材料性能學(xué)（第2版）付華課件12 材料的熱學(xué)性能-1-熱容-熱膨脹

材料性能學(xué)石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)系：付華聯(lián)系電話Q:1115279899

PropertiesofMaterials授課方法：第1-3章：教師主講。第4-11章：課堂討論為主。下載視頻，第12-15章：理論簡介。案例應(yīng)用緒論第1章材料的彈性變形第2章材料的塑性變形第3章材料的斷裂與斷裂韌性第4章材料的扭轉(zhuǎn)/彎曲/壓縮性能第5章材料的硬度第6章材料的沖擊韌性及低溫脆性第7章材料的疲勞性能第8章材料的磨損第9章材料的高溫力學(xué)性能第10章材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的腐蝕第11章材料的強韌化第12章材料的熱學(xué)性能第13章材料的磁學(xué)性能第14章材料的電學(xué)性能第15章材料的光學(xué)性能

Part2PhysicalPropertiesofMaterials·chapter12Thermal

PropertiesofMaterials·chapter13MagneticPropertiesofMaterials·chapter14ElectricalPropertiesofMaterials·chapter15OpticalPropertiesofMaterials第12章材料的熱學(xué)性能第13章材料的磁學(xué)性能第14章材料的電學(xué)性能第15章材料的光學(xué)性能

第12章材料的熱學(xué)性能第13章材料的磁學(xué)性能第14章材料的電學(xué)性能第15章材料的光學(xué)性能第二部分材料的物理性能基本概念物理本質(zhì)影響因素測試方法應(yīng)用功能材料研究相變與組織的手段12.1晶體的點陣（晶格）振動

LatticeVibration

12.2熱容HeatCapacity12.3熱膨脹ThermalExpansion

12.4熱傳導(dǎo)

HeatConduction

12.5熱穩(wěn)定性

ThermalStability

第12章材料的熱學(xué)性能基本概念物理本質(zhì)影響因素測試方法應(yīng)用掌握要點：1.材料的熱學(xué)性能包括

、

、

、

等.2.固體材料的比熱、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等熱性能都直接與

有關(guān)。3.德拜熱容理論認為低溫下固體熱容按

變化，高溫下固體熱容

。12.1晶體的點陣振動材料溫度升高1k吸收的熱量——>熱容；單位質(zhì)量材料的熱容——>比熱容。物理本質(zhì)：聲頻支：低f

光頻支：高f

（紅外光區(qū)）晶格質(zhì)點（原子/離子）的熱振動（3維）→→以波的形式傳播：（格波）12.2熱容（一）經(jīng)典熱容理論（固體）一、熱容理論（二）量子理論（固體熱容）2.德拜（Debye）固體熱容理論1912年1.愛因斯坦模型1907年1.杜隆--珀替定律（Dulong-Petitlaw）1819年2.紐曼--柯普定律（Neumann-Kopp）1864年

quantumtheoryclassicaltheory

（一）經(jīng)典熱容理論（固體）(1)P.L.杜隆,（1785-1838年）。法國化學(xué)家和物理學(xué)家，醫(yī)生。1811-1813年制得爆炸性的三氯化氮NCl3。1819年與A.T.珀替----固態(tài)單質(zhì)的比熱容定律（后稱杜隆-珀替定律）。(2)珀替AlexisThérèsePetit

（1791-1820

）法國物理學(xué)家1.杜隆--珀替定律：

1819年1.杜隆--珀替定律：

1819年法國質(zhì)點孤立熱振動，能量連續(xù)變化，有任何頻率的振動（聲頻支、光頻支）。----氣體分子動力學(xué)單原子理想氣體，1個自由度，只有動能：用諧振子代表固體原子在平衡位置一個自由度的振動;平均動能==平均位能。固體中一個原子有3個自由度，總能量3kt。（一）經(jīng)典熱容理論（固體）classicaltheory

1mol固體中：E總=3NktN：阿佛加德羅常數(shù)；1mol單原子固體物質(zhì)的摩爾定容熱容：

Cv=3Nk=3R≈25J/mol/k氣體常數(shù)R，玻耳茲曼常數(shù)k杜隆--珀替定律：熱容與溫度無關(guān)，單原子為3R，雙原子6R。只適用于較高溫度下；低溫下，固體熱容與溫度有關(guān)，Cv∝T3；用量子理論解釋。表12-1輕元素的原子熱容元素HBCOSiFPSClCp9.611.37.516.715.920.922.522.620.4杜隆--珀替定律適用：室溫下：大多數(shù)金屬和一些非金屬；高溫下：---B、Be、Si和金剛石；不適用：輕元素2.紐曼--柯普定律（Neumann-Kopp）

（化合物/合金）杜隆-珀替定律（1819年）推廣到化合物1864年，德國化學(xué)家柯普（H.F.M.Kopp）1832年紐曼（F.E.Neumann）的分子熱定律紐曼----柯普定律（Neumann-Kopp）：Born(1798-09-11)11September1798

Joachimsthal,HolyRomanEmpireDied23May1895(1895-05-23)(aged

96)

K?nigsberg,GermanEmpireResidenceGermanyNationalityGermanyFieldsPhysicist,MineralogistInstitutionsK?nigsbergUniversityAlmamaterUniversityofBerlinDoctoraladvisorChristianSamuelWeissDoctoralstudentsWoldemarVoigt,AlfredClebsch,GustavRobertKirchhoff,FriedrichHeinrichAlbertWangerinKnown

forNeumann'sLawNotableawardsCopleyMedal(1886)Born30October1817

Hanau,Hesse-KasselDied20February1892

HeidelbergNationalityGermanFieldsChemistry

HistoryofchemistryInstitutionsUniversityofGiessen

UniversityofHeidelbergAlmamaterUniversityofMarburg

HeidelbergKnown

forBoilingpoints

Heatcapacities

Studiesofthehistoryofchemistry較高溫度下固體化合物熱容有加和性；“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”300℃以上，大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物的熱容。計算多相合金和復(fù)合材料的熱容。2.紐曼--柯普定律（Neumann-Kopp）

（化合物/合金）量子力學(xué)的創(chuàng)始人

----普朗克1858-1947年，德國物理學(xué)家，量子力學(xué)（1900年）的創(chuàng)始人。1918年---諾貝爾物理學(xué)獎。量子力學(xué)的發(fā)展被認為是20世紀最重要的科學(xué)發(fā)展，同愛因斯坦的相對論相媲美。（二）量子理論（固體熱容）（二）量子理論（固體熱容）普朗克假說：原子能量ε=hγ同一溫度下，不同質(zhì)點熱振動頻率不一定相同，

能量時大時小，且振動能量是量子化的。1.愛因斯坦模型：原子獨立地以相同f

振動，無耦合——>過于簡單。2.德拜Debye固體熱容理論：晶體為近似連續(xù)介質(zhì)，主要考慮聲頻支和原子間相互作用（低溫下聲頻支波長遠大于晶格常數(shù)）。

quantumtheory德拜Debye，PeterJosephWilhelm：德拜：荷蘭-美國。專業(yè)：電機工程，物理學(xué)博士1916年德拜和謝樂一起推進布喇格父子的研究，固體粉末X射線衍射環(huán)；認為大多數(shù)鹽（氯化鈉）是完全電離的；

1912年改進愛因斯坦的固體比熱容公式。1936年諾貝爾化學(xué)獎。學(xué)生中L·C·鮑林和L·翁薩格先后獲諾貝爾獎。1927年第五屆索爾威(布魯塞爾)會議物理學(xué)家合影參加會議的29人有17人獲得諾貝爾獎。世界上沒有第二張照片，能像這張一樣，在一幅畫面內(nèi)集中了如此之多、水平如此之高的人類精英。史上最強合影

這張照片是1927年第五屆索爾維會議(布魯塞爾)參加者的合影。索爾維是一個類似諾貝爾的人，本身既是科學(xué)家又是家底雄厚的實業(yè)家，萬貫家財都捐給科學(xué)事業(yè)。諾貝爾是設(shè)立了以自己名字命名的科學(xué)獎金，索爾維則是提供了召開世界最高水平學(xué)術(shù)會議的經(jīng)費。這就是索爾維會議的來歷。

第一排，坐著的都是當(dāng)時老一輩的科學(xué)巨匠，中間那位當(dāng)然誰都認識，那就是愛因斯坦，他其實應(yīng)該算一個“跨輩份”的人物。左起第三位那個白頭發(fā)老太太就是居里夫人，她是這張照片里唯一的女性。在愛因斯坦和居里夫人當(dāng)中那位老者是真正的元老級人物洛倫茲，電動力學(xué)里的洛倫茲力公式，是與麥克斯韋方程組同等重要的基本原理，愛因斯坦狹義相對論里的“洛倫茲變換”也是他最先提出的。左起第二位則是量子論的奠基者普朗克，他在解釋黑體輻射問題時第一次提出了“量子”的概念。這一排里還有提出原子結(jié)合能理論的郎之萬、發(fā)明云霧室的威爾遜等，個個堪稱德高望重。

第二排,右起第一人是與愛因斯坦齊名的“哥本哈根學(xué)派”領(lǐng)袖尼爾斯·玻爾，玻爾第一個提出量子化的氫原子模型，后來又提出過互補原理和哲學(xué)上的對應(yīng)原理，他與愛因斯坦的世紀大辯論更是為人們津津樂道。玻爾旁邊是德國大物理學(xué)家玻恩，他提出了量子力學(xué)的概率解釋。再往左，是法國“革命王子”德布羅意，他提出了物質(zhì)法的概念，確立了物質(zhì)的波粒二象性，為量子力學(xué)的建立掃清了道路。德布羅意左邊，是因發(fā)現(xiàn)了原子的康普頓效應(yīng)而著稱的美國物理學(xué)家康普頓。再左邊，則是英國杰出的理論物理學(xué)家狄拉克，他提出了量子力學(xué)的一般形式以及表象理論，率先預(yù)言了反物質(zhì)的存在，創(chuàng)立了量子電動力學(xué)。這一排里，還有發(fā)明粒子回旋加速器的布拉格等。

第三排,右起第三人，就是量子力學(xué)的矩陣形式的創(chuàng)立者海森堡，測不準原理也是他提出來的。他的左邊，是他的大學(xué)同學(xué)兼摯友泡利，泡利是“泡利不相容原理”和微觀粒子自旋理論(泡利矩陣)的始作俑者。兩人同在索末菲門下學(xué)習(xí)時，經(jīng)常不按老師的要求循序漸進，而是自搞一套，老師竟也完全同意并鼓勵他們這樣做。右起第六人，就是量子力學(xué)的波動形式的創(chuàng)立者薛定諤，量子力學(xué)里薛定諤方程，就像經(jīng)典力學(xué)里的牛頓運動方程一樣重要。薛定諤還是最早提出生物遺傳密碼的人。左起第三人埃倫費斯特愛因斯坦的朋友,浸漸原理的發(fā)現(xiàn)者.對量子力學(xué)的發(fā)展起過積極的作用.

居里夫人德拜普朗克洛倫茲愛因斯坦郎之萬布拉格狄拉克薛定諤康普頓德布羅意泡利海森伯玻恩波爾朗繆爾古耶威爾遜里查森

布里淵最著名的第五次索爾維會議-1927年會議主題為“電子和光子”---量子理論。愛因斯坦-----玻爾論戰(zhàn)“上帝不會擲骰子”反對海森堡的不確定性原理?！皭垡蛩固?，不要告訴上帝怎么做”“Goddoesnotplaydice！”“Einstein,stoptellingGodwhattodo!”索爾維會議三大陣營1.哥本哈根學(xué)派哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所.掌門人：玻爾。玻爾、玻恩、海森伯、泡利等。年輕(＜30歲）/激情/反叛--

“男孩物理學(xué)”。2.哥本哈根反對派愛因斯坦、薛定諤、德布羅意等。3.實驗派只關(guān)心實驗結(jié)果，布喇格和康普敦等。量子力學(xué)論戰(zhàn)海森堡Heisenberg的回憶"討論很快變成一場愛因斯坦和波爾之間的決斗.""我們一般在旅館用早餐就見面,于是愛因斯坦就描繪一個思維實驗,他認為從中可以清楚地看出歌本哈根解釋的內(nèi)部矛盾.""一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數(shù),他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽.愛因斯坦對這些分析提不出反駁,但在心里他是不服氣的."歷史影響1935年,薛定諤發(fā)表論文《量子力學(xué)的現(xiàn)狀》,

提出了惡夢般的“薛定諤的貓”實驗.哥本哈根學(xué)派只能吞下苦水,承認那只貓是處于"死活混合"的幽靈態(tài).鈾--衰變--放出射線--觸發(fā)檢測器--驅(qū)動錘子--擊碎玻璃瓶--釋放毒氣--貓毒死。鈾原子衰變是不確定的，處于疊加態(tài)。在箱子未打開觀測前，按照量子力學(xué)的解釋，貓?zhí)幱凇八溃畀B加態(tài)”——既死了又活著！霍金聽到薛定諤貓佯謬時說：“我去拿槍來把貓打死！”涉及的問題--生命的秘密，思維的奧妙什么是量子力學(xué)的觀測？1）觀察或測量都與人的主觀有關(guān)，人在箱外，必須打開箱子才能決定貓的死活。2）箱中貓的死活是由鈾的衰變決定的——衰變前貓活，衰變后貓死，這與是否有人打開箱子進行觀察毫不相干。思維的“頓悟”生命的起源、物種的變異……1946年，薛定諤《生命是什么》哲學(xué)，邏輯，思維的奧妙1）愛因斯坦：“月亮是否只在你看著他的時候才存在？”2）貝克萊(GeorgeBerkeley)主教名言：

“存在就是被感知”3）王陽明《傳習(xí)錄》中：“你未看此花時，此花與汝同歸于寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來。4）你見，或者不見，我就在那里，不悲不喜；你念，或者不念，情就在那里，不來不去…..

薛定諤之貓----你此時的狀態(tài)？Whoareyou！Whereareyou！曹天元“科學(xué)時報讀書杯”最佳科普創(chuàng)作獎（2005）第三屆“吳大猷科普獎”（2006）。國家圖書館文津圖書獎（2007）。（二）量子理論（固體熱容）普朗克假說：原子能量ε=hγ同一溫度下，不同質(zhì)點熱振動頻率不一定相同，

能量時大時小，且振動能量是量子化的。2.德拜Debye固體熱容理論：晶體為近似連續(xù)介質(zhì)，主要考慮聲頻支和原子間相互作用（低溫下聲頻支波長遠大于晶格常數(shù)）。

quantumtheory2.德拜固體熱容理論：θD德拜特征溫度

當(dāng)溫度很低時，即T<<θD：當(dāng)溫度較高時，即T>>θD，CVm≈3R-----杜隆-珀替定律。當(dāng)T趨于0K時，

CVm∝T3；著名的德拜T立方定律。溫度越低，近似越好。極低溫下和高溫下不完全符合事實：德拜理論的不足：不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象。適用：金屬、簡單離子晶體，

Al,Cu,C,KCl等，不完全適用化合物。實際材料----多相結(jié)構(gòu)，晶界、雜質(zhì)等缺陷，誤差更大。二、影響熱容的因素晶體比熱=晶格比熱（CL)+電子比熱(Ce）+相變比熱電子比熱Ce：常溫下：過渡族金屬s/d/f層電子熱容Ce很小，可忽略；極高溫下不能忽略-->電子顯著熱運動。極低溫下：Ce不急劇減小，CL急劇減小，Ce所占比例增大，不可忽略。經(jīng)典理論Ce=3k/2。二級相變：熱焓無突變,轉(zhuǎn)變在一個溫度區(qū)間完成,熱容有極大峰值。（磁性，有序無序轉(zhuǎn)變）相變比熱：一級相變：熱焓突變，臨界點Tc熱容無限大。

2個平衡相。熔化與凝固1.相變固體材料的熱容與組織結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。CaSiO3與（CaO+SiO2）混合物的熱容曲線基本重合。2.組織結(jié)構(gòu)無相變范圍內(nèi)，經(jīng)驗公式：3.溫度12.1晶體的

點陣（晶格）振動

LatticeVibration

12.2熱容

HeatCapacity12.3熱膨脹ThermalExpansion

12.4熱傳導(dǎo)

HeatConduction

12.5熱穩(wěn)定性

ThermalStability

第12章材料的熱學(xué)性能基本概念物理本質(zhì)影響因素測試方法應(yīng)用12.3熱膨脹ThermalExpansion

12.3.1基本概念鋼：（10-20）×10-6m/K====10-20mm/1000K無機非金屬：（1-10）×10-6m/K真線膨脹系數(shù)：12.3.2熱膨脹機理2．熱缺陷→晶格畸變→膨脹。1．質(zhì)點不對稱熱振動→膨脹。質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)受力不對稱，非簡諧振動；振動位置從aAb變化，平均位置r1，偏離r0(右側(cè))。（晶格振動引起熱膨脹，與熱容變化趨勢相同）12.3.3影響熱膨脹的因素1．化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、鍵強度A.鍵強度高→α↓。陶瓷類，共價鍵SiC,Si,Ge,Ti,VB.結(jié)構(gòu)緊密→α大。結(jié)構(gòu)松散→α小。（空隙多，

容納原子間距的增大）

多晶石英α：12×10-6/K

無定形石英α：0.5×10-6/K結(jié)構(gòu)緊密/松散?

無機材料金屬材料C.非等軸晶系：α各向異性大：石墨：垂直C軸α：1×10-6/K

平行C軸α：27×10-6/K2．相變

相變：拐折12.3.4熱膨脹性能的應(yīng)用1．α的匹配（測試材料的α）普通陶瓷坯、釉間α的匹配：α釉＜α坯→表面壓應(yīng)力，強度↑，微裂紋↓α釉＞α坯→表面拉應(yīng)力，強度↓，釉層龜裂。α釉＜＜α坯→釉層剝落。金屬間α的匹配儀器儀表零件的α要小→→精度高。組織轉(zhuǎn)變→體積效應(yīng)→膨脹曲線改變規(guī)律2．材料科學(xué)

（1）測定鋼的組織轉(zhuǎn)變臨界點比容：A＜F+Fe3C(P,S,T)＜M膨脹系數(shù)：A最大（結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)大）（3）淬火鋼的回火過程研究相變溫度、相變動力學(xué)

（2）研究鋼的

TTT圖和CCT曲線。低膨脹系數(shù)材料：因瓦合金“Invar”(法語)：“不變鋼”，俗稱殷鋼，F(xiàn)e-Ni36%的特殊鋼，膨脹系數(shù)極小，測量元件。標(biāo)準尺、測溫計、測距儀、鐘表擺輪、塊規(guī)、微波設(shè)備的諧振腔、重力儀、熱雙金屬、光學(xué)儀器零件等。0.02×10-6/K，－80℃~+100℃時穩(wěn)定。低膨脹系數(shù)材料：1896年，瑞士物理學(xué)家紀堯姆（C.E.Guillaume）→1920年諾貝爾物理學(xué)獎→歷史上第一/唯一位因冶金學(xué)成果獲獎。0.02×10-6/K，－80℃~+100℃時穩(wěn)定?？煞ズ辖穑簁ovaralloy20世紀30年代出現(xiàn)。鐵鎳鈷：Ni28.5-29.5％，Co16.8-17.8％。在20-4