材料物理（熱學(xué)）2.ppt

1、材料物理（材料熱學(xué)部分）,3 熱膨脹,3.1 概念 定義：物體的體積或長度隨溫度的變化而變化的現(xiàn)象稱為熱膨脹。,線脹系數(shù)L：溫度升高1K時(shí)，物體長度的相對(duì)變化率。 LT = L0 + L = L0 (1 + LT) 體脹系數(shù)V：溫度升高1K時(shí)，物體體積的相對(duì)變化率。 VT = V0 + V = V0 (1 + VT),熱膨脹系數(shù),體脹系數(shù)與線脹系數(shù)的關(guān)系,各向同性 V 3 L 各向異性 V a+ b+ c,3.2 熱膨脹的物理本質(zhì),熱膨脹的雙原子模型,熱膨脹的物理本質(zhì),原子間作用力與原子間距的關(guān)系,原子相互作用的勢(shì)能曲線,熱膨脹的物理本質(zhì),當(dāng)溫度升高時(shí)，原子在平衡位置附近的振動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，由于

2、引力和斥力作用方式的不同，使得原子在平衡位置兩側(cè)的變化幅度不同，從而使得平衡位置偏離原來的位置，微觀上表現(xiàn)為兩原子距離的拉長，宏觀上表現(xiàn)為材料在該方向上的膨脹。,3.3 熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系,熱膨脹與熱容 熱膨脹與熔點(diǎn) 熱膨脹與結(jié)構(gòu),熱膨脹與熱容的關(guān)系,體膨脹與質(zhì)量定容熱容成正比。有相似的溫度依賴關(guān)系，在低溫下隨溫度升高急劇增大，而到高溫則趨于平緩。,鋁的線脹系數(shù)與實(shí)測(cè)值的比較,氧化鋁的熱容與熱膨脹系數(shù)在寬廣范圍內(nèi)的平行變化,熱膨脹與熔點(diǎn)的關(guān)系,熔點(diǎn)較高的金屬具有較低的膨脹系數(shù)。,各元素線脹系數(shù)與熔點(diǎn)關(guān)系,熱膨脹系數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,對(duì)于組成相同的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大，而類似于

3、無定形的玻璃，則往往有較小的膨脹系數(shù)。 石英：1210-6 /K 石英玻璃：0.510-6 /K,陶瓷制品中的熱膨脹系數(shù),陶瓷材料與其它材料復(fù)合，應(yīng)考慮膨脹系數(shù)的匹配。 陶瓷表面釉層的殘余壓應(yīng)力（釉層的膨脹系數(shù)小于坯體）,3.4 負(fù)熱膨脹系數(shù)材料,水的反常膨脹現(xiàn)象與機(jī)理,水：0-4oC,Si, Ge, GaAs, CdTe, CuCl, Cu2O, RbI, ZrP2O7, Zr(P1-xVx)2O7, ZrV2O7, ZrW2O8, ThP2O7, UP2O7, HfW2O8 ZrW2O8：0.3-1050K,立方晶型，由以O(shè)為頂點(diǎn)W在中間的WO4四面體和O為頂點(diǎn)Zr在中間的ZrO6八面體通

4、過O原子共頂點(diǎn)相連。每個(gè)WO4四面體中都有一個(gè)O原子不與其它單元相連接。 ZrW2O8：0.3-1050K,發(fā)現(xiàn)與負(fù)熱膨脹機(jī)理,1996年，A.W.Sleight在Science上發(fā)表了0.3-1050K下ZrW2O8的負(fù)熱膨脹性。 1997年，美國發(fā)現(xiàn)百項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)獎(jiǎng)。 1998年，Physica B，橫向振動(dòng)，多面體剛性模式。,發(fā)現(xiàn)與負(fù)熱膨脹機(jī)理,A Lexandra等，由于W-O和Zr-O鍵能非常大，使得多面體WO4和ZrO6能轉(zhuǎn)動(dòng)而不破壞各自的多面體結(jié)構(gòu)，即多面體具有剛性結(jié)構(gòu)模式（RUM）。 1998年，G. Ernst等，與能量低于10meV的聲子振動(dòng)有關(guān)系。 2002年，D. Cao

5、等，WO4四面體在溫度為5-315K時(shí)為剛性模式而ZrO6八面體不是，Zr-O-W也不是，因此，Zr-O-W的橫向振動(dòng)不是負(fù)膨脹的根源。 2003年，D. Cao等，WO4四面體及其相連的三個(gè)ZrO6八面體的聯(lián)系運(yùn)動(dòng)是引起負(fù)熱膨脹的根源，且WO4四面體的剛度使其必須沿著方向振動(dòng)。,ZrW2O8的合成,Glen R. Kowach等 按化學(xué)計(jì)量比將ZrO2和WO3混合后置于鉑坩鍋中，再在混合物上層鋪適量WO3 升溫速率：700 C/h升溫至1573K，保溫2h，再按0.5 C/h降溫到1503K，再急冷到室溫。 獲得無色透明的ZrW2O8晶體。,負(fù)熱膨脹系數(shù)的應(yīng)用,Cu/ZrW2O8復(fù)合材料 A

6、l/ZrW2O8復(fù)合材料 ZrO2/ZrW2O8復(fù)合材料,3.5 影響熱膨脹的因素,相變的影響：一級(jí)相變與二級(jí)相變 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變： 有序無序轉(zhuǎn)變： 磁轉(zhuǎn)變,發(fā)生有序無序轉(zhuǎn)變的熱膨脹曲線,Fe、Ni、Co在磁性轉(zhuǎn)變區(qū)域的膨脹曲線,幾種鐵鎳合金的系數(shù)和溫度的關(guān)系曲線,3.6熱膨脹系數(shù)的測(cè)量,示差法（頂桿法） 測(cè)微望遠(yuǎn)鏡直接觀察法 干涉儀法 X射線法 體積測(cè)定法,3.7 陶瓷材料的熱膨脹行為,與金屬材料相比，陶瓷材料熱膨脹系數(shù)一般比較?。?陶瓷材料熱膨脹系數(shù)隨晶軸不同而不同；,（1）確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度 轉(zhuǎn)變點(diǎn)的測(cè)定 （2）研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變 動(dòng)力學(xué)曲線測(cè)定與TTT圖的繪制,3.7 熱膨脹分析的應(yīng)用,在確定鋼的組織轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)時(shí)，為了測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確而有可比性，除對(duì)鋼的成分有嚴(yán)格要求外，還對(duì)鋼的原始組織、加熱和冷卻速率、奧氏體化溫度及保溫時(shí)間等有下列要求： （1）鋼的原始組織應(yīng)當(dāng)相同，一般采用退火組