第一章-材料的熱學(xué)性能

1、主講教師：馬金福聯(lián)系電話子郵件：辦公地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)樓503室2General Characters of Materials3本書(shū)主要內(nèi)容本書(shū)主要內(nèi)容材料的幾類主要性能：材料的幾類主要性能：熱學(xué)性能熱學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能電性能電性能磁性磁性學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：1.了解材料的各類性能；了解材料的各類性能；2.學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；3.加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。1.1 熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱平衡動(dòng)態(tài)平衡熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)無(wú)隔熱壁時(shí)系統(tǒng)溫度處處相等；系統(tǒng)與環(huán)境之間無(wú)隔熱壁時(shí)系統(tǒng)與環(huán)境溫度相等。力平衡無(wú)剛

2、性壁時(shí)，無(wú)受力不均現(xiàn)象。相平衡各相之間不隨時(shí)間發(fā)生變化?；瘜W(xué)平衡化學(xué)組成和物質(zhì)數(shù)量不隨時(shí)間變化。熱力學(xué)第一定律能量守恒，只說(shuō)明了功、熱 轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系；熱力學(xué)第二定律過(guò)程的方向性熱力學(xué)第三定律規(guī)定熵完美晶體含義：完美晶體是指晶格中排列的粒子(分子,原子或離子)只以一種方式整齊排列,沒(méi)有缺陷或錯(cuò)位,是理想的單晶。 玻璃態(tài)的固體、固溶體以及復(fù)晶等都不是。定義：G=H-TS 物理意義：等T、P，除體積變化所做的功外，從系統(tǒng)所能獲得的最大功。如果發(fā)生的是不可逆過(guò)程，反應(yīng)總是朝著吉布斯自由能減小的方向進(jìn)行。 麥克斯韋方程表明溫度一定時(shí)，H隨體積的增大而增加。 在低溫時(shí)，TS項(xiàng)的貢獻(xiàn)很小，所以吉布斯自由能

3、在低溫下主要取決于H 。因此原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能大于原子排列密集結(jié)構(gòu)的自由能，也就是說(shuō)，在低溫下，相比較而言，密排結(jié)構(gòu)屬于穩(wěn)定相。 相反，在高溫時(shí)，TS貢獻(xiàn)趨于很大，此時(shí)系統(tǒng)的吉布斯自由能主要取決于TS，由于原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的熵大于密排結(jié)構(gòu)的熵，因此，在高溫下，原子排列疏松的結(jié)構(gòu)的自由能小，相對(duì)原子密排結(jié)構(gòu)而言屬于穩(wěn)定相。熱性能的物理本質(zhì)晶格熱振動(dòng)牛頓第二定律簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程：2112(2)nnndxmxxxdt溫度，動(dòng)能頻率、振幅1Ni()i動(dòng) 能熱 量各質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能的總和，就是該物體的熱量，即 熱容（熱容（Heat capacity）：）：一定量的物質(zhì)在一定條件下溫度升高一定量的物

4、質(zhì)在一定條件下溫度升高1度所需要度所需要 的熱，的熱，是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理 量，用符號(hào)量，用符號(hào)C 表示，單位是表示，單位是JK-1。 摩爾熱容：摩爾熱容： 1摩爾物質(zhì)的熱容，用摩爾物質(zhì)的熱容，用Cm表示，單位是表示，單位是Jmol-1K-1。 比熱容：比熱容： 1千克物質(zhì)的熱容，用千克物質(zhì)的熱容，用c表示，單位是表示，單位是Jkg-1K-1。 定壓熱容和定容熱容：定壓熱容和定容熱容： 等壓條件下的熱容稱定壓熱容，用符號(hào)等壓條件下的熱容稱定壓熱容，用符號(hào)Cp表示；表示； 等容條件下的熱容稱定容熱容，用符號(hào)等容條件下的熱容稱定容熱容，用符號(hào)CV表示。表

5、示。對(duì)于固體和液體來(lái)說(shuō)，對(duì)于固體和液體來(lái)說(shuō)，Cp和和CV近似相等，但是在要求較高的計(jì)算中不能忽略。近似相等，但是在要求較高的計(jì)算中不能忽略。對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，Cp,m CV ,m = R，其中，其中R是理想氣體常數(shù)是理想氣體常數(shù) 1. 杜隆杜隆-珀替定律：珀替定律：n 19世紀(jì)，杜隆-珀替將氣體分子的熱容理論直接應(yīng)用于固體,從而提出了杜隆珀替定律（元素的熱容定律）：恒壓下元素的原子熱容為 。實(shí)際上，大部分元素的原子熱容都接近該值，特別在高溫時(shí)符合的更好。但輕元素的原子熱容需改用表中的值。)./(25KmolJCp元素元素H HB BC CO OF FSiSiP PS SClC

6、l9.69.611.311.37.57.516.716.720.920.915.915.922.522.522.522.520.420.4pC2. 柯普柯普定律：定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容之和，即 式中： 為化合物中元素i 的原子數(shù)， 為元素i的摩爾熱容。iinCCiniC用途：根據(jù)杜隆珀替定律可以從比熱推算未知物質(zhì)的原子量，而根據(jù)柯普定律可得到原子熱即摩爾熱容并進(jìn)一步推算化合物的分子熱。杜隆珀替定律在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很吻合。但在低溫時(shí)，CV 的實(shí)驗(yàn)值并不是一個(gè)恒量，它隨溫度降低而減小，在接近絕對(duì)零度時(shí)，熱容值按T3的規(guī)律趨于零。對(duì)于低溫下熱容減小的現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典理論很

7、好的進(jìn)行解釋，需要用量子理論來(lái)解釋。熱容的量子理論普朗克基本觀點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)大小不定，即動(dòng)能大小不是定值，但能量是量子化的。簡(jiǎn)化模型：愛(ài)因斯坦量子熱容模型德拜比熱模型熱容的量子理論n 1)愛(ài)因斯坦熱容模型：n基本觀點(diǎn)：愛(ài)因斯坦（Einstein）量子熱容理論考慮到晶體中原子熱振動(dòng)受晶體點(diǎn)陣的束縛，認(rèn)為：晶體中每個(gè)原子或離子都在其格點(diǎn)作振動(dòng)，各個(gè)原子的振動(dòng)是獨(dú)立而互不依賴的；每個(gè)原子都具有相同的周?chē)h(huán)境，因而起振動(dòng)頻率都是相同的；原子振動(dòng)的能量是不連續(xù)的、量子化的。n結(jié)論：n高溫時(shí)，Cv=3R，與杜隆-珀替公式相一致。n低溫時(shí)，Cv隨T變化的趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，但是比實(shí)驗(yàn)更快的趨近于零。nT0

8、K時(shí)，Cv也趨近于0，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。l思考:l導(dǎo)致低溫情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差的原因？熱容的量子理論n2）德拜比熱模型n基本觀點(diǎn)：晶體中原子具有相互作用，晶體近似為連續(xù)介質(zhì)。n由于晶格中對(duì)熱容的主要貢獻(xiàn)是彈性波的振動(dòng)，也就是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的聲頻支在低溫下的振動(dòng)占主導(dǎo)地位。由于聲頻波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于晶體的晶格常數(shù)，可以把晶體近似看成連續(xù)介質(zhì)。所以聲頻支的振動(dòng)也近似地可以看作是連續(xù)的，具有從0到max的譜帶。高于max不在聲頻支而在光頻支范圍，對(duì)熱容貢獻(xiàn)很小，可以忽略不計(jì)。由分子密度及聲速?zèng)Q定。n結(jié)論：n溫度較高時(shí)，即T D時(shí)，Cv=3R，即杜隆-珀替定律。n溫度較低時(shí)，即TD時(shí)，Cv與T3成正比并隨T0而

9、趨于0.溫度越低，與實(shí)驗(yàn)值越吻合。n彌補(bǔ)了愛(ài)因斯坦量子熱容模型的不足，但不能解釋超導(dǎo)等復(fù)雜問(wèn)題（因?yàn)榫w不是連續(xù)體）。材料的熱容 不同溫度下某些陶瓷材料的熱容 絕大多數(shù)氧化物、碳化物的熱容都從低溫時(shí)的一個(gè)低值增加到1273K左右的近似于3R，并保持不變。1.無(wú)機(jī)材料的熱容無(wú)機(jī)材料的熱容 無(wú)機(jī)材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)關(guān)系不大無(wú)機(jī)材料的熱容與材料結(jié)構(gòu)關(guān)系不大 氣孔率的影響：氣孔率的影響：多孔材料因質(zhì)量輕，熱容小，所需的熱量要小于耐熱材料。加熱窯多孔材料因質(zhì)量輕，熱容小，所需的熱量要小于耐熱材料。加熱窯多用硅藻土，泡沫剛玉等。多用硅藻土，泡沫剛玉等。 固體材料熱容固體材料熱容Cp與溫度與溫度T的關(guān)系可有

10、實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的關(guān)系可有實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算式中：式中： Cp的單位為的單位為4.18 J/(K.mol)2PCabTcTv實(shí)驗(yàn)證明，在較高溫度下（573以上）固體的摩爾熱容大約等于構(gòu)成該化合物的各元素原子熱容的總和v v式中：ni為化合物中元素的原子數(shù)，Ci為化合物中元素i的摩爾熱容。v對(duì)于計(jì)算大多數(shù)氧化物和硅酸鹽化合物在573以上的熱容有較好的結(jié)果。同樣，對(duì)于多相復(fù)合材料也有如下的計(jì)算式v v式中：gi為材料中第i種組成的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，Ci為材料中第i種組成的比熱容。i icnci icg c2.金屬和合金的熱容金屬和合金的熱容 1） 金屬的熱容金屬的熱容 區(qū)區(qū) CVT

11、 區(qū)區(qū) CVT3 區(qū)區(qū) CV3R 對(duì)于金屬：其載流子主要是聲子對(duì)于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時(shí)有：和電子。低溫時(shí)有：TaTCCCeVLVV3和為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?shí)驗(yàn)測(cè)得。關(guān)于金屬熱容的說(shuō)明：n一般情況下，常溫時(shí)點(diǎn)陣振動(dòng)貢獻(xiàn)的熱容遠(yuǎn)大于電子熱容，只有在溫度極低或極高時(shí)，電子熱容才不能被忽略。n對(duì)于過(guò)渡族金屬，由于s層、d層、f層電子都會(huì)參與振動(dòng)，對(duì)熱容作出貢獻(xiàn)，也就是說(shuō)過(guò)渡族金屬的電子熱容貢獻(xiàn)較大，因此，過(guò)渡族金屬的定容熱容遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)單金屬。2） 合金的熱容合金的熱容 合金的摩爾熱容可以由組元的摩爾熱容按比例相加而得，即 式中：X1， X2，, Xn分別是組元所占的原子分?jǐn)?shù)， C1，

12、 C2，, Cn分別為各組元的摩爾熱容，這就稱為紐曼柯普定律。說(shuō)明：n定律的普適性n熱處理對(duì)于合金在高溫下的熱容沒(méi)有明顯的影響nnmcXcXcXcXc3322113）組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響）組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響 對(duì)于一級(jí)相變：對(duì)于一級(jí)相變：在相變點(diǎn)，熱容發(fā)生突變，熱容為無(wú)限大在相變點(diǎn)，熱容發(fā)生突變，熱容為無(wú)限大 對(duì)于二級(jí)相變：對(duì)于二級(jí)相變：比熱也有變化，但為有限值比熱也有變化，但為有限值1.3 材料的熱膨脹1. 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) 1）概念：）概念：用來(lái)描述溫度變化時(shí)材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量。用來(lái)描述溫度變化時(shí)材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量。n假設(shè)物體原來(lái)的長(zhǎng)度為，溫度升高后長(zhǎng)度的增加量為，

13、實(shí)驗(yàn)得出假設(shè)物體原來(lái)的長(zhǎng)度為，溫度升高后長(zhǎng)度的增加量為，實(shí)驗(yàn)得出n式中：式中：l為線膨脹系數(shù)，即溫度升高為線膨脹系數(shù)，即溫度升高1K時(shí)，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)量。同理，物體時(shí)，物體的相對(duì)伸長(zhǎng)量。同理，物體體積隨溫度的增加可表示為體積隨溫度的增加可表示為 n式中：式中： V為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高1K時(shí)物體體積相對(duì)增長(zhǎng)值。時(shí)物體體積相對(duì)增長(zhǎng)值。0llTl0(1)TVVVT3Vll如果物體是立方體，有如果物體是立方體，有 l對(duì)于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假設(shè)分別為對(duì)于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假設(shè)分別為a, 、b、c，則，則 l材料的熱膨

14、脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般愈小，材料熱穩(wěn)材料的熱膨脹系數(shù)大小直接與熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般愈小，材料熱穩(wěn)定性愈好。例如定性愈好。例如Si3N4的的=2.710-6K-1，在陶瓷材料中是偏低的，因，在陶瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)定性也好。此熱穩(wěn)定性也好。 3VlVabc1.3 材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)熱膨脹本質(zhì) 1）唯象解釋：）唯象解釋：熱膨脹的本質(zhì)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)間熱膨脹的本質(zhì)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度的升高而增大。平均距離隨溫度的升高而增大。 在質(zhì)點(diǎn)平衡位置在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r0兩側(cè)：兩側(cè)： rr0 斜率小，引力隨位移增加慢。斜率小，引力隨位移增加慢。 因此，在一定溫度下，平衡位置

15、不在因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。脹。Curve勢(shì)能一原子間距離曲線勢(shì)能一原子間距離曲線假想的假想的實(shí)際的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋熱膨脹現(xiàn)象解釋1.3 材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系熱膨脹與性能的關(guān)系 1）熱膨脹與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系：）熱膨脹與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系：質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力越強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)越小，熔點(diǎn)越高。質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力越強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)越小，熔點(diǎn)越高。金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較?。痪酆衔锊牧蟿t較大。的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。 2）熱膨脹與溫度

16、、熱容的關(guān)系）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系平衡位置隨溫度的變化平衡位置隨溫度的變化鍵強(qiáng)與熱膨脹鍵強(qiáng)與熱膨脹n溫度T越低，tan越小，則越小，反之，溫度T越高，則越大。n熱膨脹系數(shù)與熱容密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律。1.4 材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律 傅里葉定律傅里葉定律 熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)：一塊材料溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的一塊材料溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸，熱量便會(huì)自動(dòng)的從高溫度區(qū)向低物體相互接觸，熱量便會(huì)自動(dòng)的從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播。溫度區(qū)傳播。 1.4 材料的導(dǎo)熱性 2 導(dǎo)熱的微觀機(jī)制導(dǎo)熱的微觀機(jī)制 固體中的導(dǎo)熱主要靠晶格振動(dòng)的格波（聲子）和自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：固體

17、中的導(dǎo)熱主要靠晶格振動(dòng)的格波（聲子）和自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)： :聲子熱導(dǎo)率，聲子熱導(dǎo)率，r：電子（光子）的熱導(dǎo)率：電子（光子）的熱導(dǎo)率除金屬外，一般固體特別是離子或共價(jià)鍵晶體中自由電子很少。除金屬外，一般固體特別是離子或共價(jià)鍵晶體中自由電子很少。r聲子和聲子傳導(dǎo)聲子和聲子傳導(dǎo)n把聲頻支格波看成是一種彈性波，類似于在固體中傳播的聲波。因此，就把聲頻波的量子稱為聲子。n熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點(diǎn)的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。n固體（聲子）熱導(dǎo)率的普適性公式（聲子的速度與角頻率無(wú)關(guān)） ： dvvlvC31熱容C和平均自由程l都是振動(dòng)頻率v的函數(shù)熱導(dǎo)率的大小主要取決于C和l光子熱導(dǎo)光子熱導(dǎo)n固體中分子、原子

18、和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)輻射出頻率較高的電磁波，頻譜包括了一定波長(zhǎng)的熱射線，其熱傳導(dǎo)方式與光在介質(zhì)中傳播現(xiàn)象類似，也有光的散射、衍射、吸收、反射和折射等，故稱為光子傳導(dǎo)。n熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點(diǎn)的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。n固體（光子）熱導(dǎo)率公式（輻射傳熱中，容積熱容相當(dāng)于提高輻射溫度所需的能量）：rrlTn32316熱導(dǎo)率的大小主要取決于平均自由程lr和溫度T。材料透明度與lr的變化趨勢(shì)一致。 純金屬純金屬 a) 溫度溫度 對(duì)于純銅，對(duì)于純銅， 分為三個(gè)區(qū)分為三個(gè)區(qū) 區(qū)區(qū) T增大，增大，增大增大 區(qū)區(qū) T增大，增大，不變不變 區(qū)區(qū) T增大，增大，減小減小 鉍，銻金屬熔化時(shí)，熱導(dǎo)率

19、上升一倍，共鉍，銻金屬熔化時(shí)，熱導(dǎo)率上升一倍，共價(jià)鍵減弱，金屬鍵加強(qiáng)。價(jià)鍵減弱，金屬鍵加強(qiáng)。 b)晶粒大?。壕Я４笮。壕Я４执?，熱導(dǎo)率高晶粒粗大，熱導(dǎo)率高 c)各向異性：各向異性：立方晶系與晶向無(wú)關(guān)，非立方立方晶系與晶向無(wú)關(guān)，非立方各向?qū)?。各向?qū)浴?d)雜質(zhì)：雜質(zhì)：強(qiáng)烈影響強(qiáng)烈影響 影響熱導(dǎo)率的因素影響熱導(dǎo)率的因素銅合金的性能 Properties of copper alloy材 料組 成熱膨脹系數(shù)10-6/熱導(dǎo)率W/(mK)電導(dǎo)率IACS純銅Cu17.0388-39995-101黃銅Cu-Zn18.1-19.829-6030-57錫青銅Cu-Sn17.5-19.112-209-18鋁青

20、銅Cu-Al17.1-18.260-1008-17硅青銅Cu-Si16.1-18.537-10410-28錳青銅Cu-Mn20.41086-16白銅Cu-Ni1713020影響熱導(dǎo)率的因素影響熱導(dǎo)率的因素 合金合金 a) 無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體：濃度增加，熱導(dǎo)率減小，最?。簼舛仍黾?，熱導(dǎo)率減小，最小值一般在值一般在50%處。處。 b)有序固溶體有序固溶體：熱導(dǎo)率提高，最大值對(duì)應(yīng)于有序：熱導(dǎo)率提高，最大值對(duì)應(yīng)于有序固溶體的成分。固溶體的成分。 c)鋼中的合金元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱鋼中的合金元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱導(dǎo)率。導(dǎo)率。 奧氏體奧氏體淬火馬氏體淬火馬氏體 回火馬氏體回火馬氏體T0

21、 時(shí)，時(shí)， 0，桿受壓應(yīng)力，桿受壓應(yīng)力 T0，桿受拉應(yīng)力，桿受拉應(yīng)力1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性 2） 因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力 物體迅速加熱時(shí)，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相物體迅速加熱時(shí)，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力表面受壓應(yīng)力，而，而相鄰內(nèi)部材料受相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時(shí)（如淬火），。同理，迅速冷卻時(shí)（如淬火），表面受拉應(yīng)力表面受拉應(yīng)力，相鄰，相鄰內(nèi)部材料受內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力壓縮應(yīng)力。 3） 多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生

22、的熱應(yīng)力多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力A B A B A B1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性3. 抗熱沖擊斷裂性能：抗熱沖擊斷裂性能： 1） 第一熱應(yīng)力抵抗因子第一熱應(yīng)力抵抗因子R： 當(dāng)最大熱應(yīng)力值當(dāng)最大熱應(yīng)力值max f (強(qiáng)度極限），材料就不會(huì)斷裂，材料所能承受的溫差越強(qiáng)度極限），材料就不會(huì)斷裂，材料所能承受的溫差越大，材料的熱穩(wěn)定性就越好。大，材料的熱穩(wěn)定性就越好。ERf)1 ( R：第一熱應(yīng)力因子；：第一熱應(yīng)力因子； ：泊松比；：泊松比；a: 熱膨脹系數(shù)；熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量：彈性模量 1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能抗熱沖擊斷裂性能： 2

23、） 第二熱應(yīng)力抵抗因子第二熱應(yīng)力抵抗因子R： 熱穩(wěn)定性除與熱穩(wěn)定性除與Tmax相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)： a) 材料熱導(dǎo)率材料熱導(dǎo)率： 增加，其熱應(yīng)力小增加，其熱應(yīng)力小 b) 傳熱的途徑：傳熱的途徑：材料愈薄，愈易達(dá)到溫度均勻材料愈薄，愈易達(dá)到溫度均勻 c) 材料表面散熱率：材料表面散熱率：表面熱傳遞系數(shù)表面熱傳遞系數(shù)h, h越大，其熱穩(wěn)定性越差。越大，其熱穩(wěn)定性越差。 如材料樣品的厚度為如材料樣品的厚度為rm, 則有畢奧模數(shù)則有畢奧模數(shù) khrm 顯然，顯然， 大，對(duì)熱穩(wěn)定性不利大，對(duì)熱穩(wěn)定性不利 1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：抗熱沖擊斷

24、裂性能： 2） 第二熱應(yīng)力抵抗因子第二熱應(yīng)力抵抗因子R： 單位：?jiǎn)挝唬?J/cm/S) ,如考慮樣品的形狀則有：如考慮樣品的形狀則有： lf、EkR)1 ( S為非平板樣品的形狀因子。為非平板樣品的形狀因子。討論：具有高的熱導(dǎo)率討論：具有高的熱導(dǎo)率, 高的斷裂強(qiáng)度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模高的斷裂強(qiáng)度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模E，則具有高熱沖擊斷，則具有高熱沖擊斷 裂性能。裂性能。 3） 第三熱應(yīng)力抵抗因子第三熱應(yīng)力抵抗因子R （明確最大冷卻速率）（明確最大冷卻速率）4.抗熱沖擊損傷性抗熱沖擊損傷性n適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。n瞬時(shí)不斷裂的原因

25、是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所瞬時(shí)不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。釘扎。n例如：耐火磚中含有氣孔率時(shí)具有最好的抗熱沖擊損例如：耐火磚中含有氣孔率時(shí)具有最好的抗熱沖擊損傷性，但氣孔的存在會(huì)降低材料的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，熱傷性，但氣孔的存在會(huì)降低材料的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力因子減小。應(yīng)力因子減小。1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)以應(yīng)變能從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)。斷裂能為判據(jù)。材料中微裂紋擴(kuò)展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)材料中微裂紋擴(kuò)展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)變能、裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能影響材料的抗熱損變能、裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能影響材料的抗熱損傷性。傷

26、性。積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴(kuò)展??；裂紋擴(kuò)積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴(kuò)展??；裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能大，裂紋的蔓延程度小。展的斷裂表面能大，裂紋的蔓延程度小。1. 考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。的釋放率。 RE/ 2(1 ) 材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。斷裂表面能的材料。 RE2 eff/ 2(1 )用于比較具有不同斷裂表面能的材料。用于比較具有不同斷裂表面能的材料。強(qiáng)度高的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴(kuò)展強(qiáng)度高

27、的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴(kuò)展蔓延，對(duì)熱穩(wěn)定性不利。蔓延，對(duì)熱穩(wěn)定性不利。2 . 抗熱應(yīng)力損傷因子抗熱應(yīng)力損傷因子5.材料熱穩(wěn)定性的測(cè)定材料熱穩(wěn)定性的測(cè)定n陶瓷熱穩(wěn)定性測(cè)定方法一般是把試樣加熱到一定的溫度，接著放入適當(dāng)溫度的水中，判定方法為： 根據(jù)試樣出現(xiàn)裂紋或損壞到一定程度時(shí)，所經(jīng)受的熱變換次數(shù)； 經(jīng)過(guò)一定的次數(shù)的熱冷變換后機(jī)械強(qiáng)度降低的程度來(lái)決定熱穩(wěn)定性； 試樣出現(xiàn)裂紋時(shí)經(jīng)受的熱冷最大溫差來(lái)表示試樣的熱穩(wěn)定性，溫差愈大，熱穩(wěn)定性愈好。n玻璃材料穩(wěn)定性測(cè)定方法實(shí)驗(yàn)中常將一定數(shù)量的玻璃試樣在立式管狀電爐中加熱，使樣品內(nèi)外的溫度均勻，然后使之驟冷，用放大鏡考察，看試樣不破裂時(shí)所能承受的最

28、大溫差。對(duì)相同組成的各塊樣品，最大溫差并不是固定不變的，所以測(cè)定一種玻璃的穩(wěn)定性，必須取多個(gè)試樣，并進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性1.6 熱分析技術(shù)的應(yīng)用nICTA定義：熱分析是在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。n說(shuō)明：n程序控制溫度：固定加熱或冷卻速率n物理性質(zhì)：質(zhì)量、溫度、熱焓、尺寸、力學(xué)性能、電學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)等。n溫度探測(cè)：熱電偶（原理是什么？）熱分析分類：n熱重測(cè)量法（TG）n差熱分析法（DTA）n差示掃描量熱法（DSC）熱重測(cè)量法測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量溫度（m=f（T)）n質(zhì)量而不是重量TG曲線示意圖差熱分析n物質(zhì)與參比物之間的溫度差溫度（TT或t）

29、DTA示意圖 DTA曲線的幾何要素：(1) 零線：理想狀態(tài)T=0的線，圖中AE； (2) 基線：實(shí)際條件下試樣無(wú)熱效應(yīng)時(shí)的曲線部份，圖中AB和DE；(3) 吸熱峰：TSTR , T0 時(shí)的曲線部份；(5) 起始溫度（Ti）：熱效應(yīng)發(fā)生時(shí)曲線開(kāi)始偏離基線的溫度；(6) 終止溫度（Tf）：曲線開(kāi)始回到基線的溫度；(7) 峰頂溫度（TP）：吸、放熱峰的峰形頂部的溫度，該點(diǎn)瞬間 d(T)/dt=0；(8) 峰高：是指內(nèi)插基線與峰頂之間的距離，如CF；(9) 峰面積：是指峰形與內(nèi)插基線所圍面積，如BCDB；(10) 外推起始點(diǎn)：是指峰的起始邊鈄率最大處所作切線與外推基線的交點(diǎn)，如圖中的G點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的溫度

30、稱為外推起始溫度（Teo）；根據(jù)ICTA共同試樣的測(cè)定結(jié)果，以外推起始溫度（ Teo ）最為接近熱力學(xué)平衡溫度。lDTA曲線中信息：l峰的數(shù)目、位置、方向、高度、寬度和面積等均具有一定的意義?？捎脕?lái)進(jìn)行定量或定性分析。lDTA的特點(diǎn)：l簡(jiǎn)便快捷、重復(fù)性差、分辨率低、熱量定量難。差示掃描量熱法n加入物質(zhì)與參比物之間的能量差溫度n詳細(xì)定義：在詳細(xì)定義：在程序控制溫度程序控制溫度下，測(cè)量下，測(cè)量輸給物質(zhì)輸給物質(zhì)與參比物的功率差與參比物的功率差與與溫度溫度的一種技術(shù)。的一種技術(shù)。v 分類：根據(jù)所用測(cè)量方法的不同分類：根據(jù)所用測(cè)量方法的不同 1. 功率補(bǔ)償型功率補(bǔ)償型DSC 2. 熱流型熱流型DSC 基

31、本原理vDTADTA存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：1 1）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，升溫速率是非線性的，）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，升溫速率是非線性的，從而使校正系數(shù)從而使校正系數(shù)K K值變化，難以進(jìn)行定量；值變化，難以進(jìn)行定量；2 2）試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，由于與參比物、環(huán)境的溫）試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，由于與參比物、環(huán)境的溫度有較大差異，三者之間會(huì)發(fā)生熱交換，降低了對(duì)度有較大差異，三者之間會(huì)發(fā)生熱交換，降低了對(duì)熱效應(yīng)測(cè)量的靈敏度和精確度。熱效應(yīng)測(cè)量的靈敏度和精確度。使得差熱技術(shù)難以進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行定性或使得差熱技術(shù)難以進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行定性或半定量的分析工作。半定量的分析工作?；驹韛為了克服差熱缺點(diǎn)，發(fā)展了為了克服差熱缺點(diǎn)，發(fā)展了DSC。該法對(duì)試樣該法對(duì)試樣產(chǎn)生的熱效應(yīng)能及時(shí)得到應(yīng)有的補(bǔ)償，使得試產(chǎn)生的熱效應(yīng)能及時(shí)得到應(yīng)有的補(bǔ)償，使得試樣與參比物之間樣與參比物之間無(wú)溫差、無(wú)熱交換無(wú)溫差、無(wú)熱交換，試樣升溫，試樣升溫速度始終跟隨爐溫線性升溫，保證了校正系數(shù)速度始終跟隨爐溫線性升溫，保證了校正系數(shù)值恒定。測(cè)量靈敏度和精度大有提高。值恒定。測(cè)量靈敏度和精度大有提高。 功率補(bǔ)償型功率補(bǔ)償型DSCDSC儀器的