材料的熱膨脹性能

材料的熱膨脹性能(P2305.2材料的熱膨脹)熱脹冷縮現(xiàn)象，稱為熱膨脹。當有組織變化時，會有一明顯的體積效應（一級相變）。2/28/20231編輯版ppt§2-1熱膨脹系數(shù)一、線膨脹系數(shù)設一物體在TK溫度下的真實長度為l，當溫度升高ΔTK后，其長度變?yōu)閘+Δl，則有下列關系式成立：這里α為材料的線膨脹系數(shù)。一般來說α并不是一個常數(shù)，而是隨溫度變化而改變。一般固體材料的α=10-6—10-2K-1量級，合金和金屬的α=10-5—10-6K-1量級，陶瓷材料α=10-5—10-6K-1

。2023/2/282編輯版ppt二、體膨脹系數(shù)2/28/20233編輯版ppt§2-2固體材料熱膨脹機理固體材料熱膨脹的本質(zhì)是點陣結構中的質(zhì)點間的平均距離隨溫度升高而增大，這種增大是由于原子熱振動造成的。在熱容理論的推導過程中，近似認為晶格振動是一種簡諧振動，那么隨溫度升高，會增大振幅，但卻不會改變其平均平衡位置間的距離，即不會發(fā)生熱膨脹，這樣顯然與實際結果不符。實際上原子的熱振動并不是簡諧振動，因為原子間的作用力不是一彈性力，即受力不對稱，這可用下述的雙原子模型加以解釋。2/28/20234編輯版ppt無論從位（勢）能曲線或力的曲線，均可解釋熱膨脹現(xiàn)象。由于溫度升高，原子的熱振動加劇，U上升，其平衡位置r>ro，并A~B軌跡變化，溫度越高，偏離程度越大，從而引起材料的熱膨脹。結論：熱膨脹來源于原子的非簡諧振動2023/2/285編輯版ppt§2-3熱膨脹和其他物理性能的關系一、熱膨脹和結合能、熔點的關系由上述的位能理論可知，熱膨脹與位能曲線的形狀密切相關。而位能曲線形狀與質(zhì)點間的結合力和熔點有關。結合能（力）越大，熔點越高，位能曲線變得深而窄，升高同樣的溫度ΔT，質(zhì)點的振幅增加得較少，平均平衡位置的位移量亦較少，因此熱膨脹系數(shù)較小。格留奈申（Gruneisen）給出了固態(tài)金屬膨脹的極限方程：2023/2/286編輯版ppt熱膨脹與熔點的關系：P234圖5.26熱膨脹與元素序數(shù)的關系：P234圖5.27熱膨脹與純金屬材料硬度的關系：P235表5.72/28/20237編輯版ppt二、熱膨脹與熱容的關系顯然，熱容與熱膨脹密切相關。如下圖所示。熱容晶格振動熱膨脹2/28/20238編輯版pptcP(cV)~T曲線與α~T曲線極其相似，表明兩者間的密切關系，當T>ΘD時，cP趨于定值，而α卻連續(xù)升高。這是由于空位等缺陷的增加對熱膨脹系數(shù)的貢獻。格留奈申從晶格振動的熱容理論推導出立方晶系金屬熱膨脹系數(shù)和熱熔間的關系式：2023/2/289編輯版ppt三、熱膨脹與材料結構的關系對于相同組成的物質(zhì)，由于結構不同，膨脹系數(shù)也不同。通常結構緊密的晶體，膨脹系數(shù)都較大；而類似于無定形的玻璃，則往往有較小的膨脹系數(shù)。對于非等軸晶系，各晶軸方向的膨脹系數(shù)不同。在某個方向上甚至出現(xiàn)負值。對于β-鋰霞石，甚至出現(xiàn)負的體積膨脹系數(shù)。例如，SiO2:多晶石英：α=12×10-6K-1石英玻璃：α=0.5×10-6K-1鐵素體：a=0.2861nm(常溫)

α=14.5×10-6K-1奧氏體：a=0.35586-0.36034nm(C%=0.0-1.4%)

α=23.0×10-6K-1石墨:垂直于C軸方向（層間）：α=1×10-6K-1平行于C軸方向（層內(nèi)）：α=27×10-6K-1Al2TiO5:垂直于C軸方向（層間）：α=-2.6×10-6K-1平行于C軸方向（層內(nèi)）：α=11.5×10-6K-12/28/202310編輯版ppt1、多型性轉變的影響屬于一級相變，Δl或ΔV有突變，α產(chǎn)生明顯變化，若相變?yōu)榈葴剞D變，則α在轉變點趨近于無窮大。2、有序—無序轉變屬于二級相變，相變時體積無突變，但α在相變溫度區(qū)間有變化。2023/2/2811編輯版ppt3、磁性轉變屬于二級相變，轉變是在接近居里點的溫度范圍內(nèi)進行，對于某些鐵磁材料，在轉變溫度范圍內(nèi)，α會出現(xiàn)明顯的尖峰。這是由于自發(fā)磁化過程中產(chǎn)生的體積磁致伸縮效應引起的，在居里點附近，這種效應自動消失，因而產(chǎn)生α突變。2023/2/2812編輯版ppt四、合金化的影響1、固溶體合金絕大多數(shù)金屬形成單相固溶體時，其膨脹系數(shù)介于組元的膨脹系數(shù)之間。如Cu-Au,Cu-Ni,Ag-Au等。在有些系統(tǒng)中膨脹系數(shù)并不主要決定于溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)，而是決定于溶質(zhì)元素的價數(shù)。如Ag-Cd,In,Sn,Sb。2、形成化合物一般來說，由于原子間相互作用的加強，導致其膨脹系數(shù)比固溶體有較大的下降。2/28/202313編輯版ppt3、多相材料及復合材料多相材料的膨脹系數(shù)取決于組成相的膨脹性能及組成相的體積相對量。并近似地符合直線相加定律：

αA+B=αAVA+αBVB若兩相的膨脹性能差別特別大，則可用下式計算：αC=αm-A.Vd(αm-αd)式中：αC--復合材料的膨脹系數(shù)，αm、αd--基體相和增強相的膨脹系數(shù)。Vd--增強相的體積百分數(shù)，A—與單性常數(shù)有關的常數(shù)。2023/2/2814編輯版ppt對于多相（復合）材料，當組成相的膨脹系數(shù)相差較大時，在冷卻和加熱過程中，由于不能靠塑性變形來協(xié)調(diào)，則有可能產(chǎn)生內(nèi)應力，這種微觀內(nèi)應力的存在，會對材料的熱膨脹產(chǎn)生牽制作用。若認為組成相為各向同性的，且微觀內(nèi)應力為正應力（拉、壓），則有下列關系式：2023/2/2815編輯版ppt對于復合體中不同相間或晶粒的不同方向上膨脹系數(shù)差別很大時，則內(nèi)應力甚至會發(fā)展到使坯體產(chǎn)生內(nèi)裂紋。由于微裂紋的存在，導致復合體出現(xiàn)熱膨脹的滯后，或在較低溫度下出現(xiàn)反常低的熱膨脹系數(shù)。例如：石墨：單晶垂直于C軸α=1×10-6K-1；平行于C軸α=27×10-6K-1

。而多晶體在較低溫度下α=（1-3)×10-6K-1

。2/28/202316編輯版ppt五、材料設計中膨脹系數(shù)匹配性原則

對于多相復合材料，當組成相的膨脹系數(shù)差別較大時，會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力、甚至開裂。所以在進行材料設計時必須考慮膨脹性能的匹配。電子管生產(chǎn)：最常見的是金屬與陶瓷（玻璃）的封接。為了封接得嚴密可靠，除了必須考慮陶瓷材料與焊料的結合性能外，還應該使陶瓷和金屬的膨脹系數(shù)盡可能接近。陶瓷（日用、建筑）制品：陶瓷坯體與表面釉層的膨脹系數(shù)一般選擇使釉的膨脹系數(shù)適當小于坯的膨脹系數(shù)。這樣，在燒成后的冷卻過程中，由于表面釉層的收縮比坯小，使釉層產(chǎn)生一個壓應力，從而提高脆性材料的機械強度，同時，也抑制了釉層微裂紋的形成和發(fā)展，從而進一步提高強度。反之，則在釉層中形成張應力，對強度不利，應力過大甚至引起釉層開裂。同樣，釉的膨脹系數(shù)也不能太小，否則會使釉層剝落。2/28/202317編輯版ppt工藝美術陶瓷：一般情況與上述日用陶瓷一致，但對于某些特殊陶瓷恰好相反。復合材料：增強相與基體的膨脹系數(shù)一般相差較大，一般要對增強相進行表面預處理。預處理主要考慮：界面結合力、彈性匹配、膨脹系數(shù)匹配。梯度功能材料：ZrO2+Mo雙金屬控溫裝置、日光燈啟輝器（雙金屬片）。2/28/202318編輯版ppt§2-5熱膨脹的測量（P244）一、千分表簡易膨脹儀二、光學膨脹儀三、差動變壓器式膨脹儀2/28/202319編輯版ppt§2-6膨脹法在材料研究中的應用（P247