材料的熱膨脹ppt課件

第一章材料的熱學性能,1,本章內容,熱容熱膨脹熱傳導熱穩(wěn)定性,2,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質與其他物理性能的關系影響因素熱膨脹測量方法熱膨脹的工程應用,3,1.熱膨脹的物理本質,什么是熱膨脹？熱膨脹系數熱膨脹的物理本質,4,熱膨脹系數,溫度每平均升高1個單位，長度的相對變化量。,平均線膨脹系數,微分線膨脹系數,體膨脹系數,各向同性,各向異性,5,部分材料的線性膨脹系數,6,某些無機材料的熱膨脹系數與溫度之間的關系,無機材料的線膨脹系數一般都不大,7,物理本質（作用力曲線解釋）,原子熱振動是非線性的！,溫度升高，原子振動激烈。,原子向右移動的幅度更大一些，導致振動中心右移。,0K時，原子處在平衡位置。,8,物理本質（勢能曲線解釋）,勢能曲線是不對稱的！,0K時，原子的勢能最低。,溫度升高，原子的勢能增加。,勢能曲線的不對稱，使振動中心右移。,9,材料熱膨脹的本質:在于晶格點陣實際上在作非簡諧振動，晶格振動中相鄰質點間的作用力實際上是非線性的，點陣能曲線也是非對稱的。,理想狀態(tài),實際狀態(tài),10,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質與其他物理性能的關系影響因素熱膨脹測量方法熱膨脹的工程應用,11,2.與其他物理性能的關系,體膨脹與定容熱容成正比，并且它們有相似依賴關系。,1、與熱容的關系,格律乃森定律,12,Al2O3的熱容和膨脹系數隨溫度的變化,13,金屬的結合能越大，熔點越高，其膨脹系數越小。,2、與結合能、熔點的關系,對所有的純金屬,（a、b是常數）,14,幾種材料的線膨脹系數、結合能與熔點,15,3、與結構的關系,對結構緊密的晶體，膨脹系數較大。,而對無定形的玻璃，膨脹系數較小。,溫度升高時發(fā)生的晶型轉變，也會引起膨脹系數的改變。,16,ZrO2陶瓷的熱膨脹曲線,1000時,單斜晶型,四方晶型,發(fā)生體積收縮4%,17,4.與相變的關系,一級,二級,18,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質與其他物理性能的關系影響因素熱膨脹測量方法熱膨脹的工程應用,19,3.影響熱膨脹性能的因素,相變的影響成分和組織的影響各向異性的影響,20,相變的影響,一級相變：體積突變，有相變潛熱。二級相變：無體積突變和相變潛熱；但膨脹系數和比熱容有突變。,直接用熱膨脹實驗分析,用熱膨脹實驗可以研究二級相變,21,二級相變,同素異構體轉變有序無序轉變溫度變化時發(fā)生的晶型轉變,Fe：相相,Cu-Au合金,22,化學成分的影響,固溶體的熱膨脹系數略低于按直線規(guī)律計算的值。,CuAu合金固溶體的膨脹系數,0,20,40,60,80,100,rE/%,l,CuAu合金膨脹系數,23,兩相材料熱膨脹系數計算值的比較,多相合金體的膨脹系數主要取決于組成相的性質和數量,內應力抑制了熱膨脹,24,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質與其他物理性能的關系影響因素熱膨脹測量方法熱膨脹的工程應用,25,4.熱膨脹的測量,光學膨脹儀電測試膨脹儀機械式膨脹儀,光杠桿膨脹儀光干涉法,電感式膨脹儀電容式膨脹儀,千分表式膨脹儀杠桿式膨脹儀,光杠桿式膨脹儀原理圖,26,熱膨脹測試儀（德國耐馳公司）,測試原理：將樣品放入爐體內，施一定溫度程序，此時樣品長度的變化通過推桿傳遞到左側的檢測單元，并由位移傳感器測量得到結果。,材料學院A306室,27,一、技術參數：1.升降溫速率：0-50K/min2.測量范圍：5005000m3.樣品長度：最大50mm樣品直徑：最大12mm4.L分辨率：0.125nm/1.25nm5.樣品支架：石英支架（1100），氧化鋁支架（1700），石墨支架（2000）二、主要特點：1.DIL提供多種類型的樣品支架與爐體配置。2.提供各種配件使測試更靈活方便。3.提供速率控制燒結軟件（RCS）。4.提供c-DTA功能，可通過圖譜分析計算得到差熱DTA曲線。三、應用領域：可測量固體、熔融金屬、粉末、涂料等各類樣品，廣泛應用于無機陶瓷、金屬材料、塑膠聚合物、建筑材料、涂層材料、耐火材料、復合材料等領域。,德國耐馳DIL402C熱膨脹儀,28,熱膨脹儀典型圖譜,29,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質與其他物理性能的關系影響因素熱膨脹測量方法熱膨脹的工程應用,30,5.熱膨脹的工程應用,1、熱膨脹的工程意義,陶瓷工業(yè),薄膜生長,航天器的設計,金屬的表面改性,施釉,要求釉層的膨脹系數比坯體要小,為什么？,結合后面涉及到的熱應力知識進行解釋。,烤瓷牙,微機械（MENS）領域,31,熱膨脹在工程中的意義熱膨脹系數是材料的一項重要熱學性能指標，在實際工程應用中具有重要意義。1)是決定材料抗熱震性的主要因素。2)陶瓷坯上釉，二者應匹配。釉適當小于坯，燒結冷卻過程中，釉層收縮小，使釉層中存在壓應力，提高釉層強度，防止裂紋產生。小的太多也不行，會使釉層脫落。3)集成電路、電子管、特種燈生產中。4)復合材料制備。5)精密儀器儀表。,32,材料的種類（依據熱膨脹系數）,高熱膨脹材料零熱膨脹材料負熱膨脹材料,金屬材料、高分子材料，具有較高的彈性和塑性。,形狀記憶合金、智能材料、微型機械等,合金材料、陶瓷材料,航空航天、精密儀表等領域,航空航天、光電子精密儀器制造等領域,陶瓷材料,33,2、熱膨脹分析的應用,膨脹分析對研究鋼在加熱、等溫、連續(xù)冷卻和回火過程中的轉變非常有效。,確定鋼的組織轉變點,研究加熱轉變,34,小結,熱膨脹系數物理本質與其他物理性能的關系影響