同的周圍環(huán)境，因而其振動(dòng)頻率互不依賴的；每個(gè)原子都

8、具有相同的周圍環(huán)境，因而其振動(dòng)頻率是相同的；原子振動(dòng)的能量是不連續(xù)量子化的。即把原子的振動(dòng)是相同的；原子振動(dòng)的能量是不連續(xù)量子化的。即把原子的振動(dòng)當(dāng)作諧振子的振動(dòng)。當(dāng)作諧振子的振動(dòng)。 為愛因斯坦特征溫度。為愛因斯坦特征溫度。 討論：（討論：（1）、高溫時(shí)，）、高溫時(shí)，T ， 則則 ， ,CV=3R. 說明：在高溫時(shí)與杜隆說明：在高溫時(shí)與杜隆柏替定律相一致。柏替定律相一致。 （2）、低溫時(shí)，）、低溫時(shí)，T ，則，則 ，將上式中，將上式中1忽略，忽略，得：得： 問題：這不符合實(shí)驗(yàn)的問題：這不符合實(shí)驗(yàn)的 的關(guān)系，這是因?yàn)楹雎粤苏竦年P(guān)系，這是因?yàn)楹雎粤苏褡诱駝?dòng)頻率的差別。子振動(dòng)頻率的差別。 22 1)

9、exp()exp()(3TTTRCEEEVEE1TETTEE1)exp(E1TE)exp()(32TTRCEEV3TCV（1）、高溫）、高溫 時(shí)，則時(shí)，則代入后：代入后：CV=3R 與前面兩個(gè)理論一致；與前面兩個(gè)理論一致； （2）、低溫時(shí)）、低溫時(shí), 即即 CV與與T3成正比。成正比。反映了材料溫度升高所吸收的熱量主要用來加強(qiáng)晶格的振動(dòng)；反映了材料溫度升高所吸收的熱量主要用來加強(qiáng)晶格的振動(dòng)； （3）、當(dāng)）、當(dāng)T=0時(shí)，時(shí)，CV=0. 在接近于在接近于0K的范圍內(nèi)，該理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律存在著偏差，是由的范圍內(nèi)，該理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律存在著偏差，是由于未考慮自由電子的動(dòng)能。于未考慮自由電子的動(dòng)能。131)(

10、123033TDTxVDdeTdxexDTRCDTxex 134)(512DVTRCDT三、德拜三、德拜(Debye)量子熱容理論量子熱容理論 晶體中各個(gè)原子間存在著彈性的斥力和引力。這種力使原晶體中各個(gè)原子間存在著彈性的斥力和引力。這種力使原子的振動(dòng)相互受著牽連而達(dá)到相鄰原子間協(xié)調(diào)地振動(dòng)。子的振動(dòng)相互受著牽連而達(dá)到相鄰原子間協(xié)調(diào)地振動(dòng)。 第三節(jié)第三節(jié) 合金的熱容合金的熱容一、合金相的熱容一、合金相的熱容 x1,x2化合物中各個(gè)組元的摩爾分?jǐn)?shù)化合物中各個(gè)組元的摩爾分?jǐn)?shù) C1m,C2m各個(gè)組元的摩爾熱容。各個(gè)組元的摩爾熱容。 該定律不適合于低溫條件及鐵磁性合金。該定律不適合于低溫條件及鐵磁性合金

11、。二、合金相形成熱二、合金相形成熱 形成熱的大?。悍€(wěn)定化合物形成熱的大?。悍€(wěn)定化合物 不穩(wěn)定化合物不穩(wěn)定化合物 中間相中間相 固溶體。具體數(shù)值見表固溶體。具體數(shù)值見表3-5。P73mmmCxCxC2211 第四節(jié)第四節(jié) 相變對(duì)焓和熱容的影響相變對(duì)焓和熱容的影響一、一級(jí)相變一、一級(jí)相變 一級(jí)相變時(shí)熵與體積呈現(xiàn)不連續(xù)變化，即相變進(jìn)行時(shí)有相一級(jí)相變時(shí)熵與體積呈現(xiàn)不連續(xù)變化，即相變進(jìn)行時(shí)有相變潛熱和體積突變。如圖變潛熱和體積突變。如圖3-7，P75。在固。在固液轉(zhuǎn)變時(shí)，使焓液轉(zhuǎn)變時(shí)，使焓突然增大，即為材料熔化時(shí)所吸收的熔化潛熱。突然增大，即為材料熔化時(shí)所吸收的熔化潛熱。 圖中虛線為自液態(tài)快速冷卻時(shí)獲得

12、非晶態(tài)材料時(shí)的變化曲圖中虛線為自液態(tài)快速冷卻時(shí)獲得非晶態(tài)材料時(shí)的變化曲線，此時(shí)無潛熱釋放。線，此時(shí)無潛熱釋放。二、純鐵的熱容曲線二、純鐵的熱容曲線 如圖如圖3-9，P76。 實(shí)線為實(shí)驗(yàn)測(cè)定曲線，虛線為若無實(shí)線為實(shí)驗(yàn)測(cè)定曲線，虛線為若無A3,A4點(diǎn)相變時(shí)的曲線點(diǎn)相變時(shí)的曲線。 第五節(jié)第五節(jié) 熱容和熱效應(yīng)的測(cè)量熱容和熱效應(yīng)的測(cè)量一、撒克司一、撒克司(sykes)法法 測(cè)比熱容。測(cè)比熱容。 如圖如圖3-10， P77。 P為電功率為電功率,P=IV； 為試樣升溫速度。為試樣升溫速度。 關(guān)鍵點(diǎn)：必須保持關(guān)鍵點(diǎn)：必須保持Tb-Ts的動(dòng)態(tài)為零。的動(dòng)態(tài)為零。)(11ddTmPdTpdmdTdQmCSSSPd

13、dTS二、示差熱分析法二、示差熱分析法 如圖3-15、3-16、3-17 P81。 當(dāng)試樣與標(biāo)樣溫度相同時(shí)，兩對(duì)熱電偶中無電流通過；當(dāng)試樣與標(biāo)樣溫度相同時(shí)，兩對(duì)熱電偶中無電流通過； 當(dāng)試樣與標(biāo)樣溫度不同時(shí)，有熱電勢(shì)出現(xiàn)，有電流流過。可以當(dāng)試樣與標(biāo)樣溫度不同時(shí)，有熱電勢(shì)出現(xiàn)，有電流流過。可以測(cè)得兩條曲線：測(cè)得兩條曲線： 溫差溫差時(shí)間曲線；時(shí)間曲線； 溫度溫度時(shí)間曲線。時(shí)間曲線。 第六節(jié)第六節(jié) 熱學(xué)性能分析的應(yīng)用熱學(xué)性能分析的應(yīng)用一、測(cè)定鋼的臨界點(diǎn)一、測(cè)定鋼的臨界點(diǎn) 圖圖3-18，P82為對(duì)共析鋼測(cè)定的例子。圖中為對(duì)共析鋼測(cè)定的例子。圖中abc峰為峰為珠光體向珠光體向A氏體轉(zhuǎn)變的吸熱造成。同理，在

14、冷卻時(shí)有一氏體轉(zhuǎn)變的吸熱造成。同理，在冷卻時(shí)有一個(gè)負(fù)峰個(gè)負(fù)峰a1,b1,c1。二、測(cè)定鋼的轉(zhuǎn)變曲線（自學(xué)）二、測(cè)定鋼的轉(zhuǎn)變曲線（自學(xué)） 圖圖3-20，P83： 1為試樣；為試樣； 2為標(biāo)樣；為標(biāo)樣； 3為熱電偶絲；為熱電偶絲； 4為熱電偶絲；為熱電偶絲； 5為耐熱管。為耐熱管。 冷卻時(shí)以冷卻介質(zhì)使冷卻速度變化。冷卻時(shí)以冷卻介質(zhì)使冷卻速度變化。三、測(cè)定鋼的回火三、測(cè)定鋼的回火 如如圖圖3-26，P85。曲線曲線a中有三個(gè)放熱反應(yīng)：中有三個(gè)放熱反應(yīng)： （1）、淬火）、淬火M氏體向回氏體向回火火M體轉(zhuǎn)變析出體轉(zhuǎn)變析出 碳化碳化物；物； （2）、殘余）、殘余A氏體轉(zhuǎn)變，氏體轉(zhuǎn)變，析出析出 碳化物；碳化

15、物； （3）、回火）、回火M體向回火體向回火屈氏體轉(zhuǎn)變，屈氏體轉(zhuǎn)變， 碳化物為碳化物為Fe3C。曲線曲線b：先經(jīng)過：先經(jīng)過250 回回火后再加熱得到此曲線?；鸷笤偌訜岬玫酱饲€。與與a相比，第一階段已經(jīng)沒相比，第一階段已經(jīng)沒有，只有第二、三階段。有，只有第二、三階段。C0 第二章第二章 材料的熱膨脹材料的熱膨脹 第一節(jié)第一節(jié) 材料的熱膨脹系數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)定義：溫度每升高線膨脹系數(shù)定義：溫度每升高1度的相對(duì)伸長(zhǎng)量。度的相對(duì)伸長(zhǎng)量。 體膨脹系數(shù)：體膨脹系數(shù)： 在各向同性時(shí)，在各向同性時(shí)， 在在01000C范圍內(nèi)，各種金屬的線膨脹系數(shù)如表范圍內(nèi)，各種金屬的線膨脹系數(shù)如表5-1所示。所示

16、。P95。 )(12112TTLLLL121121TTVVVVLV3第二節(jié)第二節(jié) 熱膨脹的物理本質(zhì)熱膨脹的物理本質(zhì) 熱膨脹和原子的熱振動(dòng)有關(guān)。熱膨脹和原子的熱振動(dòng)有關(guān)。 根據(jù)波恩根據(jù)波恩(Born)的雙原子模型的雙原子模型: 得到原子位能與間距的關(guān)系曲線，如圖得到原子位能與間距的關(guān)系曲線，如圖5-3實(shí)線所示。實(shí)線所示。P96。隨著溫度升高，原子能量增大，原子將偏離。隨著溫度升高，原子能量增大，原子將偏離r0的位的位置而發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)溫度為置而發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)溫度為T1時(shí)，振動(dòng)原子總能量為時(shí)，振動(dòng)原子總能量為E1，振，振動(dòng)位置從動(dòng)位置從a到到b，位能沿，位能沿ab變化。變化。當(dāng)當(dāng)r=r0時(shí)，位能最小，

17、動(dòng)能最大。時(shí)，位能最小，動(dòng)能最大。當(dāng)當(dāng)r=a或或r=b時(shí)，位能最大，動(dòng)能為零。時(shí)，位能最大，動(dòng)能為零。a,b是振動(dòng)的極是振動(dòng)的極限位置。限位置。a,b不對(duì)稱于不對(duì)稱于r0. a,b的幾何中心的幾何中心r1在的在的r0右側(cè)位右側(cè)位置，即原子間距增大了。同理，在置，即原子間距增大了。同理，在T2時(shí)，平均原子間距為時(shí)，平均原子間距為r2。溫度越高，原子間距位移越大。在宏觀上體現(xiàn)出體積。溫度越高，原子間距位移越大。在宏觀上體現(xiàn)出體積或者長(zhǎng)度的變化?；蛘唛L(zhǎng)度的變化。11)(nmrrnBrmArEFnmrrBrAE)( 第三節(jié)第三節(jié) 膨脹系數(shù)與其他物理量的關(guān)系膨脹系數(shù)與其他物理量的關(guān)系 熱膨脹是原子熱振動(dòng)

18、加劇引起的振幅加大和振動(dòng)能量熱膨脹是原子熱振動(dòng)加劇引起的振幅加大和振動(dòng)能量增大的結(jié)果。增大的結(jié)果。一、與熱容的關(guān)系一、與熱容的關(guān)系 格留耐申式：格留耐申式： ：體膨脹系數(shù)；：體膨脹系數(shù)； Cv,m ：定容摩爾熱容；：定容摩爾熱容； K ：體積模量；：體積模量； Vm：摩爾體積：摩爾體積 格留耐申常數(shù)格留耐申常數(shù), =1.52.5. 以鋁為例，如圖以鋁為例，如圖5-4，P97，熱膨脹曲線與熱容曲，熱膨脹曲線與熱容曲線不同之處在于：熱膨脹曲線在線不同之處在于：熱膨脹曲線在 時(shí)，時(shí)， 仍在增仍在增大，這是由于空位等熱缺陷的增加對(duì)大，這是由于空位等熱缺陷的增加對(duì) 有較大影響有較大影響注意：在格留耐申式

19、中，摩爾體積注意：在格留耐申式中，摩爾體積Vm越小，越小， 越大，越大， -Fe比比 -Fe膨脹系數(shù)大。膨脹系數(shù)大。mVmVCKV,VDTVVV2/mN二、與熔點(diǎn)的關(guān)系二、與熔點(diǎn)的關(guān)系 材料原子結(jié)合能越大，熔點(diǎn)越高，原子間距的增加材料原子結(jié)合能越大，熔點(diǎn)越高，原子間距的增加越少，即膨脹系數(shù)小。越少，即膨脹系數(shù)小。固體材料體膨脹極限方程固體材料體膨脹極限方程： 式中式中VTm,V0為在為在0K和熔點(diǎn)時(shí)的固態(tài)體積。和熔點(diǎn)時(shí)的固態(tài)體積。 ：線膨脹系數(shù)；：線膨脹系數(shù)； n=1.17; A=如圖如圖5-5，P98 是元素熔點(diǎn)與膨脹系數(shù)的關(guān)系圖。是元素熔點(diǎn)與膨脹系數(shù)的關(guān)系圖。CVVVmT00ATnm310

20、24. 7 三、與硬度的關(guān)系三、與硬度的關(guān)系 如表如表5-2所示，材料硬度越高，其膨脹系數(shù)越所示，材料硬度越高，其膨脹系數(shù)越小。這也和原子結(jié)合力有關(guān)，原子結(jié)合力大，切小。這也和原子結(jié)合力有關(guān)，原子結(jié)合力大，切變彈性模量也大。塑變抗力增大，致使硬度提高。變彈性模量也大。塑變抗力增大，致使硬度提高。 結(jié)論：結(jié)論：凡是表征原子結(jié)合力（結(jié)合能）大小凡是表征原子結(jié)合力（結(jié)合能）大小的物理量都與膨脹系數(shù)有關(guān)，所以可用熱膨脹特的物理量都與膨脹系數(shù)有關(guān)，所以可用熱膨脹特征來推論原子間結(jié)合力。征來推論原子間結(jié)合力。 第四節(jié)第四節(jié) 膨脹性能的影響因膨脹性能的影響因素素一、相變影響一、相變影響 前面講述的前面講述的

21、T與與 的關(guān)系是指無相變時(shí)。若有相變的關(guān)系是指無相變時(shí)。若有相變時(shí)，膨脹系數(shù)將有明顯變化。時(shí)，膨脹系數(shù)將有明顯變化。（1）、多型性轉(zhuǎn)變）、多型性轉(zhuǎn)變 純鐵加熱時(shí)的變化曲線：如圖純鐵加熱時(shí)的變化曲線：如圖5-8，P99。V（2）、磁性轉(zhuǎn)變）、磁性轉(zhuǎn)變 如圖如圖5-10 , P100所示。磁性轉(zhuǎn)變屬于二級(jí)相變。所示。磁性轉(zhuǎn)變屬于二級(jí)相變。轉(zhuǎn)變是在接近居里點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。轉(zhuǎn)變是在接近居里點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。Ni,Co具有正具有正膨脹峰，鐵具有負(fù)膨脹峰，當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)后，膨脹曲膨脹峰，鐵具有負(fù)膨脹峰，當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)后，膨脹曲線恢復(fù)正常變化。線恢復(fù)正常變化。 例如鐵在加熱過程中發(fā)生由鐵磁性向

22、順磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，例如鐵在加熱過程中發(fā)生由鐵磁性向順磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，自旋磁矩的周向排列逐漸破壞，并引起原子間距的減小。自旋磁矩的周向排列逐漸破壞，并引起原子間距的減小?？s小程度超過了因溫度升高晶格熱振動(dòng)引起的原子間距增縮小程度超過了因溫度升高晶格熱振動(dòng)引起的原子間距增大程度，故出現(xiàn)熱膨脹反常的現(xiàn)象。當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)以大程度，故出現(xiàn)熱膨脹反常的現(xiàn)象。當(dāng)溫度超過居里點(diǎn)以上時(shí)，只存在熱振動(dòng)對(duì)原子間距的影響，熱膨脹曲線恢復(fù)上時(shí)，只存在熱振動(dòng)對(duì)原子間距的影響，熱膨脹曲線恢復(fù)正常。正常。 同理，可以解釋同理，可以解釋Ni,Co的正反?，F(xiàn)象，因?yàn)榈恼闯，F(xiàn)象，因?yàn)镹i,Co在在轉(zhuǎn)變時(shí)引起原子間距增大。轉(zhuǎn)變時(shí)引起原子

23、間距增大。二、合金化的影響1、固溶體、固溶體 如圖如圖5-13，P101。大多數(shù)金屬形成單相固溶體時(shí)，。大多數(shù)金屬形成單相固溶體時(shí)，其膨脹系數(shù)介于組元的膨脹系數(shù)之間。其膨脹系數(shù)介于組元的膨脹系數(shù)之間。2、化合物、化合物 因原子相互作用比固溶體原子間的作用要大得多，因原子相互作用比固溶體原子間的作用要大得多，其膨脹系數(shù)比固溶體小。其膨脹系數(shù)比固溶體小。3、多相合金、多相合金 取決于相的膨脹性能及組成相的相對(duì)含量，其取決于相的膨脹性能及組成相的相對(duì)含量，其 近似地符合直線相加規(guī)律。近似地符合直線相加規(guī)律。 V1,V2為體積百分?jǐn)?shù)。為體積百分?jǐn)?shù)。4、鐵中的合金含量、鐵中的合金含量 如圖如圖5-14，

24、不同元素在鐵中的膨脹系數(shù)的變化，不同元素在鐵中的膨脹系數(shù)的變化，Mn,Sn的膨脹系數(shù)比的膨脹系數(shù)比Fe高。高。 鋁的熱膨脹系數(shù)比鐵高，但是形成固溶體時(shí)，當(dāng)含鋁的熱膨脹系數(shù)比鐵高，但是形成固溶體時(shí)，當(dāng)含量小于量小于15%時(shí)，膨脹曲線下降；當(dāng)含量大于時(shí)，膨脹曲線下降；當(dāng)含量大于15%時(shí)，時(shí)， -Fe已經(jīng)呈現(xiàn)非鐵磁性，所以膨脹曲線上升。已經(jīng)呈現(xiàn)非鐵磁性，所以膨脹曲線上升。2211VVba 第五節(jié)第五節(jié) 熱膨脹的測(cè)量熱膨脹的測(cè)量如圖如圖5-16，P105。 因?yàn)樵嚇右訜幔仨殞⒃嚇拥拈L(zhǎng)度變化從加熱或因?yàn)樵嚇右訜?，必須將試樣的長(zhǎng)度變化從加熱或冷卻裝置中傳遞出來進(jìn)行測(cè)量。冷卻裝置中傳遞出來進(jìn)行測(cè)量。

25、選用碳管和石英桿的原因：其膨脹系數(shù)很小，溫度選用碳管和石英桿的原因：其膨脹系數(shù)很小，溫度改變時(shí)引起的長(zhǎng)度變化很小，且管與桿的長(zhǎng)度還可以相改變時(shí)引起的長(zhǎng)度變化很小，且管與桿的長(zhǎng)度還可以相互抵消。根據(jù)此原理，各種測(cè)量裝置的種類很多。只介互抵消。根據(jù)此原理，各種測(cè)量裝置的種類很多。只介紹差動(dòng)變壓器式膨脹儀：如圖紹差動(dòng)變壓器式膨脹儀：如圖5-20，P108。 實(shí)際上實(shí)際上是將石英桿與一位移傳感器相連而得。變頻加熱，噴氣是將石英桿與一位移傳感器相連而得。變頻加熱，噴氣冷卻，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。冷卻，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。 第六節(jié)第六節(jié) 膨脹法在材料中的應(yīng)用膨脹法在材料中的應(yīng)用 一、測(cè)量鋼的臨界點(diǎn)。一、測(cè)量鋼的臨界

26、點(diǎn)。 二、二、A氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。TTT圖。圖。 三、測(cè)三、測(cè)CCT圖，連續(xù)轉(zhuǎn)變。圖，連續(xù)轉(zhuǎn)變。 四、淬火鋼的回火。四、淬火鋼的回火。 如圖如圖5-31，P113。 利用在回火過程中利用在回火過程中M體和殘余體和殘余A氏體的分解時(shí)的體氏體的分解時(shí)的體積變化，利用慢速加熱方法測(cè)定膨脹曲線，可以確定積變化，利用慢速加熱方法測(cè)定膨脹曲線，可以確定這些轉(zhuǎn)變的溫度范圍。這些轉(zhuǎn)變的溫度范圍。 （1）第一階段：）第一階段：80160 ，M體析出碳化物，體析出碳化物，M體體正方度不斷下降，體積收縮；正方度不斷下降，體積收縮； （2）第二階段：）第二階段：230280 ，殘余，殘余A氏體轉(zhuǎn)變回

27、氏體轉(zhuǎn)變回火火M氏體，體積膨脹；氏體，體積膨脹； （3）第三階段：）第三階段：260360 ，M體分解為鐵素體體分解為鐵素體和滲碳體，碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)楹蜐B碳體，碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C，體積收縮。，體積收縮。 從從530 冷卻后，在冷卻后，在177 附附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，滲近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，滲碳體達(dá)到居里點(diǎn)，發(fā)生磁矩的同向排列，體積增加。碳體達(dá)到居里點(diǎn)，發(fā)生磁矩的同向排列，體積增加。C0C0C0C0C0材料的熱傳導(dǎo)1、基本概念熱傳導(dǎo)：溫度梯度沿?zé)崃鞣较颍瑴囟忍荻妊責(zé)崃鞣较颍?每單位長(zhǎng)度的溫度變化每單位長(zhǎng)度的溫度變化。其為矢量，方向指向溫度升高方向。其為矢量，方向指向溫度升高方向。熱流密度熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過與

28、熱流單位時(shí)間內(nèi)通過與熱流垂直的單位面積的熱量。垂直的單位面積的熱量。傅里葉定律：在固體內(nèi)任一點(diǎn)熱流密度傅里葉定律：在固體內(nèi)任一點(diǎn)熱流密度q與溫度梯度與溫度梯度T/T/X X成正比，但方向成正比，但方向相反：相反： q q-T/T/X X式中式中為熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），在單位為熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面積的熱量。積的熱量。2、熱擴(kuò)散率不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程與體系的熱焓相聯(lián)系，不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程與體系的熱焓相聯(lián)系，而熱焓的變化速率與材料的導(dǎo)熱能力而熱焓的變化速率與材料的導(dǎo)熱能力（）成正比，與貯熱能力（定容熱容）成正比，與貯熱能力（定容熱容）成反

29、比成反比。導(dǎo)溫系數(shù)（熱擴(kuò)散率）導(dǎo)溫系數(shù)（熱擴(kuò)散率） =/=/ c c式中式中 為密度，為密度，c c為比熱容為比熱容。熱阻率用熱阻的大小表征材料對(duì)熱傳導(dǎo)熱阻率用熱阻的大小表征材料對(duì)熱傳導(dǎo)的阻隔能力的阻隔能力。3熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制3.13.1聲子和聲子電導(dǎo)熱聲子和聲子電導(dǎo)熱傳導(dǎo)過程就是材料內(nèi)部的能量傳輸過程。在固體傳導(dǎo)過程就是材料內(nèi)部的能量傳輸過程。在固體中能量的載體有：自由電子、聲子（點(diǎn)陣波）、中能量的載體有：自由電子、聲子（點(diǎn)陣波）、光子（電磁幅射）。光子（電磁幅射）。對(duì)純金屬，主要機(jī)制是電子導(dǎo)熱。對(duì)純金屬，主要機(jī)制是電子導(dǎo)熱。對(duì)合金，主要為電子導(dǎo)熱，但聲子導(dǎo)熱的作用增對(duì)合金，

30、主要為電子導(dǎo)熱，但聲子導(dǎo)熱的作用增強(qiáng)。強(qiáng)。對(duì)半金屬或半導(dǎo)體，電子導(dǎo)熱與聲子導(dǎo)熱的作用對(duì)半金屬或半導(dǎo)體，電子導(dǎo)熱與聲子導(dǎo)熱的作用相仿。相仿。對(duì)絕緣體，僅為聲子導(dǎo)熱。一般情況下不考慮光對(duì)絕緣體，僅為聲子導(dǎo)熱。一般情況下不考慮光子導(dǎo)熱，當(dāng)在極高溫下可能有光子導(dǎo)熱存在。子導(dǎo)熱，當(dāng)在極高溫下可能有光子導(dǎo)熱存在。固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)固體材料的導(dǎo)熱系數(shù) el式中式中e e為電子導(dǎo)熱系數(shù)，為電子導(dǎo)熱系數(shù)，l l為聲子導(dǎo)熱系數(shù)。為聲子導(dǎo)熱系數(shù)。按照氣體分子運(yùn)動(dòng)論，氣體導(dǎo)熱系數(shù)為按照氣體分子運(yùn)動(dòng)論，氣體導(dǎo)熱系數(shù)為式中式中c c為單位氣體比熱容，為單位氣體比熱容，為分子速度，為分子速度，為為分子平均自由程分子平均自由

31、程, ,借用氣體導(dǎo)熱系數(shù)公式，近似借用氣體導(dǎo)熱系數(shù)公式，近似描述固體材料中電子、聲子和光子的導(dǎo)熱機(jī)制，描述固體材料中電子、聲子和光子的導(dǎo)熱機(jī)制，則：則：電子的導(dǎo)熱系數(shù)為：電子的導(dǎo)熱系數(shù)為：當(dāng)點(diǎn)陣完整時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)不受阻礙，為無窮大，實(shí)際當(dāng)點(diǎn)陣完整時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)不受阻礙，為無窮大，實(shí)際中因熱運(yùn)動(dòng)引起點(diǎn)陣上原子偏移，畸變、位錯(cuò)、缺陷中因熱運(yùn)動(dòng)引起點(diǎn)陣上原子偏移，畸變、位錯(cuò)、缺陷等，使電子導(dǎo)熱變得復(fù)雜。近似計(jì)算知等，使電子導(dǎo)熱變得復(fù)雜。近似計(jì)算知e e/l l3030光子熱導(dǎo)光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)固體中分子、原子和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)輻射出頻率較高的等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)輻

32、射出頻率較高的電磁波。覆蓋了一較寬的頻譜。其中具電磁波。覆蓋了一較寬的頻譜。其中具有較強(qiáng)熱效應(yīng)的是波長(zhǎng)在有較強(qiáng)熱效應(yīng)的是波長(zhǎng)在0.40.44040 m m間間的可見光與部分紅外光的區(qū)域，這部分的可見光與部分紅外光的區(qū)域，這部分輻射線為熱射線。熱射線的傳遞過程稱輻射線為熱射線。熱射線的傳遞過程稱為熱輻射。由于它們都在光頻范圍內(nèi)，為熱輻射。由于它們都在光頻范圍內(nèi)，其傳播過程和光的傳播現(xiàn)象類似，所以其傳播過程和光的傳播現(xiàn)象類似，所以把它們的導(dǎo)熱過程看作是光子在介質(zhì)中把它們的導(dǎo)熱過程看作是光子在介質(zhì)中傳播的的導(dǎo)熱過程。傳播的的導(dǎo)熱過程。黑體單位容積的幅射能為：黑體單位容積的幅射能為：E E4 4 n

33、n3 3T T4 4/v/v式中式中 是斯蒂芬是斯蒂芬- -波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)5.675.671010-8-8w/w/ K K4 4n n是折射率是折射率v v是光速是光速3 310101010/s/s經(jīng)過帶入，幅射熱導(dǎo)率經(jīng)過帶入，幅射熱導(dǎo)率r r n n2 2T T3 3l lr r幅射傳熱的解釋：任何溫度下的物體都幅射傳熱的解釋：任何溫度下的物體都能輻射或吸收一定頻率的射線。當(dāng)有溫能輻射或吸收一定頻率的射線。當(dāng)有溫度梯度時(shí)，高溫體積元向低溫體積元傳度梯度時(shí)，高溫體積元向低溫體積元傳遞熱。遞熱。r r就是描述介質(zhì)中這種輻射能就是描述介質(zhì)中這種輻射能的傳遞能力，它取決于光子的平均自由的傳

34、遞能力，它取決于光子的平均自由程程l lr r 。對(duì)輻射線是透明的介質(zhì)，對(duì)輻射線是透明的介質(zhì)，l lr r較大；較大；對(duì)輻射線是不透明的介質(zhì)，對(duì)輻射線是不透明的介質(zhì)，l lr r很?。缓苄?；對(duì)輻射線是完全不透明的介質(zhì)，對(duì)輻射線是完全不透明的介質(zhì)，l lr r0 0。實(shí)例：?jiǎn)尉Ш筒Ａ?duì)輻射線是比實(shí)例：?jiǎn)尉Ш筒Ａ?duì)輻射線是比較透明的，在較透明的，在7737731273K1273K時(shí)的傳時(shí)的傳熱已很明顯，而陶瓷材料的比玻熱已很明顯，而陶瓷材料的比玻璃的小很多，因此，一些耐火氧璃的小很多，因此，一些耐火氧化物在化物在1773K1773K高溫下幅射傳熱才高溫下幅射傳熱才明顯。明顯。4、熱導(dǎo)率的一般規(guī)律實(shí)

35、驗(yàn)事實(shí)：在室溫下許多金屬的熱導(dǎo)率與實(shí)驗(yàn)事實(shí)：在室溫下許多金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比電導(dǎo)率之比/ 幾乎相同，而不隨金屬不幾乎相同，而不隨金屬不同而改變。即魏得曼同而改變。即魏得曼弗蘭茲定律。弗蘭茲定律。洛倫茲數(shù)：洛倫茲數(shù)：LorenlzLorenlz發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)，/ 與溫度與溫度T T成成正比，該比例常數(shù)為洛倫茲數(shù)：正比，該比例常數(shù)為洛倫茲數(shù)：/ LTLTL=/L=/ T=2.45T=2.451010-8-8w wK KB B-2-2K KB B為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，e e為電子電量。為電子電量。表表1.31.3為各種金屬的洛倫茲數(shù)。為各種金屬的洛倫茲數(shù)。注意：在注意：在T T 00時(shí)時(shí)L L為常數(shù)。為常數(shù)。T T0K0K時(shí)，時(shí)，L L0 0。這與電子的作用波削弱。這與電子的作用波削弱有關(guān)。有關(guān)。意義：通過測(cè)定材料電導(dǎo)率意義：通過測(cè)定材料電導(dǎo)率 就可間接得就可間接得到熱導(dǎo)率，克服了直接測(cè)熱導(dǎo)率的困難。到熱導(dǎo)率，克