第一章熱學(xué)性能

熱膨脹的物理本質(zhì)影響膨脹性能的因素?zé)崤蛎浀臏y(cè)量方法膨脹分析及應(yīng)用本章主要內(nèi)容：第二章材料的熱膨脹1知識(shí)體系：熱膨脹的本質(zhì)表征參數(shù)（熱膨脹系數(shù)）影響熱膨脹系數(shù)的因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法膨脹分析在材料科學(xué)研究種應(yīng)用膨脹合金2物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹溫度＝273K溫度＝473K溫度＝573K34§2.1熱膨脹的物理本質(zhì)本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)熱膨脹系數(shù)

2)熱膨脹的物理本質(zhì)3)膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系51、熱膨脹系數(shù)

實(shí)驗(yàn)證明，許多固體的長度隨溫度的升高線性增加，即式中：l1，l2為試樣在T1,T2溫度下的長度溫度在T1,T2區(qū)間內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)，其定義為：（2－1）（2－2）6當(dāng)T2-T1->0和l2－l1－>0時(shí)，當(dāng)溫度為T時(shí)，材料的真實(shí)線膨脹系數(shù)：不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的改變而稍有變化，工程上用（2－3）7同樣材料的體膨脹系數(shù)：對(duì)于各向同性晶體，對(duì)于各向異性晶體，各晶軸的線膨脹系數(shù)不同，假如為，則8常用的是線膨脹系數(shù)，一般固體的膨脹系數(shù)為10－2－10－5數(shù)量級(jí)。各種金屬及合金的膨脹系數(shù)在10－5－10－6數(shù)量級(jí)92、熱膨脹的物理本質(zhì)晶格振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)解釋熱容解釋熱膨脹溫度，原子間距增大，導(dǎo)致熱膨脹?？梢杂酶ヌm克爾雙原子模型解釋10r=r0r>r011原子間的作用力吸引力：排斥力：來源于正負(fù)電荷的庫侖引力來源于正離子與正離子之間的靜電斥力來源于自由電子和自由電子之間，即泡利不相容原理引起的排斥力12F斥＝F引，合力為零，處于平衡位置F斥<F引，合力中引力占優(yōu)勢(shì)，相互吸引，向r0靠近，合力的變化比較緩慢F斥>F引，合力中斥力占優(yōu)勢(shì)，相互排斥，遠(yuǎn)離r0，合力的變化比較快原子間距F斥下降的比F引快原子間距F斥增加的比F引快13兩個(gè)相鄰原子的勢(shì)能（位能）U是引力能和斥力能的之和，即：式中：a，b是正值常數(shù)；m、n是指數(shù)。對(duì)金屬m＝3，n>m。由此兩個(gè)原子間的作用力：令ma＝A,nb＝B,所以（2－4）（2－5）14時(shí)設(shè)是離開平衡位置的位移，且很小，將原子在r0+處的位能U（r0+）對(duì)平衡位置r0，按泰勒級(jí)數(shù)展開：（2－6）15令：，f，q都是常數(shù)對(duì)于原子作微小熱振動(dòng)，很小，如取：原子不動(dòng)16如?。簞t這時(shí)原子作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，且勢(shì)能曲線為拋物型，在r0左右對(duì)稱，溫度，只能使振幅增大，平衡位置不變，不會(huì)產(chǎn)生熱膨脹。（2－7）17如?。哼@時(shí)原子作非線性振動(dòng)，在r0左右不對(duì)稱。（2－8）位能最小，動(dòng)能最大位能等于總能量，動(dòng)能為零18在位能圖上畫水平直線U1,U2,,直線與橫軸的距離代表不同溫度T1,T2,……下原子振動(dòng)的總能量。當(dāng)溫度為T1時(shí)，原子的振動(dòng)位置從a變化到b，在這個(gè)過程中位能按a、b間的曲線變化。由于曲線在ab之間的形狀不對(duì)稱，原子的平衡位置不在r＝r0處，而在r＝r‘0當(dāng)溫度升高到T2時(shí)，原子平均位置移到r＝r’’0處（即向右移）。溫度升高，振動(dòng)能量加大，原子的平均位置移的愈遠(yuǎn)。說明晶體的原子間距增大，線度加大，發(fā)生熱膨脹。19

熱膨脹是由于原子間相互作用位能曲線的不對(duì)稱性，使得溫度升高時(shí)原子振動(dòng)中心發(fā)生位移而產(chǎn)生的，即由原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)產(chǎn)生的。從原子尺度看，熱膨脹與原子振動(dòng)相關(guān)。因此，組成固體的那些原子（或分子）相互之間的化學(xué)鍵合作用和物理鍵合作用，必然對(duì)熱膨脹有重要作用。結(jié)合能越大，則原子從其平均位置發(fā)生位移以后的位能（或復(fù)位的吸引力、排斥力）增加得越急劇，相應(yīng)地膨脹系數(shù)越小。20用原子振動(dòng)模型來描述熱學(xué)性能，可否將熱膨脹等同于溫度升高時(shí)原子振幅的增加?

思考題：213、膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系格留乃申根據(jù)晶格振動(dòng)理論導(dǎo)出熱膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系為：式中：V：體積，格留乃申常數(shù)，kv體積彈性模量 一般在1.5－2.5之間。av，al與Cv成正比。1）熱膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系（2－9）22232）熱膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)的關(guān)系格留乃申提出了固態(tài)的體熱膨脹極限方程：式中：VT為熔點(diǎn)溫度固態(tài)金屬的體積；V0為0K時(shí)金屬的體積,對(duì)于BCC和HCP的金屬C為常數(shù)，一般在0.06－0.07之間。（2－10）241）固態(tài)體積增大大于6％時(shí)，晶體之間的結(jié)合力已經(jīng)很弱，因而固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。2）av愈小，Tm愈高線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式表示：alTm＝0.022注意25良好的方法能使我們更好地發(fā)揮運(yùn)用天賦的才能，而拙劣的方法則可能阻攔才能的發(fā)揮。因此，科學(xué)中難能可貴的創(chuàng)造才華，由于方法拙劣可能被削弱，甚至被扼殺；而良好的方法則會(huì)增長、促進(jìn)這種才華。......ClaudeBernard

比起許多研究同樣問題的人，我有一個(gè)極大的有利條件，那就是：我沒有被長期既定的慣例所形成的固定觀念束縛思想，造成偏見。我也未受害于現(xiàn)存一切都是對(duì)的那種普遍信念。......HeryBessemer

要有獨(dú)到之見必需多思少讀。但這是不可能的，因?yàn)樵趯W(xué)會(huì)思考之前勢(shì)必先已閱讀。......GeorgeGordonByron

26§2.2影響膨脹性能的因素本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)相變的影響

2)合金成分和組織的影響3)鋼的膨脹特性271、相變的影響

28一級(jí)相變：比容突變，膨脹系數(shù)有不連續(xù)的變化，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)，熱膨脹系數(shù)為無窮大。二級(jí)相變：無比容突變，即在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處膨脹系數(shù)曲線上有折點(diǎn)比容m3/kgα-Fe912℃γ-Feγ-Fe1394℃δ-Fe比容:α-Fe=δ-Fe>γ-Fe29302、合金的成分和組織的影響

1)形成固溶體

元素的膨脹系數(shù)，堿金屬最大，過渡簇金屬的最小

a106,1/K31固溶體中溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)高于基體時(shí)，增大膨脹系數(shù)；固溶體中溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)低于基體時(shí)，減小膨脹系數(shù)；含量越高，影響越大；兩組元形成無限固溶體：任意成分的固溶體的膨脹系數(shù)將處于兩組元之間，并略低于按直線規(guī)律計(jì)算出的值322)形成化合物

化合物的膨脹系數(shù)比固溶有較大的下降。3)形成多相合金多相合金若是多相的機(jī)械混合物，則其膨脹系數(shù)介于這些相膨脹系數(shù)之間，并近似地符合直線規(guī)律。當(dāng)兩相地彈性模量比較接近時(shí)，a＝av1+av2當(dāng)兩相地彈性模量相差較大時(shí)，膨脹系數(shù)與組織分布不敏感，主要取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量334)鐵和鋼的的合金元素

Mn和Sn的膨脹系數(shù)比鐵大，使鐵的膨脹系數(shù)增大；Cr,V和Ni的膨脹系數(shù)比鐵小，使鐵的膨脹系數(shù)減小34合金元素在鋼中的存在形式有兩種溶解于鋼中的基本相（鐵素體、奧氏體和滲碳體）形成特殊碳化物（如VC、TiC、Cr23C6等）形成固溶體使鋼的膨脹系數(shù)下降形成碳化物使鋼的膨脹系數(shù)增大353、鋼的膨脹特性鋼的膨脹特性取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。鋼的組織中：比體積（1/)由大到?。篗Fe3CFA其中：Fe3C和F的比體積有固定值，而M和A的比體積隨含碳量的增加而增加。膨脹系數(shù)由大到?。篈FFe3CM通常鋼的膨脹系數(shù)為（10－25）10－6K-13637§2.3熱膨脹性的測(cè)量方法本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)光學(xué)膨脹儀2)電測(cè)式膨脹儀38膨脹測(cè)量：高靈敏度（l/l高達(dá)10－12）、高精度測(cè)量膨脹所用的儀器稱為膨脹儀。膨脹儀測(cè)量：1)l－T;2)l-t）根據(jù)測(cè)量原理機(jī)械放大膨脹儀光學(xué)放大膨脹儀電磁放大膨脹儀391、光學(xué)膨脹儀普通光學(xué)杠桿式膨脹儀示差光學(xué)杠桿式膨脹儀光干涉法膨脹儀1）普通光學(xué)杠桿式膨脹儀40主要裝置：（1）一塊小的等腰直角三角架組成的光學(xué)杠桿（2）三角架中有一凹面鏡，起反射光束的作用（3）在三角架的頂點(diǎn)A安置一個(gè)固定鉸鏈（4）頂點(diǎn)B和頂點(diǎn)C分別裝有標(biāo)準(zhǔn)樣和待測(cè)試樣的傳感石英桿緊密接觸41原理：（1）若待測(cè)試樣長度不變，只有標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱中伸長時(shí)，則三角架以AB為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由此通過凹面鏡反射到照相機(jī)底片上的光點(diǎn)沿著水平方向移動(dòng)，用以記錄試樣溫度的變化。（2）若標(biāo)準(zhǔn)樣長度不變，僅待測(cè)試樣加熱伸長時(shí)，則三角架以AC為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿垂直方向移動(dòng)，用以記錄膨脹量。（3）若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時(shí)受熱膨脹時(shí)，則反射光點(diǎn)便在照相底片上畫出了如圖的膨脹曲線。42標(biāo)準(zhǔn)樣伸長量待測(cè)樣伸長量yxABCO廣泛適用的膨脹儀之一，可將伸長量放大200，400，800倍43標(biāo)準(zhǔn)樣的功能是跟蹤和指示待測(cè)試樣的溫度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣的選取的要求：（1）其膨脹量與溫度成正比，具有較大的膨脹系數(shù)。（2）在使用的溫度范圍內(nèi)沒有相變，而且不易氧化。（3）與試樣的導(dǎo)熱率接近（3）盡量使試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的形狀和尺寸相同在研究有色金屬及合金時(shí)：常用純銅和純鋁作標(biāo)準(zhǔn)樣在研究鋼鐵材料時(shí)：常用鎳鉻合金和皮洛斯合金442）示差光學(xué)杠桿式膨脹儀三角架的形狀，是一個(gè)具有300和600的直角三角形45原理：（1）若標(biāo)準(zhǔn)樣長度不變，僅待測(cè)試樣加熱伸長時(shí)，則三角架以AC為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿垂直方向移動(dòng)，用以記錄膨脹量。0B代表試樣的伸長；（2）若待測(cè)試樣長度不變，只有標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱中伸長時(shí)，則三角架以BC為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光點(diǎn)沿著與水平方向成a角的方向移動(dòng)，0A代表標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長（3）若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時(shí)受熱膨脹時(shí)，則反射光點(diǎn)的位置應(yīng)在C點(diǎn)，此時(shí)：即CC為標(biāo)準(zhǔn)樣伸長在縱軸上的投影與試樣伸長之差，故為示差。46示差原理圖yxABCOaC’47482、電測(cè)式膨脹儀1）應(yīng)變電阻式膨脹儀把試樣的長度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，然后再進(jìn)行電信號(hào)的處理和記錄。應(yīng)變電阻式膨脹儀電感式膨脹儀電容式膨脹儀原理：膨脹量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杞z長度的變化，若把電阻絲接到電橋上，則其電阻變化將導(dǎo)致電流、電壓的變化，通過電流、電壓的變化再推算出試樣長度隨溫度變化。靈敏度高，穩(wěn)定性差。492）電感式膨脹儀放大倍數(shù)6000倍，又稱差動(dòng)變壓器式膨脹儀原理：（1）當(dāng)試樣未加熱時(shí)，鐵芯處于平衡位置。差動(dòng)變壓器輸出為零（2）當(dāng)試樣受熱膨脹時(shí)，通過石英桿使鐵芯上升，差動(dòng)變壓器次級(jí)線圈2中的上部線圈的電感增加，下部的電感減少，于是方向相接兩個(gè)次級(jí)線圈中便有電壓輸出，這個(gè)信號(hào)電壓與試樣的伸長呈線性關(guān)系。5051§2.4膨脹分析及應(yīng)用本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度

2)研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變521、確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度

1）轉(zhuǎn)變點(diǎn)的測(cè)定試樣在加熱和冷卻過程中的長度變化來自兩個(gè)方面：（1）單純由溫度變化引起的膨脹收縮（2）組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積效應(yīng)在組織轉(zhuǎn)變前后，試樣的膨脹或收縮是單純由溫度引起;在組織轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，溫度引起的+組織轉(zhuǎn)變引起的體積效應(yīng)，由于這個(gè)附加的體積效應(yīng)，導(dǎo)致了膨脹曲線偏離了一般規(guī)律，在組織轉(zhuǎn)變的開始和終了時(shí)，曲線便出現(xiàn)了拐折，拐折點(diǎn)即對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變的開始及終了溫度。53lT/K542）碳鋼膨脹曲線分析P->A體積收縮一級(jí)相變F->A體積收縮二級(jí)相變Fe3C->A體積收縮二級(jí)相變5556測(cè)定碳的臨界點(diǎn)的方法1）切線法2）極值法572、研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變

1）等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線測(cè)定582）等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的確定及TTT曲線的繪制a）等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的確定式中：l－－A轉(zhuǎn)變量為100％時(shí)伴隨試樣的膨脹量l0－－時(shí)間為時(shí)A等溫轉(zhuǎn)變伴隨試樣的膨脹量實(shí)際上：5960b)TTT曲線的繪制613）M轉(zhuǎn)變點(diǎn)MS的測(cè)定623、研究鋼的連續(xù)轉(zhuǎn)變

63膨脹合金expansion

alloy具有反常熱膨脹特性或可控?zé)崤蛎浱匦缘木芎辖?。又稱熱膨脹合金。一般的金屬或合金受熱膨脹時(shí)，其膨脹量隨溫度的升高呈線性增加。但有些合金的熱膨脹曲線在某一溫度出現(xiàn)彎曲點(diǎn)，在彎曲點(diǎn)以下的熱膨脹系數(shù)比彎曲點(diǎn)以上的正常熱膨脹系數(shù)低得多，這種現(xiàn)象稱為反常熱膨脹特性。膨脹合金按線膨脹系數(shù)的高低分為3類。64①低膨脹合金。線膨脹系數(shù)低于3×10-6／℃

。通常金屬的線膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)成反比，低膨脹合金在居里點(diǎn)以下磁致伸縮效應(yīng)引起的脹縮，抵消了熱脹冷縮效應(yīng)，致使合金成為零膨脹或低膨脹。常用的低膨脹合金是因瓦