《材料的熱學(xué)性》PPT課件.ppt

1、材料的熱學(xué)性能,任何材料在使用的過程中都會(huì)受到熱影響或產(chǎn)生熱效應(yīng)。一些場合要求材料具有特殊的熱學(xué)性能低膨脹性能、好的隔熱性能、高的導(dǎo)熱性能等。材料的熱學(xué)性能在材料的相變研究中具有重要意義。 材料的熱學(xué)性能主要包括：,熱容（thermal content） 熱膨脹（thermal expansion） 熱傳導(dǎo)（heat conductivity）,理解材料的熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)的物理本質(zhì)，掌握表征上述性能的物理參量：摩爾熱容、線膨脹、體膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)熱和熱擴(kuò)散律的物理意義。,熱容是物體溫度升高1K所需要增加的能量。,比熱容單位 ,摩爾熱容單位,平均熱容,恒壓熱容 恒容熱容,Q熱量 E內(nèi)能 H熱焓

2、,第一節(jié) 材料的熱容,a.恒容熱容：,加熱過程中材料的體積不變，則所供給的熱量只滿足溫度升高1K時(shí)物體內(nèi)能的增加。,b.恒壓熱容：,保持壓力不變的情況下，加熱過程中材料的體積膨脹，則所供給的熱量除滿足溫度升高1K時(shí)物體內(nèi)能的增加外，還必須補(bǔ)充對(duì)外做功的損耗。,比熱容：,焓和熱容是材料發(fā)生相變時(shí)的重要參量。,熱分析 研究焓和溫度的關(guān)系，可以確定熱容的變化和相變潛熱。熱分析法是建立在熱測量和溫度測量基礎(chǔ)上的現(xiàn)代測試方法。 熱分析：程序控制溫度，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)和溫度關(guān)系的技術(shù)。 熱分析方法的種類：,差熱分析（DTA）探測過程中的熱效應(yīng)并確定熱效應(yīng)的大小和發(fā)生溫度。,差熱分析是在測定熱分析曲線的同

3、時(shí)，利用示差熱電偶測定待測試樣1和標(biāo)準(zhǔn)試樣2的溫度而進(jìn)行的熱分析。 示差熱電偶由兩對(duì)熱電偶極性反接串聯(lián)而成，熱端處于試樣1和2中。,待測試樣1、標(biāo)準(zhǔn)試樣2和3分別處于加熱爐溫度場中的對(duì)稱位置。 標(biāo)樣的選擇要求是在研究溫區(qū)內(nèi)無相變的材料，質(zhì)量和尺寸與待測樣相當(dāng)，以便于加熱和冷卻速率相同。,熱分析應(yīng)用實(shí)例 測定并建立合金相圖,熱分析應(yīng)用實(shí)例 熱彈性馬氏體相變研究,升降溫過程中熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變都出現(xiàn)顯著的吸熱與放熱峰，據(jù)此可以準(zhǔn)確地判斷相變開始及終了溫度。,熱分析應(yīng)用實(shí)例 有序無序轉(zhuǎn)變的研究,曲線a：無序的合金加熱到350-470時(shí)，合金發(fā)生部分有序化并放出潛熱；繼續(xù)加熱到470以上發(fā)生吸熱的

4、無序轉(zhuǎn)變。,曲線b表示的是完全有序到完全無序的吸熱效應(yīng),第二節(jié) 材料的熱膨脹,熱膨脹的本質(zhì),簡諧振動(dòng),一、熱膨脹系數(shù) 熱膨脹:物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象 l線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時(shí)，物體的 相對(duì)伸長。,同理，物體體積隨溫度的增加可表示為： V為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高1k時(shí)物體體積相對(duì)增長值。 舉例：立方體 由于l 值很小，可略 以上的高次項(xiàng)，則：,二、熱膨脹和其他性能關(guān)系 1熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系 質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力愈強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)愈小。,2熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系,2熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系,熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動(dòng)加劇而引起的容積膨脹，而晶格振動(dòng)的激化就是熱運(yùn)動(dòng)能量的

5、增大。升高單位溫度時(shí)能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數(shù)顯然與熱容密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律,(1)機(jī)械膨脹儀：采用機(jī)械的方法放大并檢測試樣的熱膨脹量。包括干分表式膨脹儀、機(jī)械杠桿式膨脹儀等。 (2)光學(xué)膨脹儀：利用各種光學(xué)原理放大并檢測試樣的熱膨脹員。包括光杠桿式膨脹儀、光干涉法膨脹儀等。 (3)電學(xué)膨脹儀：利州各種咆學(xué)原理放大并檢測試樣的熱膨脹量。包括電感式膨脹儀、電容式膨脹儀等。 (4)直接觀測式膨脹儀：利用精密的測長儀器，如：比長儀、垂高計(jì)等，直接觀測試樣的熱膨脹員。 (5)x射線衍射法：是一種微觀的檢測方法。借助晶體對(duì)X射線的衍射，測量品格常數(shù)(原子間距)隨溫度的變化.,三、熱膨

6、脹系數(shù)的測量,1.光杠桿式膨脹儀法,絕對(duì)法光三角架放大的膨脹儀,1.標(biāo)準(zhǔn)樣（用以測溫） 2.被測樣 3.凹面鏡,光杠桿式膨脹儀的工作原理,總則：用照相方法直接記錄出膨脹曲線。,將試樣的膨脹通過一根傳遞桿引出，傳遞桿推動(dòng)一個(gè)帶小鏡的光三角架（或其它光杠桿機(jī)械）轉(zhuǎn)動(dòng)，將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)成光點(diǎn)的位移量，并借助于照像或光電轉(zhuǎn)換的主法觀察和測量光點(diǎn)的位移。 既可直接測得伸長量，又可用示差法測得標(biāo)準(zhǔn)試樣和待測試樣的差。,2、直接觀測法： 利用雙筒望遠(yuǎn)鏡、垂高計(jì)、比長儀等儀器直接觀測加熱過程中試樣兩標(biāo)距間的長度，從而計(jì)算出膨脹系數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：最直觀最簡便穩(wěn)定可靠的測量方法； 缺點(diǎn)：難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄，費(fèi)力、費(fèi)時(shí)。

7、,3、光干涉法： 光干涉法是將試樣的長度變化量轉(zhuǎn)變成光束的光程差，使之在視場中產(chǎn)生干涉條紋相對(duì)于參考標(biāo)記的移動(dòng)，即用一已知單色波長來量度試樣的長度變化。光干涉膨脹儀所用的干涉方法有幾種類型，其中應(yīng)用最多的是“等厚干涉”和“等傾干涉”兩種。,4、X光法： X光法是利用測量晶胞內(nèi)晶格常數(shù)變化的方法來測量熱膨脹系數(shù)的，其主要方法有粉末照像法，衍射儀法和單晶法等。 X光法測量膨脹系數(shù)： 優(yōu)點(diǎn)：試樣極小且不規(guī)則，對(duì)不能加工的材料有特別的意義。X光所測點(diǎn)陣常數(shù)的變化，真實(shí)地反映了被測晶體的熱膨脹，不會(huì)因試樣中某些雜質(zhì)和缺陷的存在影響測量結(jié)果。能測量單晶的熱膨脹和各向異性的熱膨脹而不需要制備單晶試樣。 缺點(diǎn)

8、：不能連續(xù)測量在溫度變化過程中膨脹量的不連續(xù)變化。,5、電容法： 該法的原理是電容器兩極間距離的變化，在一定范圍內(nèi)與電容量的變化存在線性關(guān)系，若以試樣為電容的一極，由于試樣的膨脹使極間距離發(fā)生變化，測出電容量的變化，即可求得試樣的膨脹系數(shù)，這一方法非常精密，多用在低溫下測量膨脹量較小、或者試驗(yàn)溫度較窄的情況下使用。,1、千分表 2、支架 3、冷卻水套 4、頂桿 5、試樣載管 6、耐火材料 7、爐體 8、試樣,將試樣的膨脹量通過一根與試樣載管的材質(zhì)相同且膨脹系數(shù)很小的頂桿傳遞出來，用千分表、差動(dòng)變壓器或其它測量儀器檢測,第三節(jié) 材料的熱傳導(dǎo),物體的各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，依靠內(nèi)部微觀粒子（原子、分子、離子）的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）。,導(dǎo)熱特點(diǎn) 1)物體之間不發(fā)生宏觀相對(duì)位移 2)依靠微觀粒子（分子、原子、電子等）的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)3)是物質(zhì)的固有本質(zhì),導(dǎo)熱基本定律-Fouriers law,（1）的意義:熱量傳遞指向溫度降低的方向 （2） :通過該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量,指向溫度升高的方向 （3）熱流方向總是與等溫線(面)垂直