材料的熱學(xué)性能課件

1GeneralCharactersofMaterials1GeneralCharactersofMateria12本書主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：熱學(xué)性能力學(xué)性能電性能磁性學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。2本書主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：2第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱平衡——動態(tài)平衡熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)無隔熱壁時系統(tǒng)溫度處處相等；系統(tǒng)與環(huán)境之間無隔熱壁時系統(tǒng)與環(huán)境溫度相等。力平衡——無剛性壁時，無受力不均現(xiàn)象。相平衡——各相之間不隨時間發(fā)生變化?；瘜W(xué)平衡——化學(xué)組成和物質(zhì)數(shù)量不隨時間變化。第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)3熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(xué)第一定律——能量守恒，只說明了功、熱轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系；熱力學(xué)第二定律——過程的方向性熱力學(xué)第三定律——規(guī)定熵完美晶體含義：完美晶體是指晶格中排列的粒子(分子,原子或離子)只以一種方式整齊排列,沒有缺陷或錯位,是理想的單晶。玻璃態(tài)的固體、固溶體以及復(fù)晶等都不是。熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(xué)第一定律——能量守恒，只說明了功、熱轉(zhuǎn)4系統(tǒng)的自由能定義：G=H-TS物理意義：等T、P，除體積變化所做的功外，從系統(tǒng)所能獲得的最大功。如果發(fā)生的是不可逆過程，反應(yīng)總是朝著吉布斯自由能減小的方向進行。

麥克斯韋方程表明溫度一定時，H隨體積的增大而增加。

在低溫時，TS項的貢獻很小，所以吉布斯自由能在低溫下主要取決于H。因此原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能大于原子排列密集結(jié)構(gòu)的自由能，也就是說，在低溫下，相比較而言，密排結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定相。

相反，在高溫時，TS貢獻趨于很大，此時系統(tǒng)的吉布斯自由能主要取決于TS，由于原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的熵大于密排結(jié)構(gòu)的熵，因此，在高溫下，原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能小，相對原子密排結(jié)構(gòu)而言屬于穩(wěn)定相。系統(tǒng)的自由能定義：G=H-TS51.1.4熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì)——晶格熱振動牛頓第二定律簡諧振動方程：溫度↑，動能↑→頻率、振幅↑各質(zhì)點熱運動時動能的總和，就是該物體的熱量，即

1.1.4熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì)——晶格熱振動溫6第一章材料的熱學(xué)性能課件71.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量的物質(zhì)在一定條件下溫度升高1度所需要的熱，是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理量，用符號C表示，單位是J·K-1。

摩爾熱容：

1摩爾物質(zhì)的熱容，用Cm表示，單位是J·mol-1·K-1。

比熱容：

1千克物質(zhì)的熱容，用c表示，單位是J·kg-1·K-1。定壓熱容和定容熱容：等壓條件下的熱容稱定壓熱容，用符號Cp表示；等容條件下的熱容稱定容熱容，用符號CV表示。對于固體和液體來說，Cp和CV近似相等，但是在要求較高的計算中不能忽略。對于理想氣體來說，Cp,m?CV,m=R，其中R是理想氣體常數(shù)

1.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量8

熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論1.

杜隆-珀替定律：

19世紀，杜隆-珀替將氣體分子的熱容理論直接應(yīng)用于固體,從而提出了杜?。晏娑桑ㄔ氐臒崛荻桑汉銐合略氐脑訜崛轂?/p>

。實際上，大部分元素的原子熱容都接近該值，特別在高溫時符合的更好。但輕元素的原子熱容需改用表中的值。元素HBCOFSiPSCl9.611.37.516.720.915.922.522.520.4熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論1.杜隆-珀替定律：元素HB92.柯普定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和，即

式中：

為化合物中元素i的原子數(shù)，

為元素i的摩爾熱容。2.柯普定律：10用途：根據(jù)杜隆－珀替定律可以從比熱推算未知物質(zhì)的原子量，而根據(jù)柯普定律可得到原子熱即摩爾熱容并進一步推算化合物的分子熱。杜隆—珀替定律在高溫時與實驗結(jié)果很吻合。但在低溫時，CV

的實驗值并不是一個恒量，它隨溫度降低而減小，在接近絕對零度時，熱容值按T3的規(guī)律趨于零。對于低溫下熱容減小的現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論很好的進行解釋，需要用量子理論來解釋。用途：11熱容的量子理論普朗克基本觀點：質(zhì)點的熱振動大小不定，即動能大小不是定值，但能量是量子化的。簡化模型：愛因斯坦量子熱容模型德拜比熱模型熱容的量子理論愛因斯坦量子熱容模型12熱容的量子理論

1)愛因斯坦熱容模型：基本觀點：原子的振動是獨立而互不依賴的；具有相同的周圍環(huán)境，振動頻率都是相同的；振動的能量是不連續(xù)的、量子化的。結(jié)論：高溫時，Cv=3R，與杜隆-珀替公式相一致。低溫時，Cv隨T變化的趨勢和實驗結(jié)果相符，但是比實驗更快的趨近于零。T→0K時，Cv也趨近于0，和實驗結(jié)果相符。熱容的量子理論1)愛因斯坦熱容模型：13思考:導(dǎo)致低溫情況下與實驗結(jié)果有偏差的原因？第一章材料的熱學(xué)性能課件14熱容的量子理論2）德拜比熱模型基本觀點：晶體中原子具有相互作用，晶體近似為連續(xù)介質(zhì)。由于晶格中對熱容的主要貢獻是彈性波的振動，聲頻波的波長遠大于晶體的晶格常數(shù)，可以把晶體近似看成連續(xù)介質(zhì)。。熱容的量子理論2）德拜比熱模型15結(jié)論：溫度較高時，即T》θD時，Cv=3R，即杜隆-珀替定律。溫度較低時，即T《θD時，Cv與T3成正比并隨T→0而趨于0.溫度越低，與實驗值越吻合。彌補了愛因斯坦量子熱容模型的不足，但不能解釋超導(dǎo)等復(fù)雜問題（因為晶體不是連續(xù)體）。結(jié)論：16材料的熱容

不同溫度下某些陶瓷材料的熱容

絕大多數(shù)氧化物、碳化物的熱容都從低溫時的一個低值增加到1273K左右的近似于3R，并保持不變。材料的熱容不17

材料的熱容1.無機材料的熱容

無機材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)關(guān)系不大氣孔率的影響：多孔材料因質(zhì)量輕，熱容小，所需的熱量要小于耐熱材料。加熱窯多用硅藻土，泡沫剛玉等。

固體材料熱容Cp與溫度T的關(guān)系可有實驗測定，也可由經(jīng)驗公式計算式中：Cp的單位為4.18J/(K.mol)材料的熱容1.無機材料的熱容18實驗證明，在較高溫度下（573以上）固體的摩爾熱容大約等于構(gòu)成該化合物的各元素原子熱容的總和

式中：ni為化合物中元素的原子數(shù)，Ci為化合物中元素i的摩爾熱容。對于計算大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物在573以上的熱容有較好的結(jié)果。同樣，對于多相復(fù)合材料也有如下的計算式

式中：gi為材料中第i種組成的質(zhì)量百分數(shù)，Ci為材料中第i種組成的比熱容。實驗證明，在較高溫度下（573以上）固體的摩爾熱容大約等于構(gòu)19材料的熱容2.金屬和合金的熱容

1）金屬的熱容

Ⅰ區(qū)CV∝TⅡ區(qū)CV∝T3

Ⅲ區(qū)CV>3R

對于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時有：α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰嶒灉y得。材料的熱容2.金屬和合金的熱容α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?0關(guān)于金屬熱容的說明：一般情況下，常溫時點陣振動貢獻的熱容遠大于電子熱容，只有在溫度極低或極高時，電子熱容才不能被忽略。對于過渡族金屬，由于s層、d層、f層電子都會參與振動，對熱容作出貢獻，也就是說過渡族金屬的電子熱容貢獻較大，因此，過渡族金屬的定容熱容遠大于簡單金屬。關(guān)于金屬熱容的說明：212）合金的熱容

合金的摩爾熱容可以由組元的摩爾熱容按比例相加而得，即

式中：X1，

X2，…,Xn分別是組元所占的原子分數(shù)，C1，

C2，…,Cn分別為各組元的摩爾熱容，這就稱為紐曼－柯普定律。說明：定律的普適性熱處理對于合金在高溫下的熱容沒有明顯的影響2）合金的熱容合金的摩爾熱容可以由組元的摩爾熱容按比例223）組織轉(zhuǎn)變對熱容的影響

對于一級相變：在相變點，熱容發(fā)生突變，熱容為無限大

對于二級相變：比熱也有變化，但為有限值3）組織轉(zhuǎn)變對熱容的影響對于一級相變：在相變點，熱231.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)

1）概念：用來描述溫度變化時材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量。假設(shè)物體原來的長度為，溫度升高后長度的增加量為，實驗得出式中：αl為線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時，物體的相對伸長量。同理，物體體積隨溫度的增加可表示為

式中：αV為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高1K時物體體積相對增長值。1.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)24如果物體是立方體，有

對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假設(shè)分別為αa,、αb、αc，則

材料的熱膨脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般愈小，材料熱穩(wěn)定性愈好。例如Si3N4的=2.7×10-6K-1，在陶瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)定性也好。如果物體是立方體，有251.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)

1）唯象解釋：熱膨脹的本質(zhì)為點陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點間平均距離隨溫度的升高而增大。在質(zhì)點平衡位置r0兩側(cè)：

r<r0

斜率大，斥力隨位移增大很快；

r>r0

斜率小，引力隨位移增加慢。因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。1.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)26Curve勢能一原子間距離曲線假想的實際的熱膨脹現(xiàn)象解釋Curve勢能一原子間距離曲線假想的實際的熱膨脹現(xiàn)象解釋271.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系

1）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系：質(zhì)點間的結(jié)合力越強，熱膨脹系數(shù)越小，熔點越高。金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。

2）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系平衡位置隨溫度的變化鍵強與熱膨脹1.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系平衡位置隨溫度的變28溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越大。熱膨脹系數(shù)與熱容密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律。溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越291.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律

熱傳導(dǎo)：一塊材料溫度不均勻或兩個溫度不同的物體相互接觸，熱量便會自動的從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播。穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律非穩(wěn)態(tài)傳熱1.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律301.4材料的導(dǎo)熱性

2導(dǎo)熱的微觀機制固體中的導(dǎo)熱主要靠晶格振動的格波（聲子）和自由電子的運動來實現(xiàn)：

λ:聲子熱導(dǎo)率，λr：電子（光子）的熱導(dǎo)率除金屬外，一般固體特別是離子或共價鍵晶體中自由電子很少。1.4材料的導(dǎo)熱性2導(dǎo)熱的微觀機制λ:聲子熱31聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類似于在固體中傳播的聲波。因此，就把聲頻波的量子稱為聲子。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。固體（聲子）熱導(dǎo)率的普適性公式（聲子的速度與角頻率無關(guān)）：熱容C和平均自由程l都是振動頻率v的函數(shù)熱導(dǎo)率的大小主要取決于C和l聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類似于在固體中傳32光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變會輻射出頻率較高的電磁波，頻譜包括了一定波長的熱射線，其熱傳導(dǎo)方式與光在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象類似，也有光的散射、衍射、吸收、反射和折射等，故稱為光子傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。固體（光子）熱導(dǎo)率公式（輻射傳熱中，容積熱容相當(dāng)于提高輻射溫度所需的能量）：熱導(dǎo)率的大小主要取決于平均自由程lr和溫度T。材料透明度與lr的變化趨勢一致。光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變會33

純金屬

a)溫度對于純銅，分為三個區(qū)

Ⅰ區(qū)T增大，λ增大

Ⅱ區(qū)T增大，λ不變

Ⅲ區(qū)T增大，λ減小

鉍，銻金屬熔化時，熱導(dǎo)率上升一倍，共價鍵減弱，金屬鍵加強。

b)晶粒大小：晶粒粗大，熱導(dǎo)率高

c)各向異性：立方晶系與晶向無關(guān)，非立方各向?qū)浴?/p>

d)雜質(zhì)：強烈影響影響熱導(dǎo)率的因素純金屬影響熱導(dǎo)率的因素34銅合金的性能

Propertiesofcopperalloy材料組成熱膨脹系數(shù)×10-6/℃熱導(dǎo)率W/(m·K)電導(dǎo)率IACS％純銅Cu17.0388-39995-101黃銅Cu-Zn18.1-19.829-6030-57錫青銅Cu-Sn17.5-19.112-209-18鋁青銅Cu-Al17.1-18.260-1008-17硅青銅Cu-Si16.1-18.537-10410-28錳青銅Cu-Mn20.41086-16白銅Cu-Ni1713020影響熱導(dǎo)率的因素銅合金的性能組成熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率電導(dǎo)率純銅Cu17.03835

合金

a)無序固溶體：濃度增加，熱導(dǎo)率減小，最小值一般在50%處。

b)有序固溶體：熱導(dǎo)率提高，最大值對應(yīng)于有序固溶體的成分。

c)鋼中的合金元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱導(dǎo)率。奧氏體<淬火馬氏體<回火馬氏體<珠光體影響熱導(dǎo)率的因素合金影響熱導(dǎo)率的因素36無機非金屬的熱傳導(dǎo)：

1）傳導(dǎo)機制：導(dǎo)熱主要靠聲子，還有光子導(dǎo)熱。

2）熱導(dǎo)率的影響因素：

a)溫度：單晶Al2O3

分為四個溫度區(qū)間迅速上升區(qū)極大值區(qū)迅速下降區(qū)緩慢下降區(qū)

b)化學(xué)組成：對于無機非金屬材料：材料結(jié)構(gòu)相同，相對原子質(zhì)量小，密度小，彈性模量大，德拜溫度越高，熱導(dǎo)率越大。輕元素的固體和結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率大。對于固溶體：降低熱導(dǎo)率影響熱導(dǎo)率的因素?zé)o機非金屬的熱傳導(dǎo)：影響熱導(dǎo)率的因素37

c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率下降。

d)非晶熱傳導(dǎo)有其特殊性：①不考慮光子導(dǎo)熱，在所有溫度下，非晶導(dǎo)熱低于晶體；②在較高溫度下熱導(dǎo)率比較接近③非晶熱導(dǎo)隨溫度變化沒有出現(xiàn)極值。影響熱導(dǎo)率的因素c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率38各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對導(dǎo)熱性有影響；晶格振動無機陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動較劇烈，再加上電子運動的貢獻增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：電子與聲子的共同貢獻低溫時，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率39熱導(dǎo)率的測量穩(wěn)態(tài)法：理論基礎(chǔ)：傅里葉熱傳導(dǎo)定律關(guān)鍵因素：控制溫度的穩(wěn)態(tài)需測量樣品的幾何尺寸熱導(dǎo)率的測量穩(wěn)態(tài)法：40熱導(dǎo)率的測量非穩(wěn)態(tài)法：實驗依據(jù)：試樣溫度場隨時間變化(測出熱端熱波衰減過程的波長和波速就可以得出熱導(dǎo)率）關(guān)鍵因素：如何實現(xiàn)熱量的一維傳播如何實現(xiàn)熱端溫度隨時間按簡諧形式變化的邊界條件需測量樣品的比熱容和密度熱導(dǎo)率的測量非穩(wěn)態(tài)法：411.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：

熱穩(wěn)定性：材料承受溫度急驟變化而不致破壞的能力.(抗熱震性）熱沖擊損壞類型：

1）抗熱沖擊斷裂性：抵抗材料發(fā)生瞬時斷裂的能力

2）抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂，剝落并不斷發(fā)展，最終失效或斷裂；材料抵抗這類破壞的能力。紅外窗口的抗壓ZnS，165度保溫1小時，投入19度的水中，不能有微裂紋；火箭噴嘴：瞬時承受3000-4000K溫差的熱沖擊，同時還要經(jīng)受高速氣流和化學(xué)腐蝕作用。日用瓷：不斷升溫，投到水中，直至裂紋出現(xiàn)，其前一次溫度來表征其熱穩(wěn)定性耐火材料：加熱850度，保溫，水中3分鐘或空氣中5-10分鐘，重復(fù)到失重20%為止1.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：421.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：

熱應(yīng)力：僅由材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致：斷裂破壞或者塑性變形熱應(yīng)力的來源：

1）因熱脹冷縮受到限制而產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)這根桿的溫度從T0改變到T1時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：T0T’T’

T’>T0時，σ<0，桿受壓應(yīng)力

T’<T0時，σ>0，桿受拉應(yīng)力1.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：T0T’T’T’431.5材料的熱穩(wěn)定性

2）因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力

物體迅速加熱時，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時（如淬火），表面受拉應(yīng)力，相鄰內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力。

3）多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力ABABAB1.5材料的熱穩(wěn)定性2）因溫度梯度而產(chǎn)生的441.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

1）第一熱應(yīng)力抵抗因子R：

當(dāng)最大熱應(yīng)力值σmax<σf(強度極限），材料就不會斷裂，材料所能承受的溫差越大，材料的熱穩(wěn)定性就越好。

R：第一熱應(yīng)力因子；μ：泊松比；a:熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：R：第451.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

熱穩(wěn)定性除與ΔTmax相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：

a)材料熱導(dǎo)率λ：

λ增加，其熱應(yīng)力小

b)傳熱的途徑：材料愈薄，愈易達到溫度均勻

c)材料表面散熱率：表面熱傳遞系數(shù)h,h越大，其熱穩(wěn)定性越差。如材料樣品的厚度為rm,則有畢奧模數(shù)β

顯然，β大，對熱穩(wěn)定性不利

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：顯然，β461.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

單位：(J/cm/S),如考慮樣品的形狀則有：

S為非平板樣品的形狀因子。討論：具有高的熱導(dǎo)率λ,高的斷裂強度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模E，則具有高熱沖擊斷裂性能。

3）第三熱應(yīng)力抵抗因子R``（明確最大冷卻速率）1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：S為非平474.抗熱沖擊損傷性適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。瞬時不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。例如：耐火磚中含有氣孔率時具有最好的抗熱沖擊損傷性，但氣孔的存在會降低材料的強度和熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力因子減小。1.5材料的熱穩(wěn)定性4.抗熱沖擊損傷性1.5材料的熱穩(wěn)定性48從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)。材料中微裂紋擴展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)變能、裂紋擴展的斷裂表面能影響材料的抗熱損傷性。積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴展??；裂紋擴展的斷裂表面能大，裂紋的蔓延程度小。1.考慮問題的出發(fā)點從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)。1.考慮問題49抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。

RE/2(1－)材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。

RE×2eff/2(1－)用于比較具有不同斷裂表面能的材料。強度高的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴展蔓延，對熱穩(wěn)定性不利。2.抗熱應(yīng)力損傷因子抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。2.505.材料熱穩(wěn)定性的測定陶瓷熱穩(wěn)定性測定方法一般是把試樣加熱到一定的溫度，接著放入適當(dāng)溫度的水中，判定方法為：①根據(jù)試樣出現(xiàn)裂紋或損壞到一定程度時，所經(jīng)受的熱變換次數(shù)；②經(jīng)過一定的次數(shù)的熱冷變換后機械強度降低的程度來決定熱穩(wěn)定性；③試樣出現(xiàn)裂紋時經(jīng)受的熱冷最大溫差來表示試樣的熱穩(wěn)定性，溫差愈大，熱穩(wěn)定性愈好。玻璃材料穩(wěn)定性測定方法實驗中常將一定數(shù)量的玻璃試樣在立式管狀電爐中加熱，使樣品內(nèi)外的溫度均勻，然后使之驟冷，用放大鏡考察，看試樣不破裂時所能承受的最大溫差。對相同組成的各塊樣品，最大溫差并不是固定不變的，所以測定一種玻璃的穩(wěn)定性，必須取多個試樣，并進行平行實驗。1.5材料的熱穩(wěn)定性5.材料熱穩(wěn)定性的測定1.5材料的熱穩(wěn)定性511.6熱分析技術(shù)的應(yīng)用ICTA定義：熱分析是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。說明：程序控制溫度：固定加熱或冷卻速率物理性質(zhì)：質(zhì)量、溫度、熱焓、尺寸、力學(xué)性能、電學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)等。溫度探測：熱電偶（原理是什么？）

1.6熱分析技術(shù)的應(yīng)用ICTA定義：熱分析是在程序控制溫度52熱分析分類：熱重測量法（TG）差熱分析法（DTA）差示掃描量熱法（DSC）熱分析分類：熱重測量法（TG）53熱重測量法測量物質(zhì)的質(zhì)量——溫度（m=f（T)）質(zhì)量而不是重量TG曲線示意圖熱重測量法測量物質(zhì)的質(zhì)量——溫度（m=f（T)）TG曲線示意54差熱分析物質(zhì)與參比物之間的溫度差——溫度（△T~T或t）DTA示意圖差熱分析物質(zhì)與參比物之間的溫度差——溫度DTA示意圖55DTA曲線的幾何要素：(1)零線：理想狀態(tài)ΔT=0的線，圖中AE；(2)基線：實際條件下試樣無熱效應(yīng)時的曲線部份，圖中AB和DE；(3)吸熱峰：TS<TR,ΔT＜0時的曲線部份；(4)放熱峰：TS>TR,ΔT>0時的曲線部份；(5)起始溫度（Ti）：熱效應(yīng)發(fā)生時曲線開始偏離基線的溫度；(6)終止溫度（Tf）：曲線開始回到基線的溫度；(7)峰頂溫度（TP）：吸、放熱峰的峰形頂部的溫度，該點瞬間d(ΔT)/dt=0；(8)峰高：是指內(nèi)插基線與峰頂之間的距離，如CF；(9)峰面積：是指峰形與內(nèi)插基線所圍面積，如BCDB；(10)外推起始點：是指峰的起始邊鈄率最大處所作切線與外推基線的交點，如圖中的G點，其對應(yīng)的溫度稱為外推起始溫度（Teo）；根據(jù)ICTA共同試樣的測定結(jié)果，以外推起始溫度（Teo

）最為接近熱力學(xué)平衡溫度。DTA曲線的幾何要素：56DTA曲線中信息：峰的數(shù)目、位置、方向、高度、寬度和面積等均具有一定的意義?？捎脕磉M行定量或定性分析。DTA的特點：簡便快捷、重復(fù)性差、分辨率低、熱量定量難。DTA曲線中信息：57差示掃描量熱法加入物質(zhì)與參比物之間的能量差——溫度詳細定義：在程序控制溫度下，測量輸給物質(zhì)與參比物的功率差與溫度的一種技術(shù)。分類：根據(jù)所用測量方法的不同1.功率補償型DSC2.熱流型DSC差示掃描量熱法加入物質(zhì)與參比物之間的能量差——溫度58

基本原理DTA存在的兩個缺點：1）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時，升溫速率是非線性的，從而使校正系數(shù)K值變化，難以進行定量；2）試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時，由于與參比物、環(huán)境的溫度有較大差異，三者之間會發(fā)生熱交換，降低了對熱效應(yīng)測量的靈敏度和精確度。→使得差熱技術(shù)難以進行定量分析，只能進行定性或半定量的分析工作?；驹鞤TA存在的兩個缺點：59基本原理為了克服差熱缺點，發(fā)展了DSC。該法對試樣產(chǎn)生的熱效應(yīng)能及時得到應(yīng)有的補償，使得試樣與參比物之間無溫差、無熱交換，試樣升溫速度始終跟隨爐溫線性升溫，保證了校正系數(shù)Ｋ值恒定。測量靈敏度和精度大有提高?；驹頌榱丝朔顭崛秉c，發(fā)展了DSC。該法對試樣產(chǎn)生的熱效60功率補償型DSC儀器的主要特點

1.試樣和參比物分別具有獨立的加熱器和傳感器。整個儀器由兩套控制電路進行監(jiān)控。一套控制溫度，使試樣和參比物以預(yù)定的速率升溫，另一套用來補償二者之間的溫度差。

2.無論試樣產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，試樣和參比物都處于動態(tài)零位平衡狀態(tài)，即二者之間的溫度差T等于0。這是DSC和DTA技術(shù)最本質(zhì)的區(qū)別。功率補償型DSC儀器的主要特點1.試樣和參比物分別具有獨立61熱流型DSC與DTA儀器十分相似，是一種定量的DTA儀器。不同之處在于試樣與參比物托架下，置一電熱片，加熱器在程序控制下對加熱塊加熱，其熱量通過電熱片同時對試樣和參比物加熱，使之受熱均勻。熱流型DSC與DTA儀器十分相似，是一種定量的DTA儀器。62縱坐標(biāo)：熱流率橫坐標(biāo)：溫度T(或時間t)峰向上表示吸熱向下表示放熱在整個表觀上，除縱坐標(biāo)軸的單位之外，DSC曲線看上去非常像DTA曲線。像在DTA的情形一樣，DSC曲線峰包圍的面積正比于熱焓的變化。DSC曲線縱坐標(biāo)：熱流率DSC曲線63DSC與DTA測定原理的不同DSC是在控制溫度變化情況下，以溫度（或時間）為橫坐標(biāo)，以樣品與參比物間溫差為零所需供給的熱量為縱坐標(biāo)所得的掃描曲線。DTA是測量T-T的關(guān)系，而DSC是保持T=0，測定H-T的關(guān)系。兩者最大的差別是DTA只能定性或半定量，而DSC的結(jié)果可用于定量分析。DSC與DTA測定原理的不同DSC是在控制溫度變化情況下，以64熱分析技術(shù)的應(yīng)用測定并建立合金相圖實驗基礎(chǔ)：相平衡熱彈性馬氏體相變的研究能夠較準確地測量馬氏體相變過程中的溫度信息有序-無序轉(zhuǎn)變的研究以熱效應(yīng)判斷有序-無序轉(zhuǎn)變過程鋼中臨界點分析熱效應(yīng)與鋼中含碳量有關(guān)熱分析技術(shù)的應(yīng)用測定并建立合金相圖6566GeneralCharactersofMaterials1GeneralCharactersofMateria6667本書主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：熱學(xué)性能力學(xué)性能電性能磁性學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。2本書主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：67第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱平衡——動態(tài)平衡熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)無隔熱壁時系統(tǒng)溫度處處相等；系統(tǒng)與環(huán)境之間無隔熱壁時系統(tǒng)與環(huán)境溫度相等。力平衡——無剛性壁時，無受力不均現(xiàn)象。相平衡——各相之間不隨時間發(fā)生變化?；瘜W(xué)平衡——化學(xué)組成和物質(zhì)數(shù)量不隨時間變化。第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)68熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(xué)第一定律——能量守恒，只說明了功、熱轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系；熱力學(xué)第二定律——過程的方向性熱力學(xué)第三定律——規(guī)定熵完美晶體含義：完美晶體是指晶格中排列的粒子(分子,原子或離子)只以一種方式整齊排列,沒有缺陷或錯位,是理想的單晶。玻璃態(tài)的固體、固溶體以及復(fù)晶等都不是。熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(xué)第一定律——能量守恒，只說明了功、熱轉(zhuǎn)69系統(tǒng)的自由能定義：G=H-TS物理意義：等T、P，除體積變化所做的功外，從系統(tǒng)所能獲得的最大功。如果發(fā)生的是不可逆過程，反應(yīng)總是朝著吉布斯自由能減小的方向進行。

麥克斯韋方程表明溫度一定時，H隨體積的增大而增加。

在低溫時，TS項的貢獻很小，所以吉布斯自由能在低溫下主要取決于H。因此原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能大于原子排列密集結(jié)構(gòu)的自由能，也就是說，在低溫下，相比較而言，密排結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定相。

相反，在高溫時，TS貢獻趨于很大，此時系統(tǒng)的吉布斯自由能主要取決于TS，由于原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的熵大于密排結(jié)構(gòu)的熵，因此，在高溫下，原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能小，相對原子密排結(jié)構(gòu)而言屬于穩(wěn)定相。系統(tǒng)的自由能定義：G=H-TS701.1.4熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì)——晶格熱振動牛頓第二定律簡諧振動方程：溫度↑，動能↑→頻率、振幅↑各質(zhì)點熱運動時動能的總和，就是該物體的熱量，即

1.1.4熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì)——晶格熱振動溫71第一章材料的熱學(xué)性能課件721.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量的物質(zhì)在一定條件下溫度升高1度所需要的熱，是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理量，用符號C表示，單位是J·K-1。

摩爾熱容：

1摩爾物質(zhì)的熱容，用Cm表示，單位是J·mol-1·K-1。

比熱容：

1千克物質(zhì)的熱容，用c表示，單位是J·kg-1·K-1。定壓熱容和定容熱容：等壓條件下的熱容稱定壓熱容，用符號Cp表示；等容條件下的熱容稱定容熱容，用符號CV表示。對于固體和液體來說，Cp和CV近似相等，但是在要求較高的計算中不能忽略。對于理想氣體來說，Cp,m?CV,m=R，其中R是理想氣體常數(shù)

1.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量73

熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論1.

杜隆-珀替定律：

19世紀，杜隆-珀替將氣體分子的熱容理論直接應(yīng)用于固體,從而提出了杜?。晏娑桑ㄔ氐臒崛荻桑汉銐合略氐脑訜崛轂?/p>

。實際上，大部分元素的原子熱容都接近該值，特別在高溫時符合的更好。但輕元素的原子熱容需改用表中的值。元素HBCOFSiPSCl9.611.37.516.720.915.922.522.520.4熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論1.杜隆-珀替定律：元素HB742.柯普定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和，即

式中：

為化合物中元素i的原子數(shù)，

為元素i的摩爾熱容。2.柯普定律：75用途：根據(jù)杜?。晏娑煽梢詮谋葻嵬扑阄粗镔|(zhì)的原子量，而根據(jù)柯普定律可得到原子熱即摩爾熱容并進一步推算化合物的分子熱。杜隆—珀替定律在高溫時與實驗結(jié)果很吻合。但在低溫時，CV

的實驗值并不是一個恒量，它隨溫度降低而減小，在接近絕對零度時，熱容值按T3的規(guī)律趨于零。對于低溫下熱容減小的現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論很好的進行解釋，需要用量子理論來解釋。用途：76熱容的量子理論普朗克基本觀點：質(zhì)點的熱振動大小不定，即動能大小不是定值，但能量是量子化的。簡化模型：愛因斯坦量子熱容模型德拜比熱模型熱容的量子理論愛因斯坦量子熱容模型77熱容的量子理論

1)愛因斯坦熱容模型：基本觀點：原子的振動是獨立而互不依賴的；具有相同的周圍環(huán)境，振動頻率都是相同的；振動的能量是不連續(xù)的、量子化的。結(jié)論：高溫時，Cv=3R，與杜隆-珀替公式相一致。低溫時，Cv隨T變化的趨勢和實驗結(jié)果相符，但是比實驗更快的趨近于零。T→0K時，Cv也趨近于0，和實驗結(jié)果相符。熱容的量子理論1)愛因斯坦熱容模型：78思考:導(dǎo)致低溫情況下與實驗結(jié)果有偏差的原因？第一章材料的熱學(xué)性能課件79熱容的量子理論2）德拜比熱模型基本觀點：晶體中原子具有相互作用，晶體近似為連續(xù)介質(zhì)。由于晶格中對熱容的主要貢獻是彈性波的振動，聲頻波的波長遠大于晶體的晶格常數(shù)，可以把晶體近似看成連續(xù)介質(zhì)。。熱容的量子理論2）德拜比熱模型80結(jié)論：溫度較高時，即T》θD時，Cv=3R，即杜隆-珀替定律。溫度較低時，即T《θD時，Cv與T3成正比并隨T→0而趨于0.溫度越低，與實驗值越吻合。彌補了愛因斯坦量子熱容模型的不足，但不能解釋超導(dǎo)等復(fù)雜問題（因為晶體不是連續(xù)體）。結(jié)論：81材料的熱容

不同溫度下某些陶瓷材料的熱容

絕大多數(shù)氧化物、碳化物的熱容都從低溫時的一個低值增加到1273K左右的近似于3R，并保持不變。材料的熱容不82

材料的熱容1.無機材料的熱容

無機材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)關(guān)系不大氣孔率的影響：多孔材料因質(zhì)量輕，熱容小，所需的熱量要小于耐熱材料。加熱窯多用硅藻土，泡沫剛玉等。

固體材料熱容Cp與溫度T的關(guān)系可有實驗測定，也可由經(jīng)驗公式計算式中：Cp的單位為4.18J/(K.mol)材料的熱容1.無機材料的熱容83實驗證明，在較高溫度下（573以上）固體的摩爾熱容大約等于構(gòu)成該化合物的各元素原子熱容的總和

式中：ni為化合物中元素的原子數(shù)，Ci為化合物中元素i的摩爾熱容。對于計算大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物在573以上的熱容有較好的結(jié)果。同樣，對于多相復(fù)合材料也有如下的計算式

式中：gi為材料中第i種組成的質(zhì)量百分數(shù)，Ci為材料中第i種組成的比熱容。實驗證明，在較高溫度下（573以上）固體的摩爾熱容大約等于構(gòu)84材料的熱容2.金屬和合金的熱容

1）金屬的熱容

Ⅰ區(qū)CV∝TⅡ區(qū)CV∝T3

Ⅲ區(qū)CV>3R

對于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時有：α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰嶒灉y得。材料的熱容2.金屬和合金的熱容α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?5關(guān)于金屬熱容的說明：一般情況下，常溫時點陣振動貢獻的熱容遠大于電子熱容，只有在溫度極低或極高時，電子熱容才不能被忽略。對于過渡族金屬，由于s層、d層、f層電子都會參與振動，對熱容作出貢獻，也就是說過渡族金屬的電子熱容貢獻較大，因此，過渡族金屬的定容熱容遠大于簡單金屬。關(guān)于金屬熱容的說明：862）合金的熱容

合金的摩爾熱容可以由組元的摩爾熱容按比例相加而得，即

式中：X1，

X2，…,Xn分別是組元所占的原子分數(shù)，C1，

C2，…,Cn分別為各組元的摩爾熱容，這就稱為紐曼－柯普定律。說明：定律的普適性熱處理對于合金在高溫下的熱容沒有明顯的影響2）合金的熱容合金的摩爾熱容可以由組元的摩爾熱容按比例873）組織轉(zhuǎn)變對熱容的影響

對于一級相變：在相變點，熱容發(fā)生突變，熱容為無限大

對于二級相變：比熱也有變化，但為有限值3）組織轉(zhuǎn)變對熱容的影響對于一級相變：在相變點，熱881.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)

1）概念：用來描述溫度變化時材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量。假設(shè)物體原來的長度為，溫度升高后長度的增加量為，實驗得出式中：αl為線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時，物體的相對伸長量。同理，物體體積隨溫度的增加可表示為

式中：αV為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高1K時物體體積相對增長值。1.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)89如果物體是立方體，有

對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假設(shè)分別為αa,、αb、αc，則

材料的熱膨脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般愈小，材料熱穩(wěn)定性愈好。例如Si3N4的=2.7×10-6K-1，在陶瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)定性也好。如果物體是立方體，有901.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)

1）唯象解釋：熱膨脹的本質(zhì)為點陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點間平均距離隨溫度的升高而增大。在質(zhì)點平衡位置r0兩側(cè)：

r<r0

斜率大，斥力隨位移增大很快；

r>r0

斜率小，引力隨位移增加慢。因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。1.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)91Curve勢能一原子間距離曲線假想的實際的熱膨脹現(xiàn)象解釋Curve勢能一原子間距離曲線假想的實際的熱膨脹現(xiàn)象解釋921.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系

1）熱膨脹與結(jié)合能、熔點的關(guān)系：質(zhì)點間的結(jié)合力越強，熱膨脹系數(shù)越小，熔點越高。金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。

2）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系平衡位置隨溫度的變化鍵強與熱膨脹1.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系平衡位置隨溫度的變93溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越大。熱膨脹系數(shù)與熱容密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律。溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越941.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律

熱傳導(dǎo)：一塊材料溫度不均勻或兩個溫度不同的物體相互接觸，熱量便會自動的從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播。穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律非穩(wěn)態(tài)傳熱1.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律951.4材料的導(dǎo)熱性

2導(dǎo)熱的微觀機制固體中的導(dǎo)熱主要靠晶格振動的格波（聲子）和自由電子的運動來實現(xiàn)：

λ:聲子熱導(dǎo)率，λr：電子（光子）的熱導(dǎo)率除金屬外，一般固體特別是離子或共價鍵晶體中自由電子很少。1.4材料的導(dǎo)熱性2導(dǎo)熱的微觀機制λ:聲子熱96聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類似于在固體中傳播的聲波。因此，就把聲頻波的量子稱為聲子。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。固體（聲子）熱導(dǎo)率的普適性公式（聲子的速度與角頻率無關(guān)）：熱容C和平均自由程l都是振動頻率v的函數(shù)熱導(dǎo)率的大小主要取決于C和l聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類似于在固體中傳97光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變會輻射出頻率較高的電磁波，頻譜包括了一定波長的熱射線，其熱傳導(dǎo)方式與光在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象類似，也有光的散射、衍射、吸收、反射和折射等，故稱為光子傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。固體（光子）熱導(dǎo)率公式（輻射傳熱中，容積熱容相當(dāng)于提高輻射溫度所需的能量）：熱導(dǎo)率的大小主要取決于平均自由程lr和溫度T。材料透明度與lr的變化趨勢一致。光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動、轉(zhuǎn)動等運動狀態(tài)的改變會98

純金屬

a)溫度對于純銅，分為三個區(qū)

Ⅰ區(qū)T增大，λ增大

Ⅱ區(qū)T增大，λ不變

Ⅲ區(qū)T增大，λ減小

鉍，銻金屬熔化時，熱導(dǎo)率上升一倍，共價鍵減弱，金屬鍵加強。

b)晶粒大?。壕Я４执?，熱導(dǎo)率高

c)各向異性：立方晶系與晶向無關(guān)，非立方各向?qū)浴?/p>

d)雜質(zhì)：強烈影響影響熱導(dǎo)率的因素純金屬影響熱導(dǎo)率的因素99銅合金的性能

Propertiesofcopperalloy材料組成熱膨脹系數(shù)×10-6/℃熱導(dǎo)率W/(m·K)電導(dǎo)率IACS％純銅Cu17.0388-39995-101黃銅Cu-Zn18.1-19.829-6030-57錫青銅Cu-Sn17.5-19.112-209-18鋁青銅Cu-Al17.1-18.260-1008-17硅青銅Cu-Si16.1-18.537-10410-28錳青銅Cu-Mn20.41086-16白銅Cu-Ni1713020影響熱導(dǎo)率的因素銅合金的性能組成熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率電導(dǎo)率純銅Cu17.038100

合金

a)無序固溶體：濃度增加，熱導(dǎo)率減小，最小值一般在50%處。

b)有序固溶體：熱導(dǎo)率提高，最大值對應(yīng)于有序固溶體的成分。

c)鋼中的合金元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱導(dǎo)率。奧氏體<淬火馬氏體<回火馬氏體<珠光體影響熱導(dǎo)率的因素合金影響熱導(dǎo)率的因素101無機非金屬的熱傳導(dǎo)：

1）傳導(dǎo)機制：導(dǎo)熱主要靠聲子，還有光子導(dǎo)熱。

2）熱導(dǎo)率的影響因素：

a)溫度：單晶Al2O3

分為四個溫度區(qū)間迅速上升區(qū)極大值區(qū)迅速下降區(qū)緩慢下降區(qū)

b)化學(xué)組成：對于無機非金屬材料：材料結(jié)構(gòu)相同，相對原子質(zhì)量小，密度小，彈性模量大，德拜溫度越高，熱導(dǎo)率越大。輕元素的固體和結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率大。對于固溶體：降低熱導(dǎo)率影響熱導(dǎo)率的因素?zé)o機非金屬的熱傳導(dǎo)：影響熱導(dǎo)率的因素102

c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率下降。

d)非晶熱傳導(dǎo)有其特殊性：①不考慮光子導(dǎo)熱，在所有溫度下，非晶導(dǎo)熱低于晶體；②在較高溫度下熱導(dǎo)率比較接近③非晶熱導(dǎo)隨溫度變化沒有出現(xiàn)極值。影響熱導(dǎo)率的因素c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率103各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對導(dǎo)熱性有影響；晶格振動無機陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動較劇烈，再加上電子運動的貢獻增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：電子與聲子的共同貢獻低溫時，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率104熱導(dǎo)率的測量穩(wěn)態(tài)法：理論基礎(chǔ)：傅里葉熱傳導(dǎo)定律關(guān)鍵因素：控制溫度的穩(wěn)態(tài)需測量樣品的幾何尺寸熱導(dǎo)率的測量穩(wěn)態(tài)法：105熱導(dǎo)率的測量非穩(wěn)態(tài)法：實驗依據(jù)：試樣溫度場隨時間變化(測出熱端熱波衰減過程的波長和波速就可以得出熱導(dǎo)率）關(guān)鍵因素：如何實現(xiàn)熱量的一維傳播如何實現(xiàn)熱端溫度隨時間按簡諧形式變化的邊界條件需測量樣品的比熱容和密度熱導(dǎo)率的測量非穩(wěn)態(tài)法：1061.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：

熱穩(wěn)定性：材料承受溫度急驟變化而不致破壞的能力.(抗熱震性）熱沖擊損壞類型：

1）抗熱沖擊斷裂性：抵抗材料發(fā)生瞬時斷裂的能力

2）抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂，剝落并不斷發(fā)展，最終失效或斷裂；材料抵抗這類破壞的能力。紅外窗口的抗壓ZnS，165度保溫1小時，投入19度的水中，不能有微裂紋；火箭噴嘴：瞬時承受3000-4000K溫差的熱沖擊，同時還要經(jīng)受高速氣流和化學(xué)腐蝕作用。日用瓷：不斷升溫，投到水中，直至裂紋出現(xiàn)，其前一次溫度來表征其熱穩(wěn)定性耐火材料：加熱850度，保溫，水中3分鐘或空氣中5-10分鐘，重復(fù)到失重20%為止1.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：1071.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：

熱應(yīng)力：僅由材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致：斷裂破壞或者塑性變形熱應(yīng)力的來源：

1）因熱脹冷縮受到限制而產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)這根桿的溫度從T0改變到T1時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：T0T’T’

T’>T0時，σ<0，桿受壓應(yīng)力

T’<T0時，σ>0，桿受拉應(yīng)力1.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：T0T’T’T’1081.5材料的熱穩(wěn)定性

2）因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力

物體迅速加熱時，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時（如淬火），表面受拉應(yīng)力，相鄰內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力。

3）多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力ABABAB1.5材料的熱穩(wěn)定性2）因溫度梯度而產(chǎn)生的1091.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

1）第一熱應(yīng)力抵抗因子R：

當(dāng)最大熱應(yīng)力值σmax<σf(強度極限），材料就不會斷裂，材料所能承受的溫差越大，材料的熱穩(wěn)定性就越好。

R：第一熱應(yīng)力因子；μ：泊松比；a:熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：R：第1101.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

熱穩(wěn)定性除與ΔTmax相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：

a)材料熱導(dǎo)率λ：

λ增加，其熱應(yīng)力小

b)傳熱的途徑：材料愈薄，愈易達到溫度均勻

c)材料表面散熱率：表面熱傳遞系數(shù)h,h越大，其熱穩(wěn)定性越差。如材料樣品的厚度為rm,則有畢奧模數(shù)β

顯然，β大，對熱穩(wěn)定性不利

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：顯然，β1111.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

單位：(J/cm/S),如考慮樣品的形狀則有：

S為非平板樣品的形狀因子。討論：具有高的熱導(dǎo)率λ,高的斷裂強度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模E，則具有高熱沖擊斷裂性能。

3）第三熱應(yīng)力抵抗因子R``（明確最大冷卻速率）1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：S為非平1124.抗熱沖擊損傷性適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。瞬時不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。例如：耐火磚中含有氣孔率時具有最好的抗熱沖擊損傷性，但氣孔的存在會降低材料的強度和熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力因子減小。1.5材料的熱穩(wěn)定性4.抗熱沖擊損傷性1.5材料的熱穩(wěn)定性113從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)。材料中微裂紋擴展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)變能、裂紋擴展的斷裂表面能影響材料的抗熱損傷性。積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴展??；裂紋擴展的斷裂表面能大，裂紋的蔓延程度小。1.考慮問題的出發(fā)點從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)。1.考慮問題114抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。

RE/2(1－)材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。

RE×2eff/2(1－)用于比較具有不同斷裂表面能的材料。強度高的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴展蔓延，對熱穩(wěn)定性不利。2.抗熱應(yīng)力損傷因子抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。2.1155.材料熱穩(wěn)定性的測定陶瓷熱穩(wěn)定性測定方法一般是把試樣加熱到一定的溫度，接著放入適當(dāng)溫度的水中，判定方法為：①根據(jù)試樣出現(xiàn)裂紋或損壞到一定程度時，所經(jīng)受的熱變換次數(shù)；②經(jīng)過一定的次數(shù)的熱冷變換后機械強度降低的程度來決定