幾種典型材料的線膨脹系數(shù)

1、整理ppt2. 2. 熱膨脹的物理本質(zhì)熱膨脹的物理本質(zhì)1.1. 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)4. 4. 影響膨脹性能的因素（鋼組織的膨脹特性）影響膨脹性能的因素（鋼組織的膨脹特性）1.3 1.3 材料的熱膨脹材料的熱膨脹3. 3. 熱膨脹與其他物理量的關(guān)系熱膨脹與其他物理量的關(guān)系5. 5. 膨脹的測(cè)量及膨脹分析的應(yīng)用膨脹的測(cè)量及膨脹分析的應(yīng)用整理pptr0rE(r) r0Ep+Ek=Cr0 xT1r r0T2X1.3 1.3 熱膨脹的物理本質(zhì)及其基本概念熱膨脹的物理本質(zhì)及其基本概念1.3.1 熱膨脹的物理本質(zhì)：熱膨脹的物理本質(zhì)：原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)非簡(jiǎn)諧振動(dòng)整理ppt1.3.2 膨脹性能的基本概念膨脹性能

2、的基本概念 平均線膨脹系數(shù)平均線膨脹系數(shù): : 真線膨脹系數(shù)真線膨脹系數(shù) 膨脹曲線膨脹曲線: : l = f (T)幾種典型材料的線膨脹系數(shù)幾種典型材料的線膨脹系數(shù)(RT):石英玻璃石英玻璃: 0.510-6/K。鐵鐵:12 10-6/K高溫納燈所用的封接導(dǎo)電材料高溫納燈所用的封接導(dǎo)電材料:金屬鈮金屬鈮 T = 7.810-6/KAl2O3燈管燈管 T = 810-6/K。TldTdlTlTTlll11;11212lTT1T2l1l2lTT膨脹曲線膨脹曲線整理ppt1.3.3 1.3.3 膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系1. 1. 與熱容的關(guān)系：與熱容的關(guān)系：格律乃森格

3、律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動(dòng)理論由晶格熱振動(dòng)理論: V = rCV/(EVV); 立方晶系立方晶系: l = rCV/(3EVV) r為格律乃森常數(shù)為格律乃森常數(shù)(r約在約在 1.5 2.5間間); EV 是體彈是體彈模量。模量。線膨脹系數(shù)與熱容隨溫度線膨脹系數(shù)與熱容隨溫度T的變化關(guān)系定性一致。的變化關(guān)系定性一致。因溫度升高，熱振動(dòng)加劇，升高單位溫度的能因溫度升高，熱振動(dòng)加劇，升高單位溫度的能量也增高。量也增高。整理pptCpT/TMAl00.20.40.6T/K0400800AlT/-2000200Fe-36%Ni整理pptI Invar 36: Chemical Composi

4、tions C Mn S P Si Cr Ni Fe 0.10 0.50 0.004 0.006 0.35 0.25 36.0 Balance Invar 36 is a Nickel-Iron, low expansion alloy containing 36% Nickel, belongs to one of the controlled expansion alloys with the lowest thermal expansion coefficient of any of the iron-nickel alloys. It is widely used in the ele

5、ctronics industry such as radios, thermostats (自動(dòng)調(diào)溫器自動(dòng)調(diào)溫器), glass-to-metal seals and structural components in laser systems.整理ppt Kovar: Chemical Compositions:CNiFeSiMnSCo0.0229.0Balance0.200.300.02518.0Kovar alloy is a vacuum melted, iron-nickel-cobalt alloy that is widely used in the electronics i

6、ndustry. In the semiconductor industry it is used in hermetically sealed packages for both integrated and discrete circuit devices. It also belongs to a kind of low expansion glass sealing alloy suitable for sealing to hard glasses.整理ppt(F) Principle of the Invar effect整理ppt發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)年代年代 名稱名稱成分成分晶系晶系 磁性磁

7、性 /（1/） at RTTc或或TN/1897Fe-Ni因瓦因瓦65Fe-35Ni立方立方鐵磁鐵磁1.210-62321931超因瓦超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方立方鐵磁鐵磁0.02301934不銹因瓦不銹因瓦37Fe-52Co-11Cr立方立方鐵磁鐵磁0.01271937Fe-Pt因瓦因瓦75Fe-25Pt立方立方鐵磁鐵磁-30 10-6801962Fe-Pd因瓦因瓦67Fe-31Pd立方立方鐵磁鐵磁0.03401972Cr 基因瓦基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方立方反鐵磁反鐵磁1 10-6451974Y2Fe17因瓦因瓦10.5Y-89.5Fe六角六角鐵磁鐵磁_(tái)-29197

8、7非晶態(tài)非晶態(tài)Fe-B因瓦因瓦83Fe-17B非晶態(tài)非晶態(tài)鐵磁鐵磁(12)10-6320低膨脹合金發(fā)展簡(jiǎn)況低膨脹合金發(fā)展簡(jiǎn)況整理ppt封接合金發(fā)展歷程發(fā)展歷程 19世紀(jì)初，已開(kāi)始用鉑作為封接材料與軟玻璃封接。1879年，愛(ài)迪生(T.Edison)發(fā)明的白熾燈泡, 早期的電子管和X射線管。 在 1896年法國(guó)吉堯姆 (Guillaume)制成因瓦合金(36Ni-Fe)以后,又派生出了代替鉑的46Ni-Fe封接合金，這是最早的封接合金。 后來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)這種合金,在表面覆一層薄銅,這種覆銅的42Ni-Fe絲(俗稱杜美絲，Dumet Wire)用作非匹配軟玻璃封接引出線。 隨著電真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了

9、熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)更低的硬玻璃。初期采用鉬或鎢與硬玻璃封接。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了與硬玻璃封接的稱為可伐Fe-Ni-Co合金;此外,還出現(xiàn)了與軟玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。 第二次世界大戰(zhàn)后，隨著超高頻、大功率電真空器件的發(fā)展，出現(xiàn)了與氧化鋁、氧化鈹?shù)忍沾煞饨拥暮辖稹?duì)膨脹合金提出兼具高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、無(wú)磁性等物理性能的要求。為此采用了復(fù)合膨脹合金、含難熔金屬的封接合金 （如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等)。 金屬與玻璃封接是靠金屬表面所形成的一層致密的氧化膜與加熱后的玻璃通過(guò)擴(kuò)散熔融而完成結(jié)合的。金屬與陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封

10、接面金屬化后用焊料來(lái)連接。在封接和使用的整個(gè)過(guò)程中，封接合金不應(yīng)發(fā)生膨脹特性有明顯變化的相變。整理ppt格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程Tm V = (VTm-V0)/V0 = C ； 其中其中, VTm和和V0 分別為熔點(diǎn)和分別為熔點(diǎn)和0K時(shí)金屬的體積。時(shí)金屬的體積。 C為常數(shù)，多數(shù)立方和六方晶格金屬取為常數(shù)，多數(shù)立方和六方晶格金屬取0.06 0.076。即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程：即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程： (VTm-V0)/V0 = C 6% 6.7%。線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可有經(jīng)驗(yàn)公式：線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可有經(jīng)驗(yàn)公式： l Tm 0.0

11、222. 2. 與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式：與熔點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式：整理pptl = b/(V2/3MD2); 原子間結(jié)合力與原子間結(jié)合力與D2成正比，結(jié)成正比，結(jié)合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。石英玻璃的石英玻璃的值約值約0.510-6/K,而而F鐵為鐵為12 10-6/K.具有一定的周期性具有一定的周期性:IA族元素的族元素的值隨值隨Z增加而增大增加而增大,其余其余A族元素的族元素的值則值則隨隨Z增加而減小增加而減小.這與鍵有關(guān)這與鍵有關(guān).堿金屬堿金屬值高值高,過(guò)渡族元素過(guò)渡族元素值低值低.與原子結(jié)合力有關(guān)與原子結(jié)合力有關(guān).4. 4. 與原子序數(shù)的關(guān)系與原子序數(shù)

12、的關(guān)系: :3. 3. 與德拜溫度的關(guān)系：與德拜溫度的關(guān)系：整理ppt1.3.4 影響膨脹性能的因素影響膨脹性能的因素 (化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、相變等）化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、相變等）1.1.相變的影響：相變的影響：一級(jí)相變的特征是：體積發(fā)生突變，伴有相變潛一級(jí)相變的特征是：體積發(fā)生突變，伴有相變潛熱，膨脹系數(shù)在轉(zhuǎn)變點(diǎn)無(wú)限大。如三態(tài)轉(zhuǎn)變，熱，膨脹系數(shù)在轉(zhuǎn)變點(diǎn)無(wú)限大。如三態(tài)轉(zhuǎn)變，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等屬于一級(jí)相變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等屬于一級(jí)相變。二級(jí)相變無(wú)體積突變和相變潛熱，但膨脹系數(shù)二級(jí)相變無(wú)體積突變和相變潛熱，但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。和比熱容有突變。整理ppt圖為鐵的線性熱膨脹系數(shù)和熱膨脹系

13、數(shù)。在氦氣圖為鐵的線性熱膨脹系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。在氦氣氣氛下以氣氛下以5 /min測(cè)量。在測(cè)量。在960 （曲線峰值）（曲線峰值）和和1409 出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)變化（出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)變化（bcc-fcc-bcc）。）。整理ppt2 2. . 晶型轉(zhuǎn)變晶型轉(zhuǎn)變。室溫下室溫下ZrO2晶體是晶體是單斜晶型單斜晶型。溫度高于。溫度高于1000度時(shí)轉(zhuǎn)為度時(shí)轉(zhuǎn)為四方晶型四方晶型，體積收縮，體積收縮4%。嚴(yán)重影響應(yīng)用。嚴(yán)重影響應(yīng)用。加入加入MgO,CaO, Y2O3等穩(wěn)定劑后，在高溫與等穩(wěn)定劑后，在高溫與ZrO2形成形成立方晶型立方晶型的固溶體。不到的固溶體。不到2000度不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。度不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。T/純純Z

14、rO2完全穩(wěn)完全穩(wěn)定化定化ZrO2CaO8%ZrO21200400l/l(b). ZrO2的膨脹曲線的膨脹曲線整理ppt 原子間結(jié)合力與原子間結(jié)合力與D2成正比，結(jié)合力越大，成正比，結(jié)合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。 通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)較大，而通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)較大，而類似于無(wú)定型玻璃往往有較小的膨脹系數(shù)。類似于無(wú)定型玻璃往往有較小的膨脹系數(shù)。 多晶石英的多晶石英的值為值為12 10-6/K； 而無(wú)定型石英玻璃的而無(wú)定型石英玻璃的值只有值只有0.5 10-6/K。3. 3. 晶態(tài)轉(zhuǎn)變晶態(tài)轉(zhuǎn)變整理ppt4. 4. 各向異性的影響各向異性的影響 石

15、墨垂直于石墨垂直于c軸方向的軸方向的l=1.0 10-6/K； 而平行而平行c軸方向的軸方向的l=27 10-6/K。 常溫下因熱應(yīng)力較大而強(qiáng)度不高；常溫下因熱應(yīng)力較大而強(qiáng)度不高； 高溫時(shí)內(nèi)應(yīng)高溫時(shí)內(nèi)應(yīng) 力消除，強(qiáng)度反而升高。力消除，強(qiáng)度反而升高。各向同性立方晶系：各向同性立方晶系：V 3l各向異性晶體：各向異性晶體：V = a + b + c六方晶體：六方晶體：V = / + 2 （見(jiàn)習(xí)題（見(jiàn)習(xí)題P52-6P52-6）整理ppt5. 5. 有序有序- -無(wú)序轉(zhuǎn)變無(wú)序轉(zhuǎn)變: :如如Au-Cu有序合金加熱到有序合金加熱到300時(shí)有序開(kāi)始破壞。達(dá)時(shí)有序開(kāi)始破壞。達(dá)480時(shí)完全無(wú)時(shí)完全無(wú)序化。拐折點(diǎn)

16、對(duì)應(yīng)有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的上臨界溫度，常稱有序序化。拐折點(diǎn)對(duì)應(yīng)有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的上臨界溫度，常稱有序-無(wú)序轉(zhuǎn)無(wú)序轉(zhuǎn)變溫度。變溫度。Cu-Zn合金成分接近合金成分接近CuZn時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的固溶體，低溫時(shí)為有序狀態(tài)，銅原子在每個(gè)單胞的結(jié)點(diǎn)上，鋅原子固溶體，低溫時(shí)為有序狀態(tài)，銅原子在每個(gè)單胞的結(jié)點(diǎn)上，鋅原子在中心。隨在中心。隨T升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序，吸收熱量。屬于二級(jí)相變。升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序，吸收熱量。屬于二級(jí)相變。l/lT/300500Au-50%CuCu-50%ZnFe-25%Al(a). 有序無(wú)序轉(zhuǎn)變膨脹曲線有序無(wú)序轉(zhuǎn)變膨脹曲線整理ppt6. 6. 鐵磁性轉(zhuǎn)變：鐵磁性轉(zhuǎn)

17、變：多數(shù)金屬和合金的膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與熱容一樣按多數(shù)金屬和合金的膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與熱容一樣按T3規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會(huì)出現(xiàn)反常膨脹。目前解釋是規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會(huì)出現(xiàn)反常膨脹。目前解釋是磁致磁致伸縮伸縮抵消了合金的熱膨脹。具有負(fù)反常膨脹特性合金可用于獲抵消了合金的熱膨脹。具有負(fù)反常膨脹特性合金可用于獲得膨脹系數(shù)為零或負(fù)值的因瓦得膨脹系數(shù)為零或負(fù)值的因瓦(Invar)合金，或在一定溫度范合金，或在一定溫度范圍內(nèi)不變的可伐合金圍內(nèi)不變的可伐合金(Kovar alloy)。NiFeCo100060014001200T/K680520920整理ppt鋼組織的膨脹特性鋼組織的膨脹特性 鋼的膨脹特性取決于組成