第二章熱學(xué)性能

1、1第二章第二章 熱學(xué)性能熱學(xué)性能 熱學(xué)性能包括熱學(xué)性能包括熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)，其共同，其共同特點(diǎn)是這些性能和金屬中原子的熱振動(dòng)密切相關(guān)，特點(diǎn)是這些性能和金屬中原子的熱振動(dòng)密切相關(guān)，即即熱學(xué)性能直接取決于晶格振動(dòng)熱學(xué)性能直接取決于晶格振動(dòng)； 由于金屬及合金在發(fā)生相變時(shí)伴隨熱的吸收或釋由于金屬及合金在發(fā)生相變時(shí)伴隨熱的吸收或釋放，因此可根據(jù)熱焓、熱容等參數(shù)變化來(lái)判斷相變放，因此可根據(jù)熱焓、熱容等參數(shù)變化來(lái)判斷相變類(lèi)型，利用對(duì)熱或溫度的測(cè)量，確定相變的臨界點(diǎn)，類(lèi)型，利用對(duì)熱或溫度的測(cè)量，確定相變的臨界點(diǎn)，從而研究相的析出、固溶、冷加工后的回復(fù)與再結(jié)從而研究相的析出、固溶、冷加工

2、后的回復(fù)與再結(jié)晶等過(guò)程。晶等過(guò)程。22.1 熱容與熱焓一、定義一、定義熱焓熱焓：等壓過(guò)程中，質(zhì)量為：等壓過(guò)程中，質(zhì)量為m的物體從的物體從0K升高到升高到T時(shí)所需的熱時(shí)所需的熱量；量；H=U+PV平均熱容平均熱容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)在：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)在沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的情況的情況下每升高一度所需熱量下每升高一度所需熱量真實(shí)熱容真實(shí)熱容：物體吸收或放出的熱量在數(shù)值上等于物體的焓變：物體吸收或放出的熱量在數(shù)值上等于物體的焓變：定壓熱容定壓熱容：等壓條件等壓條件下單位質(zhì)量的物質(zhì)在下單位質(zhì)量的物質(zhì)在沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)的情況下每升高一度所需熱量，的情況下每

3、升高一度所需熱量，Cp定容熱容定容熱容：等容條件等容條件下單位質(zhì)量的物質(zhì)在下單位質(zhì)量的物質(zhì)在沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)的情況下每升高一度所需熱量，的情況下每升高一度所需熱量，Cv摩爾熱容摩爾熱容：1 mol物質(zhì)在沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)在沒(méi)有相變、沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的情況下每的情況下每升高一度所需熱量，升高一度所需熱量，Cm (Cm,v 、Cm,p）HmC T21211QQCTTm1dQCdTm3二、熱容的物理意義與實(shí)驗(yàn)規(guī)律二、熱容的物理意義與實(shí)驗(yàn)規(guī)律物理意義物理意義：反映了：反映了金屬中原子熱振動(dòng)能量改變時(shí)所需的熱量金屬中原子熱振動(dòng)能量改變時(shí)所需的熱量；當(dāng)金屬被加熱時(shí)，金屬吸收

4、的熱能主要為點(diǎn)陣所吸收，當(dāng)金屬被加熱時(shí)，金屬吸收的熱能主要為點(diǎn)陣所吸收，從而增加了金屬離子的振動(dòng)能量（起主要作用），其次從而增加了金屬離子的振動(dòng)能量（起主要作用），其次還為自由電子所吸收，增加自由電子的動(dòng)能（次要作還為自由電子所吸收，增加自由電子的動(dòng)能（次要作用）：用）：C=Ci+Ce定容時(shí)，熱量用于增加內(nèi)能，提高其溫度定容時(shí)，熱量用于增加內(nèi)能，提高其溫度定壓時(shí)，熱量主要用于增加內(nèi)能，提高其溫度，小部分用于定壓時(shí)，熱量主要用于增加內(nèi)能，提高其溫度，小部分用于金屬對(duì)外作膨脹功金屬對(duì)外作膨脹功pdVdUdQdHdTdUdTdQcvvdTdVpdTdUdTdHdTdQcppp4實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律 在不

5、發(fā)生相變的在不發(fā)生相變的條件下，對(duì)多數(shù)金屬條件下，對(duì)多數(shù)金屬摩爾熱容測(cè)試的結(jié)果摩爾熱容測(cè)試的結(jié)果表明：表明：Cv和溫度的關(guān)和溫度的關(guān)系有相似的規(guī)律：系有相似的規(guī)律：在高溫區(qū)在高溫區(qū)(高于高于Debye溫度）：溫度）：Cv的變化很的變化很平緩，平緩， Cv3R低溫區(qū)低溫區(qū)（高于（高于10K)： CvTT3 3接近接近0K （低于（低于10K)時(shí)：時(shí)： CvT 0K時(shí)，時(shí)， Cv=0其中其中、階段主要由晶格振動(dòng)所貢獻(xiàn)階段主要由晶格振動(dòng)所貢獻(xiàn)，階段，由于離子振動(dòng)漸趨于階段，由于離子振動(dòng)漸趨于0 0，此時(shí)，此時(shí)熱容主要由自由電子運(yùn)動(dòng)所貢獻(xiàn)熱容主要由自由電子運(yùn)動(dòng)所貢獻(xiàn)5三、金屬及合金的熱容理論三、金屬及

6、合金的熱容理論1、經(jīng)典熱容理論（、經(jīng)典熱容理論（Dulong-Petit Law)基本假設(shè)：基本假設(shè)：將固體中的原子看成是彼此孤立地做熱振動(dòng)，并且認(rèn)為原子振將固體中的原子看成是彼此孤立地做熱振動(dòng)，并且認(rèn)為原子振動(dòng)的能量是連續(xù)的，與氣體熱運(yùn)動(dòng)相似，因此直接將氣體熱容論應(yīng)用動(dòng)的能量是連續(xù)的，與氣體熱運(yùn)動(dòng)相似，因此直接將氣體熱容論應(yīng)用于金屬于金屬對(duì)對(duì) 1mol 氣體，一個(gè)自由度平均動(dòng)能為氣體，一個(gè)自由度平均動(dòng)能為單原子理想氣體具有單原子理想氣體具有3個(gè)自由度，總動(dòng)能為個(gè)自由度，總動(dòng)能為對(duì)對(duì)固體金屬固體金屬：其：其原子熱振動(dòng)既有動(dòng)能，又有勢(shì)能（位能原子熱振動(dòng)既有動(dòng)能，又有勢(shì)能（位能），兩者不斷地相），

7、兩者不斷地相互轉(zhuǎn)換，且平均動(dòng)能與平均勢(shì)能統(tǒng)計(jì)相等，總能量為互轉(zhuǎn)換，且平均動(dòng)能與平均勢(shì)能統(tǒng)計(jì)相等，總能量為3RT，所以金屬，所以金屬的摩爾熱容為的摩爾熱容為 3R結(jié)論：摩爾熱容為與溫度無(wú)關(guān)的一常數(shù)，只有在高溫范圍（結(jié)論：摩爾熱容為與溫度無(wú)關(guān)的一常數(shù)，只有在高溫范圍（Debye以上）以上）適用，原因在于以氣體動(dòng)力學(xué)確定熱容時(shí)，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)著的質(zhì)點(diǎn)在一定適用，原因在于以氣體動(dòng)力學(xué)確定熱容時(shí)，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)著的質(zhì)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)能量連續(xù)變化，不適用于金屬中的離子（尤其是在低溫下）范圍內(nèi)能量連續(xù)變化，不適用于金屬中的離子（尤其是在低溫下）12RT32RT62、Einstein量子熱容論量子熱容論假設(shè)：假設(shè)：晶格中每

8、個(gè)原子都在其格點(diǎn)作振動(dòng)，單個(gè)原子的振動(dòng)晶格中每個(gè)原子都在其格點(diǎn)作振動(dòng)，單個(gè)原子的振動(dòng)是獨(dú)立的，同時(shí)由于每個(gè)原子都具有相同的周?chē)h(huán)境，因是獨(dú)立的，同時(shí)由于每個(gè)原子都具有相同的周?chē)h(huán)境，因而其振動(dòng)頻率相同，原子振動(dòng)的能量呈量子化，即原子以而其振動(dòng)頻率相同，原子振動(dòng)的能量呈量子化，即原子以相同的頻率作互不依賴(lài)的振動(dòng)相同的頻率作互不依賴(lài)的振動(dòng) 愛(ài)因斯坦理論的不足之處是在愛(ài)因斯坦理論的不足之處是在溫區(qū)理論值較實(shí)驗(yàn)值下降得過(guò)快溫區(qū)理論值較實(shí)驗(yàn)值下降得過(guò)快。原因在于愛(ài)因斯坦模型假定原子振原因在于愛(ài)因斯坦模型假定原子振動(dòng)互不相關(guān)，且以相同頻率振動(dòng)，動(dòng)互不相關(guān)，且以相同頻率振動(dòng)，而實(shí)際晶體陣點(diǎn)間互相關(guān)聯(lián)，點(diǎn)陣而

9、實(shí)際晶體陣點(diǎn)間互相關(guān)聯(lián)，點(diǎn)陣波的頻率也有差異波的頻率也有差異，在低溫表現(xiàn)得，在低溫表現(xiàn)得尤為顯著。此外，愛(ài)因斯坦也尤為顯著。此外，愛(ài)因斯坦也沒(méi)有沒(méi)有考慮低頻振動(dòng)對(duì)熱容的貢獻(xiàn)考慮低頻振動(dòng)對(duì)熱容的貢獻(xiàn)。73、Debye 量子熱容論量子熱容論 假設(shè)：晶體中原子間存在假設(shè)：晶體中原子間存在彈性的彈性的斥力和引力斥力和引力，從而使原子的熱振動(dòng)，從而使原子的熱振動(dòng)相互受牽連而達(dá)到相鄰原子間相互受牽連而達(dá)到相鄰原子間協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)變形變形，因此晶體中原子振動(dòng)看成是，因此晶體中原子振動(dòng)看成是在各向同性連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性在各向同性連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性波，其振動(dòng)能量是量子化的，具有波，其振動(dòng)能量是量子化的，具有量子的

10、不連續(xù)性，同時(shí)量子的不連續(xù)性，同時(shí)原子振動(dòng)的原子振動(dòng)的頻率不同，分布于頻率不同，分布于0到到max之間，之間，在在低溫時(shí)，參與低頻振動(dòng)的原子較多，低溫時(shí)，參與低頻振動(dòng)的原子較多，隨著溫度的升高，參與高頻振動(dòng)的隨著溫度的升高，參與高頻振動(dòng)的原子逐漸增多，當(dāng)溫度高于原子逐漸增多，當(dāng)溫度高于Debye特特征溫度時(shí)，幾乎所有的原子均以征溫度時(shí)，幾乎所有的原子均以max的頻率振動(dòng)。的頻率振動(dòng)。8四、熱容的影響因素四、熱容的影響因素（一）、合金相的熱容：取決于合金組成相的性質(zhì)（一）、合金相的熱容：取決于合金組成相的性質(zhì)1、低溫下合金相的熱容、低溫下合金相的熱容 低溫時(shí)所有化合物、固溶體、中間相的熱容低溫時(shí)

11、所有化合物、固溶體、中間相的熱容Cv=Cvi+Cve=T3+T：離子振動(dòng)熱容系數(shù)，：離子振動(dòng)熱容系數(shù)，電子熱容系數(shù)，其大小因組元不同有差別，生電子熱容系數(shù)，其大小因組元不同有差別，生成共價(jià)鍵、離子鍵化合物時(shí)，電子熱容下降顯著成共價(jià)鍵、離子鍵化合物時(shí)，電子熱容下降顯著2、高、高溫下合金相的熱容，服從溫下合金相的熱容，服從NeumanKopp Law Cm=m1Cm1+m2Cm2+.=miCmimi為第為第i個(gè)組元的摩爾百分?jǐn)?shù)，適用于金屬與非金屬化合物、個(gè)組元的摩爾百分?jǐn)?shù)，適用于金屬與非金屬化合物、中間相、固溶體及由它們所組成的多相合金，但不適用于中間相、固溶體及由它們所組成的多相合金，但不適用于

12、低溫條件或鐵磁合金低溫條件或鐵磁合金9（二）、組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱焓及熱容的影響：突變性（二）、組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱焓及熱容的影響：突變性 金屬及合金組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬及合金組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加的熱效應(yīng)附加的熱效應(yīng)，由此，由此使熱焓和熱容出現(xiàn)異常變化。使熱焓和熱容出現(xiàn)異常變化。1、一級(jí)相變與二級(jí)相變、一級(jí)相變與二級(jí)相變定義：定義：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變時(shí)，化學(xué)勢(shì)相等，而化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變時(shí)，化學(xué)勢(shì)相等，而化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商不相等，稱(chēng)為一級(jí)相變商不相等，稱(chēng)為一級(jí)相變：在：在一級(jí)相變時(shí)發(fā)生體積突變的同一級(jí)相變時(shí)發(fā)生體積突變的同時(shí)還發(fā)生熵的突變時(shí)還發(fā)生熵的突變1= 2當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變時(shí)，化學(xué)勢(shì)相等，且化

13、學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商也相當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變時(shí)，化學(xué)勢(shì)相等，且化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商也相等，而化學(xué)勢(shì)的二級(jí)偏微商不相等稱(chēng)為二級(jí)相變等，而化學(xué)勢(shì)的二級(jí)偏微商不相等稱(chēng)為二級(jí)相變； 10 一級(jí)相變一級(jí)相變通常在通常在某一個(gè)特定溫度某一個(gè)特定溫度下下完成，完成，加熱到臨界點(diǎn)加熱到臨界點(diǎn)Tc時(shí)熱焓曲線(xiàn)時(shí)熱焓曲線(xiàn)出現(xiàn)躍變出現(xiàn)躍變，同時(shí)熱容曲線(xiàn)呈現(xiàn)不連，同時(shí)熱容曲線(xiàn)呈現(xiàn)不連續(xù)變化，續(xù)變化，相變時(shí)熵與體積呈不連續(xù)相變時(shí)熵與體積呈不連續(xù)變化變化，即，即相變進(jìn)行時(shí)有相變潛熱和相變進(jìn)行時(shí)有相變潛熱和體積突變體積突變，如純金屬的凝固及熔化、，如純金屬的凝固及熔化、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶轉(zhuǎn)變等；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶轉(zhuǎn)變等； 二

14、級(jí)相變二級(jí)相變通常通常在一個(gè)溫度范圍內(nèi)逐在一個(gè)溫度范圍內(nèi)逐步完成，熱焓隨溫度的升高逐漸增步完成，熱焓隨溫度的升高逐漸增大，即焓無(wú)突變，沒(méi)有熵和體積的大，即焓無(wú)突變，沒(méi)有熵和體積的突變突變，只有，只有熱容的連續(xù)變化而無(wú)突熱容的連續(xù)變化而無(wú)突變變，如有序，如有序無(wú)序轉(zhuǎn)變，鐵磁無(wú)序轉(zhuǎn)變，鐵磁順順磁轉(zhuǎn)變等。磁轉(zhuǎn)變等。 其變化趨勢(shì)如左圖：其變化趨勢(shì)如左圖：a)一級(jí)相變一級(jí)相變 b）二級(jí)相變）二級(jí)相變 112、熔化和凝固：在加熱溫度低于熔點(diǎn)或高于熔點(diǎn)時(shí)，加熱、熔化和凝固：在加熱溫度低于熔點(diǎn)或高于熔點(diǎn)時(shí)，加熱所需熱量隨溫度緩慢升高，在熔點(diǎn)所需熱量隨溫度緩慢升高，在熔點(diǎn)Tm處，由于熔化金屬處，由于熔化金屬需要

15、熔化熱，熱焓曲線(xiàn)產(chǎn)生拐折并徒直上升。液態(tài)和固態(tài)需要熔化熱，熱焓曲線(xiàn)產(chǎn)生拐折并徒直上升。液態(tài)和固態(tài)金屬的熱量變化曲線(xiàn)金屬的熱量變化曲線(xiàn)L和和S相比，相比，曲線(xiàn)曲線(xiàn)L的斜率比的斜率比S大，這大，這說(shuō)明液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)金屬的大說(shuō)明液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)金屬的大。若自液態(tài)快冷而獲。若自液態(tài)快冷而獲得非晶態(tài)金屬，則其焓沿虛線(xiàn)變化，故在低于熔點(diǎn)的任意得非晶態(tài)金屬，則其焓沿虛線(xiàn)變化，故在低于熔點(diǎn)的任意溫度下，溫度下，非晶態(tài)金屬熱容非晶態(tài)金屬熱容晶體金屬熱容晶體金屬熱容123、亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、M體和殘余體和殘余A體體的回火轉(zhuǎn)變、形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶的

16、回火轉(zhuǎn)變、形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶普遍規(guī)律：溫度在室溫以上普遍規(guī)律：溫度在室溫以上某一溫度范圍內(nèi)，如不發(fā)生某一溫度范圍內(nèi)，如不發(fā)生相變，合金的熱容與溫度間相變，合金的熱容與溫度間呈線(xiàn)性關(guān)系，如發(fā)生相變，呈線(xiàn)性關(guān)系，如發(fā)生相變，則熱容偏離直線(xiàn)規(guī)律。由于則熱容偏離直線(xiàn)規(guī)律。由于亞穩(wěn)態(tài)固溶體的能量較高，亞穩(wěn)態(tài)固溶體的能量較高，從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)時(shí)要從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)時(shí)要放出熱量放出熱量，因此試樣溫度升，因此試樣溫度升高時(shí)所需熱量小于無(wú)相變時(shí)高時(shí)所需熱量小于無(wú)相變時(shí)的熱量，從而導(dǎo)致的熱量，從而導(dǎo)致熱容曲線(xiàn)熱容曲線(xiàn)向下拐折向下拐折。曲線(xiàn)曲線(xiàn)1：有序：有序-無(wú)序無(wú)序 曲線(xiàn)曲線(xiàn)2：無(wú)序：無(wú)序有序有序無(wú)序無(wú)

17、序13五、熱焓與比熱容的測(cè)量五、熱焓與比熱容的測(cè)量1、量熱計(jì)法、量熱計(jì)法 為了確定溫度為了確定溫度T時(shí)金屬的比熱容，要把試樣加熱到這時(shí)金屬的比熱容，要把試樣加熱到這個(gè)溫度，經(jīng)保溫后，放入裝有水或其它液體的量熱計(jì)中去。個(gè)溫度，經(jīng)保溫后，放入裝有水或其它液體的量熱計(jì)中去。根據(jù)試樣的溫度根據(jù)試樣的溫度T和量熱計(jì)最終的溫度和量熱計(jì)最終的溫度Tf，由試樣轉(zhuǎn)移到，由試樣轉(zhuǎn)移到量熱計(jì)介質(zhì)中的熱量量熱計(jì)介質(zhì)中的熱量Q，以及試樣的質(zhì)量，以及試樣的質(zhì)量m，求出比熱容：，求出比熱容：2、電加熱法、電加熱法 把試樣放在電阻為把試樣放在電阻為R的螺旋管中，螺線(xiàn)管的電阻絲的螺旋管中，螺線(xiàn)管的電阻絲通入通入I(A)的電流，

18、如加熱時(shí)間為的電流，如加熱時(shí)間為t(s)，把質(zhì)量為，把質(zhì)量為m(kg)的試的試樣從溫度樣從溫度T1加熱到加熱到T2，若散入空氣中的熱損失不計(jì)，則，若散入空氣中的熱損失不計(jì)，則143、Sykes法：高溫下測(cè)量比熱容法：高溫下測(cè)量比熱容 為了確保電熱絲放出的全部為了確保電熱絲放出的全部熱量全部被試樣吸收，不使試熱量全部被試樣吸收，不使試樣散熱給周?chē)h(huán)境，則必須樣散熱給周?chē)h(huán)境，則必須創(chuàng)創(chuàng)造一個(gè)與試樣溫度保持一致，造一個(gè)與試樣溫度保持一致，并與試樣同步升溫的條件：絕并與試樣同步升溫的條件：絕熱環(huán)境熱環(huán)境154、Smith法：測(cè)量金屬或合金的比熱容與相變潛熱法：測(cè)量金屬或合金的比熱容與相變潛熱 此法的

19、要點(diǎn)是此法的要點(diǎn)是在測(cè)量過(guò)程中要使在測(cè)量過(guò)程中要使容器壁內(nèi)外溫容器壁內(nèi)外溫差差保持不變保持不變，如認(rèn)為容器的導(dǎo)熱系數(shù)是常數(shù)，則由，如認(rèn)為容器的導(dǎo)熱系數(shù)是常數(shù)，則由容器傳給試樣的熱流容器傳給試樣的熱流，也應(yīng)當(dāng)是常數(shù)。在，也應(yīng)當(dāng)是常數(shù)。在和溫和溫差差均保持不變的條件下，把容器于均保持不變的條件下，把容器于t tb b時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)加熱升溫加熱升溫b所需要的熱量為：所需要的熱量為：16六、熱分析：（把溫度（或熱）與其它物理性質(zhì)測(cè)六、熱分析：（把溫度（或熱）與其它物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)合起來(lái)的方法）定結(jié)合起來(lái)的方法）簡(jiǎn)單熱分析：利用加熱或冷卻過(guò)程中熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫度變簡(jiǎn)單熱分析：利用加熱或冷卻過(guò)程中熱效應(yīng)所產(chǎn)生

20、的溫度變化和時(shí)間關(guān)系的一種分析技術(shù)；化和時(shí)間關(guān)系的一種分析技術(shù)；T-t17示差熱分析（示差熱分析（DTA: Differential Temperature Analysis ）：）：利用相同條件下加熱或冷卻時(shí)，利用相同條件下加熱或冷卻時(shí)，試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差與溫度試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差與溫度或時(shí)間的關(guān)系或時(shí)間的關(guān)系，對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)，對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析技術(shù)；行分析技術(shù)；T-t 或或 T-T要求：要求：標(biāo)樣在加熱過(guò)程中應(yīng)無(wú)相標(biāo)樣在加熱過(guò)程中應(yīng)無(wú)相變變，并且，并且有和被測(cè)試樣相近的有和被測(cè)試樣相近的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，且不易氧比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，且不易氧化化。18 當(dāng)標(biāo)樣與被測(cè)試樣在共同加熱當(dāng)標(biāo)樣與被測(cè)試

21、樣在共同加熱或冷卻過(guò)程中，在試樣尚未發(fā)生或冷卻過(guò)程中，在試樣尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，則試樣與標(biāo)樣間的溫差轉(zhuǎn)變時(shí)，則試樣與標(biāo)樣間的溫差為為0；當(dāng)加熱到某一溫度試樣發(fā)；當(dāng)加熱到某一溫度試樣發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由于產(chǎn)生吸熱或后放生了轉(zhuǎn)變，由于產(chǎn)生吸熱或后放熱反應(yīng)，兩者間產(chǎn)生明顯溫度差，熱反應(yīng)，兩者間產(chǎn)生明顯溫度差，測(cè)定其溫差所對(duì)應(yīng)的溫度，則可測(cè)定其溫差所對(duì)應(yīng)的溫度，則可確定轉(zhuǎn)變點(diǎn)。確定轉(zhuǎn)變點(diǎn)。S為差熱曲線(xiàn)和基線(xiàn)之間的面積為差熱曲線(xiàn)和基線(xiàn)之間的面積1) 差熱曲線(xiàn)的峰面積差熱曲線(xiàn)的峰面積S和熱效應(yīng)和熱效應(yīng)HH成正比成正比;2) 對(duì)于相同大小的熱效應(yīng)，對(duì)于相同大小的熱效應(yīng)，S愈大說(shuō)明儀器愈大說(shuō)明儀器靈敏度越高，靈敏度越高

22、，S值有時(shí)被稱(chēng)為儀器系數(shù)。值有時(shí)被稱(chēng)為儀器系數(shù)。3) 式中沒(méi)有升溫速率式中沒(méi)有升溫速率，說(shuō)明不管，說(shuō)明不管如何，如何，S值總是一定的。由于值總是一定的。由于T與與成正比，所以成正比，所以越大，峰越尖銳。越大，峰越尖銳。19DSC: Differential Scanning Calorimetry (示差掃描量熱法示差掃描量熱法)2021七、熱學(xué)性能分析的應(yīng)用七、熱學(xué)性能分析的應(yīng)用 常用于研究鋼在加熱或冷卻過(guò)程中的相變、合金亞穩(wěn)組常用于研究鋼在加熱或冷卻過(guò)程中的相變、合金亞穩(wěn)組織轉(zhuǎn)變、有序織轉(zhuǎn)變、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變等無(wú)序轉(zhuǎn)變等1、建立合金相圖：確定液相線(xiàn)、固相線(xiàn)、共晶線(xiàn)、包晶線(xiàn)等、建立合金相圖：確定

23、液相線(xiàn)、固相線(xiàn)、共晶線(xiàn)、包晶線(xiàn)等22232、研究鋼的相變過(guò)程、研究鋼的相變過(guò)程A：測(cè)量過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)：測(cè)量過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)(TTT)：測(cè)試不同溫度下：測(cè)試不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間（孕育期、結(jié)束期）等溫轉(zhuǎn)變的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間（孕育期、結(jié)束期）24 由轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)可知：在轉(zhuǎn)變量由轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)可知：在轉(zhuǎn)變量達(dá)達(dá)50%時(shí)，轉(zhuǎn)變速率最快，此時(shí)對(duì)時(shí)，轉(zhuǎn)變速率最快，此時(shí)對(duì)應(yīng)差熱曲線(xiàn)上的峰值應(yīng)差熱曲線(xiàn)上的峰值50%25B：測(cè)定連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（：測(cè)定連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（CCT）測(cè)試裝置同前，改變冷卻介質(zhì)，試樣加熱后可用不同的速度測(cè)試裝置同前，改變冷卻介質(zhì)，試樣加熱后可用不同的速度冷卻（爐冷

24、、空冷等）冷卻（爐冷、空冷等）26C：測(cè)定相變臨界點(diǎn)（：測(cè)定相變臨界點(diǎn)（Ms）鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是，鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是，當(dāng)試樣冷卻當(dāng)試樣冷卻到到Ms點(diǎn)以下的溫度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變即瞬點(diǎn)以下的溫度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變即瞬時(shí)完成時(shí)完成。根據(jù)這一特點(diǎn)，若將鹽浴爐的。根據(jù)這一特點(diǎn)，若將鹽浴爐的溫度取在溫度取在Ms點(diǎn)以下，當(dāng)試樣投入鹽浴之點(diǎn)以下，當(dāng)試樣投入鹽浴之后，過(guò)冷奧氏體便有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏后，過(guò)冷奧氏體便有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體要放出熱體。由于奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體要放出熱量，試樣的溫度將高于標(biāo)準(zhǔn)樣，從而導(dǎo)量，試樣的溫度將高于標(biāo)準(zhǔn)樣，從而導(dǎo)致熱電勢(shì)差向著正向變化，如圖示。鹽致熱電勢(shì)差向

25、著正向變化，如圖示。鹽浴溫度愈接近浴溫度愈接近Ms點(diǎn)，馬氏體轉(zhuǎn)變量就愈點(diǎn)，馬氏體轉(zhuǎn)變量就愈少，熱效應(yīng)愈小，熱電勢(shì)差的變化也愈少，熱效應(yīng)愈小，熱電勢(shì)差的變化也愈小。馬氏體轉(zhuǎn)變引起的正向電勢(shì)差所對(duì)小。馬氏體轉(zhuǎn)變引起的正向電勢(shì)差所對(duì)應(yīng)的最高溫度即為應(yīng)的最高溫度即為Ms點(diǎn)點(diǎn)273、研究有序、研究有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變無(wú)序轉(zhuǎn)變 Cu-Zn合金成分合金成分接近接近CuZn時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的固溶體，在低溫時(shí)為有序態(tài)，固溶體，在低溫時(shí)為有序態(tài)，隨溫度升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序，隨溫度升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序，此為吸熱過(guò)程此為吸熱過(guò)程：加熱到：加熱到150以以上時(shí)，上時(shí)，CuZn相的有序度開(kāi)始下相的

26、有序度開(kāi)始下降，并向無(wú)序化轉(zhuǎn)變，合金產(chǎn)降，并向無(wú)序化轉(zhuǎn)變，合金產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)使比熱容升高，生的吸熱效應(yīng)使比熱容升高，在到達(dá)有序化溫度時(shí)，比熱容在到達(dá)有序化溫度時(shí)，比熱容達(dá)最大值，然后急劇下降，更達(dá)最大值，然后急劇下降，更高溫度下的比熱容還在有序化高溫度下的比熱容還在有序化曲線(xiàn)的延伸線(xiàn)上，說(shuō)明曲線(xiàn)的延伸線(xiàn)上，說(shuō)明在高溫在高溫下保留了短程有序下保留了短程有序。284、研究淬火鋼的回火、研究淬火鋼的回火從圖看到：若不發(fā)生轉(zhuǎn)變，比熱容應(yīng)該沿從圖看到：若不發(fā)生轉(zhuǎn)變，比熱容應(yīng)該沿著直線(xiàn)變化，但由于加熱過(guò)程中產(chǎn)生了著直線(xiàn)變化，但由于加熱過(guò)程中產(chǎn)生了組織轉(zhuǎn)變，所以不同的溫度區(qū)間產(chǎn)生了組織轉(zhuǎn)變，所以不同的溫度區(qū)

27、間產(chǎn)生了三種不同的熱效應(yīng)，其中三種不同的熱效應(yīng)，其中熱效應(yīng)熱效應(yīng)對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)于淬于淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，這時(shí)，這時(shí)馬氏體的正方度減小，并從固溶體中析馬氏體的正方度減小，并從固溶體中析出出碳化物相，碳化物相，熱效應(yīng)熱效應(yīng)是殘余奧氏體是殘余奧氏體分解引起的，即殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸱纸庖鸬模礆堄鄪W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體和析出碳化鐵馬氏體和析出碳化鐵，熱效，熱效應(yīng)應(yīng)是由碳是由碳化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體以及位錯(cuò)大量減少引化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體以及位錯(cuò)大量減少引起的起的。 如預(yù)先將試樣在如預(yù)先將試樣在250回火回火2h，使殘余奧氏體發(fā)生分解，則熱效應(yīng)，使殘余奧氏體發(fā)生分解，則熱效應(yīng)已全已全部

28、消失，它說(shuō)明回火時(shí)馬氏體己轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。熱效應(yīng)部消失，它說(shuō)明回火時(shí)馬氏體己轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。熱效應(yīng)顯著減小，意昧顯著減小，意昧著著250回火時(shí)已有部分殘余奧氏體產(chǎn)生了分解，尚未分解的殘余奧氏體這時(shí)回火時(shí)已有部分殘余奧氏體產(chǎn)生了分解，尚未分解的殘余奧氏體這時(shí)繼續(xù)分解為鐵素體和碳化鐵。曲線(xiàn)繼續(xù)分解為鐵素體和碳化鐵。曲線(xiàn)2和曲線(xiàn)和曲線(xiàn)1的熱效應(yīng)的熱效應(yīng)表明：表明：250回火對(duì)碳回火對(duì)碳化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體沒(méi)有影響?；F轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體沒(méi)有影響。295、測(cè)定鋼在加熱或冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變溫度、測(cè)定鋼在加熱或冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變溫度 由于珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體是吸熱由于珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體是吸熱過(guò)程，奧氏體分解為

29、珠光體是放熱過(guò)程，奧氏體分解為珠光體是放熱過(guò)程，曲線(xiàn)過(guò)程，曲線(xiàn)1上放熱峰的拐折點(diǎn)上放熱峰的拐折點(diǎn)a1，所對(duì)應(yīng)的溫度為所對(duì)應(yīng)的溫度為Ar1點(diǎn)，吸熱峰的拐點(diǎn)，吸熱峰的拐折點(diǎn)折點(diǎn)a對(duì)應(yīng)的溫度為對(duì)應(yīng)的溫度為Ac1點(diǎn)。簡(jiǎn)單熱點(diǎn)。簡(jiǎn)單熱分析曲線(xiàn)在加熱或冷卻過(guò)程個(gè)出現(xiàn)分析曲線(xiàn)在加熱或冷卻過(guò)程個(gè)出現(xiàn)了停留，停留溫度分別為了停留，停留溫度分別為Ac1點(diǎn)和點(diǎn)和Ar1點(diǎn)，兩者從理論上講應(yīng)該相等點(diǎn)，兩者從理論上講應(yīng)該相等(Ac1=Ar1)，但由于加熱和冷卻速度，但由于加熱和冷卻速度較快，以非平衡態(tài)進(jìn)行，發(fā)生了相較快，以非平衡態(tài)進(jìn)行，發(fā)生了相變滯后，使變滯后，使Ac1Ar1306、研究冷變形后金屬的回復(fù)與再結(jié)晶、研究冷

30、變形后金屬的回復(fù)與再結(jié)晶 金屬冷變形后存在彈性?xún)?chǔ)存能，使組織結(jié)構(gòu)金屬冷變形后存在彈性?xún)?chǔ)存能，使組織結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)態(tài)，儲(chǔ)存能主要表現(xiàn)為晶體缺陷增加所處于亞穩(wěn)態(tài)，儲(chǔ)存能主要表現(xiàn)為晶體缺陷增加所造成的點(diǎn)陣畸變能。在回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程中，點(diǎn)造成的點(diǎn)陣畸變能。在回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程中，點(diǎn)缺陷濃度和位錯(cuò)密度逐漸降低，其儲(chǔ)存能以隨之缺陷濃度和位錯(cuò)密度逐漸降低，其儲(chǔ)存能以隨之以熱量形式釋放，測(cè)試其熱效應(yīng)，可了解回復(fù)與以熱量形式釋放，測(cè)試其熱效應(yīng)，可了解回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程再結(jié)晶過(guò)程312.2 熱膨脹熱膨脹一、熱膨脹及其物理本質(zhì)一、熱膨脹及其物理本質(zhì) 定義：材料在加熱或冷卻的過(guò)程中，其體積發(fā)生熱脹冷縮的定義：材料在加熱或冷

31、卻的過(guò)程中，其體積發(fā)生熱脹冷縮的 現(xiàn)象；（現(xiàn)象；（無(wú)相變：正常熱膨脹無(wú)相變：正常熱膨脹） 組織轉(zhuǎn)變、相變過(guò)程也能產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)（組織轉(zhuǎn)變、相變過(guò)程也能產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)（異常異常）表征參數(shù)：表征參數(shù)： 平均線(xiàn)膨脹系數(shù)：平均線(xiàn)膨脹系數(shù)： 平均體脹系數(shù)：平均體脹系數(shù)： 真實(shí)線(xiàn)脹系數(shù)：真實(shí)線(xiàn)脹系數(shù)： 對(duì)立方晶系、各向同性材料：對(duì)立方晶系、各向同性材料：121121*TTLLLl121121*TTVVVvdTLdLTl1lv332特殊膨脹合金：特殊膨脹合金：因瓦合金：低膨脹系數(shù)，因瓦合金：低膨脹系數(shù)，=1.810-6可伐合金（定脹合金）：在某一溫度范圍內(nèi)，其可伐合金（定脹合金）：在某一溫度范圍內(nèi)，

32、其接接近于一恒定值（近于一恒定值（4.810-6）高膨脹合金：具有較高的膨脹系數(shù)（高膨脹合金：具有較高的膨脹系數(shù)（232810-6）熱膨脹的熱膨脹的物理本質(zhì)物理本質(zhì)：金屬受熱時(shí)體積膨脹：金屬受熱時(shí)體積膨脹與離子振動(dòng)與離子振動(dòng)有關(guān)有關(guān)，溫度升高，導(dǎo)致原子間距增大，產(chǎn)生膨脹，溫度升高，導(dǎo)致原子間距增大，產(chǎn)生膨脹，其其根本原因根本原因在于原子熱振動(dòng)時(shí)在于原子熱振動(dòng)時(shí)原子間的作用力成非原子間的作用力成非線(xiàn)性線(xiàn)性，形成的，形成的勢(shì)能呈非對(duì)稱(chēng)性勢(shì)能呈非對(duì)稱(chēng)性，由于勢(shì)能曲線(xiàn)的非，由于勢(shì)能曲線(xiàn)的非對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致原子中心右移，從而使原子間距增大，對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致原子中心右移，從而使原子間距增大，出現(xiàn)膨脹出現(xiàn)膨脹3334二

33、、熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系二、熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系1、熱容熱容：均為原子熱振動(dòng)增加而引起的振幅增大和振動(dòng)能量增：均為原子熱振動(dòng)增加而引起的振幅增大和振動(dòng)能量增大的結(jié)果大的結(jié)果式中：式中：r是格律乃森常數(shù)，是表示原子非線(xiàn)性振動(dòng)的物理量，一是格律乃森常數(shù)，是表示原子非線(xiàn)性振動(dòng)的物理量，一般物質(zhì)般物質(zhì)r在在1525，K為體積彈性模量，為體積彈性模量，V為體積，為體積，C為等為等容熱容容熱容vvCKVr352、原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力 A：熔點(diǎn)熔點(diǎn)：原子間結(jié)合力越大，金屬熔點(diǎn)（：原子間結(jié)合力越大，金屬熔點(diǎn)（Tm）越高，升高相同）越高，升高相同溫度使原子間距增量減小，膨脹系數(shù)越小，滿(mǎn)足極限方程：

34、溫度使原子間距增量減小，膨脹系數(shù)越小，滿(mǎn)足極限方程： Tmv=（VTm-V0）/ V0=Const 對(duì)于立方、六方金屬，對(duì)于立方、六方金屬，C0.060.076， 正方金屬：正方金屬： C0.0276B：Debye特征溫度特征溫度：原子間結(jié)合力與：原子間結(jié)合力與Debye特征溫度的平方成正特征溫度的平方成正比，故比，故Debye特征溫度越高，膨脹系數(shù)越小特征溫度越高，膨脹系數(shù)越小C：硬度硬度：原子間結(jié)合力越大，切變模量：原子間結(jié)合力越大，切變模量G越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，塑性抗力越大，硬度越高，因而膨脹系數(shù)越小大，塑性抗力越大，硬度越高，因而膨脹系數(shù)越小363、原子序數(shù)原子

35、序數(shù)：熱脹系數(shù)是原子序數(shù)的：熱脹系數(shù)是原子序數(shù)的周期性函數(shù)周期性函數(shù)； 同一族同一族IA族元素原子序數(shù)增加，線(xiàn)脹系數(shù)增大；族元素原子序數(shù)增加，線(xiàn)脹系數(shù)增大； 其它其它A族元素隨原子序數(shù)的增大，線(xiàn)脹系數(shù)下降；族元素隨原子序數(shù)的增大，線(xiàn)脹系數(shù)下降； 同一周期中同一周期中過(guò)渡族金屬膨脹系數(shù)最小，堿金屬膨脹系數(shù)最過(guò)渡族金屬膨脹系數(shù)最小，堿金屬膨脹系數(shù)最大，原因在于堿金屬原子間結(jié)合力小，熔點(diǎn)低，而過(guò)渡族元素大，原因在于堿金屬原子間結(jié)合力小，熔點(diǎn)低，而過(guò)渡族元素熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高，同時(shí)存在未排滿(mǎn)的，同時(shí)存在未排滿(mǎn)的d、f層電子，結(jié)合力大，從而膨脹層電子，結(jié)合力大，從而膨脹系數(shù)小。系數(shù)小。37三、熱膨脹的影響因素

36、三、熱膨脹的影響因素（一）、相變的影響（一）、相變的影響1、多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)）：由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排，金屬比容）：由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排，金屬比容突變突變，導(dǎo)致導(dǎo)致膨脹系數(shù)不連續(xù)變化膨脹系數(shù)不連續(xù)變化，具備，具備一級(jí)相變一級(jí)相變的特征；的特征；Cv382、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變有序無(wú)序轉(zhuǎn)變：二級(jí)相變二級(jí)相變，相變時(shí)體積，相變時(shí)體積無(wú)突變無(wú)突變，但膨脹系，但膨脹系數(shù)在相變溫度區(qū)間有改變，從而在數(shù)在相變溫度區(qū)間有改變，從而在膨脹曲線(xiàn)上出現(xiàn)拐折膨脹曲線(xiàn)上出現(xiàn)拐折393、磁性轉(zhuǎn)變磁性轉(zhuǎn)變：居里點(diǎn)：居里點(diǎn)T處，隨溫度的升高，由鐵磁處，隨溫度的升高，由鐵磁-順磁，順磁，從而產(chǎn)生從而產(chǎn)生磁致伸縮的逆效應(yīng)

37、磁致伸縮的逆效應(yīng)，即出現(xiàn)一附加的伸長(zhǎng)或縮短，即出現(xiàn)一附加的伸長(zhǎng)或縮短（由相變引起），體現(xiàn)在膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系上，則出（由相變引起），體現(xiàn)在膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系上，則出現(xiàn)反常：現(xiàn)反常：Ni、Co的熱膨脹峰向上，為的熱膨脹峰向上，為正反常正反常；Fe熱膨脹峰熱膨脹峰向下，為向下，為負(fù)反常負(fù)反常40（二）、（二）、合金成分和組織的影響合金成分和組織的影響1、固溶體固溶體：絕大多數(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：絕大多數(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，溶劑中溶入低膨脹系數(shù)的溶質(zhì)時(shí)，固溶體膨脹系數(shù)降低，反之升高；隨溶間，溶劑中溶入低膨脹系數(shù)的溶質(zhì)時(shí)，固溶體

38、膨脹系數(shù)降低，反之升高；隨溶質(zhì)濃度的增加，其變化規(guī)律稍低于按算術(shù)相加規(guī)律的計(jì)算值，成質(zhì)濃度的增加，其變化規(guī)律稍低于按算術(shù)相加規(guī)律的計(jì)算值，成凹曲線(xiàn)凹曲線(xiàn)例：例：一般情況一般情況：在：在Al中溶入中溶入Cu、Si、Ni、Fe、Be；Cu中加中加Pd、Ni、Au均降低其均降低其熱膨脹系數(shù)；熱膨脹系數(shù)；Cu中溶入中溶入Zn、Sn使其熱膨脹系數(shù)增大使其熱膨脹系數(shù)增大特殊情況特殊情況：SbkT的情況下，電子熱容的情況下，電子熱容Ce與溫度與溫度T成正比，成正比，一般情況下電子速度一般情況下電子速度Ve為一常數(shù)為一常數(shù) ，則根據(jù)：，則根據(jù)：由于物理、化學(xué)缺陷與點(diǎn)陣振動(dòng)對(duì)電子的散射，限制了電子由于物理、化學(xué)

39、缺陷與點(diǎn)陣振動(dòng)對(duì)電子的散射，限制了電子的平均自由程的平均自由程?？死彰伤怪赋觯??？死彰伤怪赋觯涸诘蜏厍闆r下缺陷對(duì)電子在低溫情況下缺陷對(duì)電子散射散射同樣滿(mǎn)足魏德曼同樣滿(mǎn)足魏德曼弗朗茲定律，則弗朗茲定律，則 ： 令令： 則則由于由于低溫下基本熱阻低溫下基本熱阻：則則eeeelvc31eelTeeLTWT00eL/0TW/02)(TTW)/(12TTeTTWe267在Debye溫度以上的高溫下，由于基本電阻率則TConstTLTW0)( 一般說(shuō)來(lái)，純金屬純金屬由于溫度升高而使平均自由程減小的作用超過(guò)溫度的由于溫度升高而使平均自由程減小的作用超過(guò)溫度的直接作用直接作用，因而純金屬的純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱

40、系數(shù)一般隨溫度升高而降低一般隨溫度升高而降低。合金合金的導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)則不同，由于異類(lèi)原子的存在，平均自由程受溫度的影響相對(duì)減小，溫度本則不同，由于異類(lèi)原子的存在，平均自由程受溫度的影響相對(duì)減小，溫度本身的影響起主導(dǎo)作用，因此身的影響起主導(dǎo)作用，因此隨溫度的升高而升高隨溫度的升高而升高 68692、原子結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響原子結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響：自由電子起主要作自由電子起主要作用，與導(dǎo)電率密切相關(guān)用，與導(dǎo)電率密切相關(guān) 由圖可見(jiàn)：具有一個(gè)價(jià)電子的具有一個(gè)價(jià)電子的Au、Ag、Cu的導(dǎo)熱系數(shù)最高；的導(dǎo)熱系數(shù)最高；導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)電性能良好的Al、W等導(dǎo)熱系數(shù)也比較高；德拜溫度較高的單等導(dǎo)熱系數(shù)也比

41、較高；德拜溫度較高的單質(zhì)，如質(zhì)，如Be和金剛石也都具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和金剛石也都具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。703、合金成分和晶體結(jié)構(gòu)合金成分和晶體結(jié)構(gòu)（1）合金中加入雜質(zhì)元素，使殘余熱阻增大，導(dǎo)熱系合金中加入雜質(zhì)元素，使殘余熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低數(shù)降低； 合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異大，則晶格畸變大，對(duì)合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異大，則晶格畸變大，對(duì)電子、聲子散射大，導(dǎo)熱系數(shù)降幅大；電子、聲子散射大，導(dǎo)熱系數(shù)降幅大； 合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異小，則晶格畸變小，對(duì)合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異小，則晶格畸變小，對(duì)電子、聲子散射小，導(dǎo)熱系數(shù)降幅不大；電子、聲子散射小，導(dǎo)熱系數(shù)降幅不大； 如基體熱傳導(dǎo)系數(shù)大，合

42、金元素影響較大；如基體熱傳導(dǎo)系數(shù)大，合金元素影響較大；（2）合金發(fā)生）合金發(fā)生無(wú)序無(wú)序-有序轉(zhuǎn)變有序轉(zhuǎn)變時(shí)，由于時(shí)，由于點(diǎn)陣的周期點(diǎn)陣的周期性增強(qiáng)，使傳導(dǎo)電子的平均自由程增大性增強(qiáng)，使傳導(dǎo)電子的平均自由程增大，使其，使其導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)比無(wú)序時(shí)明顯增大系數(shù)比無(wú)序時(shí)明顯增大；7172 對(duì)液、固態(tài)下無(wú)限互溶的固溶體，其變化規(guī)律與電阻率對(duì)液、固態(tài)下無(wú)限互溶的固溶體，其變化規(guī)律與電阻率變化規(guī)律變化規(guī)律(P46)相反（相反（熱導(dǎo)率在溶質(zhì)濃度熱導(dǎo)率在溶質(zhì)濃度50%處為最小值處為最小值）（3）、）、晶粒大小晶粒大?。壕ЯＴ酱执?，熱導(dǎo)率越高，晶粒越細(xì)小，熱導(dǎo)：晶粒越粗大，熱導(dǎo)率越高，晶粒越細(xì)小，熱導(dǎo)率越低；率越低

43、；（4）、立方晶系、各向同性材料，熱導(dǎo)率與晶向無(wú)關(guān)；其他晶系，）、立方晶系、各向同性材料，熱導(dǎo)率與晶向無(wú)關(guān)；其他晶系，則出現(xiàn)則出現(xiàn)各向異性各向異性；73三、熱導(dǎo)率的測(cè)量熱導(dǎo)率的測(cè)量：利用穩(wěn)態(tài)傳熱方法 控制加熱功率，使半無(wú)限大試樣在控制加熱功率，使半無(wú)限大試樣在Y軸方向?qū)崿F(xiàn)軸方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱，即加熱與傳出熱量始終相等即加熱與傳出熱量始終相等，滿(mǎn)足： 則 T=AY+BX軸Y軸022yTtT74代入邊界條件：代入邊界條件：y=0 T=T1 y=H (厚度）厚度） T=T2 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng) ：根據(jù)根據(jù)Fourier定律：定律：式中式中q與加熱功率有關(guān)（與加熱功率有關(guān)（W/S)，H、T1、T2可

44、測(cè)，可測(cè)，故故可求?？汕?。112TyHTTTHTTyTq12752.4 熱電性熱電性定義：定義：在金屬導(dǎo)體組成的回路中，存在在金屬導(dǎo)體組成的回路中，存在溫差溫差或通以或通以電流電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)；熱電性為；熱電性為組織敏感參量組織敏感參量，可通過(guò)熱電勢(shì)的變，可通過(guò)熱電勢(shì)的變化研究金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化；化研究金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化；一、三大熱電效應(yīng)一、三大熱電效應(yīng)1、Seeback效應(yīng)效應(yīng)（溫差電現(xiàn)象、第一熱效應(yīng)，（溫差電現(xiàn)象、第一熱效應(yīng)，1821年發(fā)現(xiàn)）年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：現(xiàn)象：在兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的回路中，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同在兩種不同材料（導(dǎo)

45、體或半導(dǎo)體）組成的回路中，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，回路中就有電流通過(guò)，產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)溫度時(shí)，回路中就有電流通過(guò)，產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。 如果兩種材料如果兩種材料A和和B完全均勻完全均勻，則回路中熱電勢(shì)，則回路中熱電勢(shì)EAB的大小僅與兩個(gè)接觸點(diǎn)的大小僅與兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度的溫度T1和和T2有關(guān)，由于有關(guān)，由于兩種金屬中電子密度不同和逸出功不同兩種金屬中電子密度不同和逸出功不同，電子從一，電子從一種金屬越過(guò)界面向另一種金屬遷移，故種金屬越過(guò)界面向另一種金屬遷移，故在接點(diǎn)處形成與溫度有關(guān)的接觸電勢(shì)在接點(diǎn)處形成與溫度有關(guān)的接觸電勢(shì)。倘若回路的兩接觸點(diǎn)溫度不同，接觸電勢(shì)的代數(shù)

46、和不等于零，所產(chǎn)生的接觸倘若回路的兩接觸點(diǎn)溫度不同，接觸電勢(shì)的代數(shù)和不等于零，所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差就是熱電勢(shì)。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫差不大時(shí)，熱電勢(shì)與溫差成正比，即：電勢(shì)差就是熱電勢(shì)。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫差不大時(shí)，熱電勢(shì)與溫差成正比，即： SAB不僅取決于兩種材料的特性，且與溫度有關(guān)，稱(chēng)為塞貝克系數(shù)，其不僅取決于兩種材料的特性，且與溫度有關(guān)，稱(chēng)為塞貝克系數(shù)，其物理意義物理意義為兩種材料的相對(duì)熱電勢(shì)率為兩種材料的相對(duì)熱電勢(shì)率。 76772、Peltier效應(yīng)（第二熱效應(yīng)，效應(yīng)（第二熱效應(yīng)，1834年發(fā)現(xiàn)）年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：現(xiàn)象：當(dāng)兩種當(dāng)兩種不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過(guò)時(shí)不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過(guò)時(shí)

47、，將使兩種金屬的其中將使兩種金屬的其中一接頭處放熱，另一接頭處吸熱（除一接頭處放熱，另一接頭處吸熱（除了因電流流經(jīng)電路而產(chǎn)生的焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)額外了因電流流經(jīng)電路而產(chǎn)生的焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)額外產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)）。產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)）。電流方向相反，則吸、放熱接頭電流方向相反，則吸、放熱接頭改變，這種效應(yīng)稱(chēng)為改變，這種效應(yīng)稱(chēng)為Peltier效應(yīng)，它滿(mǎn)足：效應(yīng)，它滿(mǎn)足： 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在放熱端會(huì)上升經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在放熱端會(huì)上升T1，吸熱端下降一，吸熱端下降一T2（即即熱端更熱、冷端更冷熱端更熱、冷端更冷）783、Thomson效應(yīng)（第三熱電效應(yīng)，效應(yīng)（第三熱電效應(yīng)，1851年發(fā)現(xiàn)年

48、發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：當(dāng)一根金屬導(dǎo)線(xiàn)兩端存在溫差時(shí)，若通以電流，則在當(dāng)一根金屬導(dǎo)線(xiàn)兩端存在溫差時(shí)，若通以電流，則在該段導(dǎo)線(xiàn)中將產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)；當(dāng)電流方向與導(dǎo)線(xiàn)中該段導(dǎo)線(xiàn)中將產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)；當(dāng)電流方向與導(dǎo)線(xiàn)中熱電流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，方向相反時(shí)產(chǎn)生吸熱反熱電流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，方向相反時(shí)產(chǎn)生吸熱反應(yīng)應(yīng)。熱效應(yīng)大小與材質(zhì)、溫度梯度有關(guān)，滿(mǎn)足： 放熱 吸熱Seeback效應(yīng)= Peltier效應(yīng)+ Thomson效應(yīng)熱電轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于加熱、制冷（半導(dǎo)體、電制冷）、溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于加熱、制冷（半導(dǎo)體、電制冷）、溫差發(fā)電差發(fā)電T1T2IT1T2I79二、二、影響熱電勢(shì)因素影響熱電勢(shì)因素

49、由接觸電位差引起的熱電勢(shì)依賴(lài)于由接觸電位差引起的熱電勢(shì)依賴(lài)于離子熱振動(dòng)（聲子）離子熱振動(dòng)（聲子）和電子的擴(kuò)散和電子的擴(kuò)散，由于聲子熱流的定向運(yùn)動(dòng)挾帶傳導(dǎo)電子，由于聲子熱流的定向運(yùn)動(dòng)挾帶傳導(dǎo)電子，從而使熱電勢(shì)隨溫度升高而增大；熱電勢(shì)取決于金屬或合從而使熱電勢(shì)隨溫度升高而增大；熱電勢(shì)取決于金屬或合金的成分、組織狀態(tài)，同時(shí)磁場(chǎng)、有序化過(guò)程、冷加工、金的成分、組織狀態(tài)，同時(shí)磁場(chǎng)、有序化過(guò)程、冷加工、電子濃度等也有影響。電子濃度等也有影響。1、材料本性的影響材料本性的影響 由于材料由于材料電子逸出功、電子密度的不同電子逸出功、電子密度的不同，導(dǎo)致熱電勢(shì)，導(dǎo)致熱電勢(shì)差異，純金屬熱電勢(shì)按以下順序排列，任一后

50、者的熱電勢(shì)差異，純金屬熱電勢(shì)按以下順序排列，任一后者的熱電勢(shì)相對(duì)于前者為負(fù)；相對(duì)于前者為負(fù)； Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al、Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi802、合金元素的影響（絕對(duì)熱電勢(shì)指金屬與超導(dǎo)體成偶在臨合金元素的影響（絕對(duì)熱電勢(shì)指金屬與超導(dǎo)體成偶在臨界溫度以下測(cè)得的熱電勢(shì)）界溫度以下測(cè)得的熱電勢(shì)） 由非過(guò)渡族元素所組成的由非過(guò)渡族元素所組成的固溶體固溶體，其熱電勢(shì)主要與，其熱電勢(shì)主要與合金元素的含量與性質(zhì)有關(guān)，其絕對(duì)熱電勢(shì)：合金元素的含量與性質(zhì)有關(guān)，其絕對(duì)熱電勢(shì)：)(0ibaiaeeeeeb為基體

51、熱電勢(shì)、ei為合金元素溶入后產(chǎn)生的附加熱電勢(shì) 多相合金多相合金的熱電勢(shì)介于組成相之間，若兩相電導(dǎo)率相近，的熱電勢(shì)介于組成相之間，若兩相電導(dǎo)率相近，則熱電勢(shì)與體積百分比呈線(xiàn)性關(guān)系則熱電勢(shì)與體積百分比呈線(xiàn)性關(guān)系；若形成化合物若形成化合物，熱電勢(shì)熱電勢(shì)發(fā)生突變，若化合物成半導(dǎo)體性質(zhì)，由于共價(jià)結(jié)合的加強(qiáng)，發(fā)生突變，若化合物成半導(dǎo)體性質(zhì)，由于共價(jià)結(jié)合的加強(qiáng)，其熱電勢(shì)顯著增加其熱電勢(shì)顯著增加。如：碲化鉍、碲化鎘、碲化銻（溫差半導(dǎo)體）813、組織轉(zhuǎn)變的影響組織轉(zhuǎn)變的影響A：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：從圖可以看到，隨著加熱溫度的升高，從圖可以看到，隨著加熱溫度的升高，鐵的鐵的dE/dT曲線(xiàn)在曲線(xiàn)在A2點(diǎn)由于磁性轉(zhuǎn)變發(fā)生拐折，而在點(diǎn)由于磁性轉(zhuǎn)變發(fā)生拐折，而在A3和和A4點(diǎn)由于發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，曲線(xiàn)產(chǎn)生明顯躍變。點(diǎn)由于發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，曲線(xiàn)產(chǎn)生明顯躍變。 B：M體轉(zhuǎn)變體轉(zhuǎn)變：雖然成份不變，但：雖然成份不變，但M體與體與A體結(jié)構(gòu)不同，體結(jié)構(gòu)不同，M體熱電體熱電勢(shì)勢(shì)A體熱電勢(shì)體熱電勢(shì) 82C：亞穩(wěn)固溶體合金的析出亞穩(wěn)固溶體合金的析出：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、回：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、回火均導(dǎo)致固溶體基體中合金元素的貧化、第二相的火均導(dǎo)