材料的熱學(xué)性能課件

1GeneralCharactersofMaterials1GeneralCharactersofMateria12本書(shū)主要內(nèi)容材料的幾類(lèi)主要性能：熱學(xué)性能力學(xué)性能電性能磁性學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類(lèi)性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。2本書(shū)主要內(nèi)容材料的幾類(lèi)主要性能：2第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱平衡——?jiǎng)討B(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。化學(xué)平衡——化學(xué)組成和物質(zhì)數(shù)量不隨時(shí)間變化。第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)3熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(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。熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(xué)第一定律——能量守恒，只說(shuō)明了功、熱轉(zhuǎn)4系統(tǒng)的自由能定義：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。系統(tǒng)的自由能定義：G=H-TS51.1.4熱性能的物理本質(zhì)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：溫度↑，動(dòng)能↑→頻率、振幅↑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

1.1.4熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì)——晶格熱振動(dòng)溫6第一章材料的熱學(xué)性能課件71.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量的物質(zhì)在一定條件下溫度升高1度所需要的熱，是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理量，用符號(hào)C表示，單位是J·K-1。

摩爾熱容：

1摩爾物質(zhì)的熱容，用Cm表示，單位是J·mol-1·K-1。

比熱容：

1千克物質(zhì)的熱容，用c表示，單位是J·kg-1·K-1。定壓熱容和定容熱容：等壓條件下的熱容稱(chēng)定壓熱容，用符號(hào)Cp表示；等容條件下的熱容稱(chēng)定容熱容，用符號(hào)CV表示。對(duì)于固體和液體來(lái)說(shuō)，Cp和CV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)，Cp,m?CV,m=R，其中R是理想氣體常數(shù)

1.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量8

熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論1.

杜隆-珀替定律：

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?。晏娑桑ㄔ氐臒崛荻桑汉銐合略氐脑訜崛轂?/p>

。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。元素HBCOFSiPSCl9.611.37.516.720.915.922.522.520.4熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論1.杜隆-珀替定律：元素HB92.柯普定律：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。2.柯普定律：10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)典理論很好的進(jìn)行解釋?zhuān)枰昧孔永碚搧?lái)解釋。用途：11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愛(ài)因斯坦量子熱容模型12熱容的量子理論

1)愛(ài)因斯坦熱容模型：基本觀點(diǎn)：原子的振動(dòng)是獨(dú)立而互不依賴(lài)的；具有相同的周?chē)h(huán)境，振動(dòng)頻率都是相同的；振動(dòng)的能量是不連續(xù)的、量子化的。結(jié)論：高溫時(shí)，Cv=3R，與杜隆-珀替公式相一致。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。T→0K時(shí)，Cv也趨近于0，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。熱容的量子理論1)愛(ài)因斯坦熱容模型：13思考:導(dǎo)致低溫情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差的原因？第一章材料的熱學(xué)性能課件14熱容的量子理論2）德拜比熱模型基本觀點(diǎn)：晶體中原子具有相互作用，晶體近似為連續(xù)介質(zhì)。由于晶格中對(duì)熱容的主要貢獻(xiàn)是彈性波的振動(dòng)，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)。。熱容的量子理論2）德拜比熱模型15結(jié)論：溫度較高時(shí)，即T》θD時(shí)，Cv=3R，即杜隆-珀替定律。溫度較低時(shí)，即T《θD時(shí)，Cv與T3成正比并隨T→0而趨于0.溫度越低，與實(shí)驗(yàn)值越吻合。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）。結(jié)論：16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。材料的熱容不17

材料的熱容1.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。加熱窯多用硅藻土，泡沫剛玉等。

固體材料熱容Cp與溫度T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：Cp的單位為4.18J/(K.mol)材料的熱容1.無(wú)機(jī)材料的熱容18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

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。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

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。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)19材料的熱容2.金屬和合金的熱容

1）金屬的熱容

Ⅰ區(qū)CV∝TⅡ區(qū)CV∝T3

Ⅲ區(qū)CV>3R

對(duì)于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時(shí)有：α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?shí)驗(yàn)測(cè)得。材料的熱容2.金屬和合金的熱容α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?shí)20關(guān)于金屬熱容的說(shuō)明：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。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。關(guān)于金屬熱容的說(shuō)明：212）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，

C2，…,Cn分別為各組元的摩爾熱容，這就稱(chēng)為紐曼－柯普定律。說(shuō)明：定律的普適性熱處理對(duì)于合金在高溫下的熱容沒(méi)有明顯的影響2）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223）組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響

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

對(duì)于二級(jí)相變：比熱也有變化，但為有限值3）組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響對(duì)于一級(jí)相變：在相變點(diǎn)，熱231.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)

1）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。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)得出式中：αl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，物體體積隨溫度的增加可表示為

式中：αV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。1.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)24如果物體是立方體，有

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αa,、αb、αc，則

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Si3N4的=2.7×10-6K-1，在陶瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)定性也好。如果物體是立方體，有251.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)

1）唯象解釋?zhuān)簾崤蛎浀谋举|(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。在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r0兩側(cè)：

r<r0

斜率大，斥力隨位移增大很快；

r>r0

斜率小，引力隨位移增加慢。因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。1.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)26Curve勢(shì)能一原子間距離曲線假想的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋Curve勢(shì)能一原子間距離曲線假想的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋271.3材料的熱膨脹3.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：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)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較??；聚合物材料則較大。

2）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系平衡位置隨溫度的變化鍵強(qiáng)與熱膨脹1.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系平衡位置隨溫度的變28溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越大。熱膨脹系數(shù)與熱容密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律。溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越291.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律

熱傳導(dǎo)：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)向低溫度區(qū)傳播。穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律非穩(wěn)態(tài)傳熱1.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律301.4材料的導(dǎo)熱性

2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)：

λ:聲子熱導(dǎo)率，λr：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。1.4材料的導(dǎo)熱性2導(dǎo)熱的微觀機(jī)制λ:聲子熱31聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類(lèi)似于在固體中傳播的聲波。因此，就把聲頻波的量子稱(chēng)為聲子。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點(diǎn)的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。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)）：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聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類(lèi)似于在固體中傳32光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動(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(lèi)似，也有光的散射、衍射、吸收、反射和折射等，故稱(chēng)為光子傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點(diǎn)的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。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）：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。光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)33

純金屬

a)溫度對(duì)于純銅，分為三個(gè)區(qū)

Ⅰ區(qū)T增大，λ增大

Ⅱ區(qū)T增大，λ不變

Ⅲ區(qū)T增大，λ減小

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)。

b)晶粒大?。壕Я４执?，熱導(dǎo)率高

c)各向異性：立方晶系與晶向無(wú)關(guān)，非立方各向?qū)浴?/p>

d)雜質(zhì)：強(qiáng)烈影響影響熱導(dǎo)率的因素純金屬影響熱導(dǎo)率的因素34銅合金的性能

Propertiesofcopperalloy材料組成熱膨脹系數(shù)×10-6/℃熱導(dǎo)率W/(m·K)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)率的因素銅合金的性能組成熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率電導(dǎo)率純銅Cu17.03835

合金

a)無(wú)序固溶體：濃度增加，熱導(dǎo)率減小，最小值一般在50%處。

b)有序固溶體：熱導(dǎo)率提高，最大值對(duì)應(yīng)于有序固溶體的成分。

c)鋼中的合金元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱導(dǎo)率。奧氏體<淬火馬氏體<回火馬氏體<珠光體影響熱導(dǎo)率的因素合金影響熱導(dǎo)率的因素36無(wú)機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)：

1）傳導(dǎo)機(jī)制：導(dǎo)熱主要靠聲子，還有光子導(dǎo)熱。

2）熱導(dǎo)率的影響因素：

a)溫度：?jiǎn)尉l2O3

分為四個(gè)溫度區(qū)間迅速上升區(qū)極大值區(qū)迅速下降區(qū)緩慢下降區(qū)

b)化學(xué)組成：對(duì)于無(wú)機(jī)非金屬材料：材料結(jié)構(gòu)相同，相對(duì)原子質(zhì)量小，密度小，彈性模量大，德拜溫度越高，熱導(dǎo)率越大。輕元素的固體和結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率大。對(duì)于固溶體：降低熱導(dǎo)率影響熱導(dǎo)率的因素?zé)o機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)：影響熱導(dǎo)率的因素37

c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率下降。

d)非晶熱傳導(dǎo)有其特殊性：①不考慮光子導(dǎo)熱，在所有溫度下，非晶導(dǎo)熱低于晶體；②在較高溫度下熱導(dǎo)率比較接近③非晶熱導(dǎo)隨溫度變化沒(méi)有出現(xiàn)極值。影響熱導(dǎo)率的因素c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率38各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響；晶格振動(dòng)無(wú)機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。熱傳導(dǎo)依賴(lài)于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：電子與聲子的共同貢獻(xiàn)低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率39熱導(dǎo)率的測(cè)量穩(wěn)態(tài)法：理論基礎(chǔ)：傅里葉熱傳導(dǎo)定律關(guān)鍵因素：控制溫度的穩(wěn)態(tài)需測(cè)量樣品的幾何尺寸熱導(dǎo)率的測(cè)量穩(wěn)態(tài)法：40熱導(dǎo)率的測(cè)量非穩(wěn)態(tài)法：實(shí)驗(yàn)依據(jù)：試樣溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化(測(cè)出熱端熱波衰減過(guò)程的波長(zhǎng)和波速就可以得出熱導(dǎo)率）關(guān)鍵因素：如何實(shí)現(xiàn)熱量的一維傳播如何實(shí)現(xiàn)熱端溫度隨時(shí)間按簡(jiǎn)諧形式變化的邊界條件需測(cè)量樣品的比熱容和密度熱導(dǎo)率的測(cè)量非穩(wěn)態(tài)法：411.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：

熱穩(wěn)定性：材料承受溫度急驟變化而不致破壞的能力.(抗熱震性）熱沖擊損壞類(lèi)型：

1）抗熱沖擊斷裂性：抵抗材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂的能力

2）抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂，剝落并不斷發(fā)展，最終失效或斷裂；材料抵抗這類(lèi)破壞的能力。紅外窗口的抗壓ZnS，165度保溫1小時(shí)，投入19度的水中，不能有微裂紋；火箭噴嘴：瞬時(shí)承受3000-4000K溫差的熱沖擊，同時(shí)還要經(jīng)受高速氣流和化學(xué)腐蝕作用。日用瓷：不斷升溫，投到水中，直至裂紋出現(xiàn)，其前一次溫度來(lái)表征其熱穩(wěn)定性耐火材料：加熱850度，保溫，水中3分鐘或空氣中5-10分鐘，重復(fù)到失重20%為止1.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：421.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：

熱應(yīng)力：僅由材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致：斷裂破壞或者塑性變形熱應(yīng)力的來(lái)源：

1）因熱脹冷縮受到限制而產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)這根桿的溫度從T0改變到T1時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：T0T’T’

T’>T0時(shí)，σ<0，桿受壓應(yīng)力

T’<T0時(shí)，σ>0，桿受拉應(yīng)力1.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：T0T’T’T’431.5材料的熱穩(wěn)定性

2）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，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時(shí)（如淬火），表面受拉應(yīng)力，相鄰內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力。

3）多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力ABABAB1.5材料的熱穩(wěn)定性2）因溫度梯度而產(chǎn)生的441.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

1）第一熱應(yīng)力抵抗因子R：

當(dāng)最大熱應(yīng)力值σmax<σf(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。

R：第一熱應(yīng)力因子；μ：泊松比；a:熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：R：第451.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

熱穩(wěn)定性除與ΔTmax相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：

a)材料熱導(dǎo)率λ：

λ增加，其熱應(yīng)力小

b)傳熱的途徑：材料愈薄，愈易達(dá)到溫度均勻

c)材料表面散熱率：表面熱傳遞系數(shù)h,h越大，其熱穩(wěn)定性越差。如材料樣品的厚度為rm,則有畢奧模數(shù)β

顯然，β大，對(duì)熱穩(wěn)定性不利

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：顯然，β461.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

單位：(J/cm/S),如考慮樣品的形狀則有：

S為非平板樣品的形狀因子。討論：具有高的熱導(dǎo)率λ,高的斷裂強(qiáng)度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模E，則具有高熱沖擊斷裂性能。

3）第三熱應(yīng)力抵抗因子R``（明確最大冷卻速率）1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：S為非平474.抗熱沖擊損傷性適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。瞬時(shí)不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。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，熱應(yīng)力因子減小。1.5材料的熱穩(wěn)定性4.抗熱沖擊損傷性1.5材料的熱穩(wěn)定性48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)。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傷性。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。1.考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)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)。1.考慮問(wèn)題49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。

RE/2(1－)材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。

RE×2eff/2(1－)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)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。2.505.材料熱穩(wěn)定性的測(cè)定陶瓷熱穩(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：①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)；②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；③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。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5.材料熱穩(wěn)定性的測(cè)定1.5材料的熱穩(wěn)定性511.6熱分析技術(shù)的應(yīng)用ICTA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(lèi)技術(shù)。說(shuō)明：程序控制溫度：固定加熱或冷卻速率物理性質(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。溫度探測(cè)：熱電偶（原理是什么？）

1.6熱分析技術(shù)的應(yīng)用ICTA定義：熱分析是在程序控制溫度52熱分析分類(lèi)：熱重測(cè)量法（TG）差熱分析法（DTA）差示掃描量熱法（DSC）熱分析分類(lèi)：熱重測(cè)量法（TG）53熱重測(cè)量法測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量——溫度（m=f（T)）質(zhì)量而不是重量TG曲線示意圖熱重測(cè)量法測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量——溫度（m=f（T)）TG曲線示意54差熱分析物質(zhì)與參比物之間的溫度差——溫度（△T~T或t）DTA示意圖差熱分析物質(zhì)與參比物之間的溫度差——溫度DTA示意圖55DTA曲線的幾何要素：(1)零線：理想狀態(tài)ΔT=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：TS<TR,ΔT＜0時(shí)的曲線部份；(4)放熱峰：TS>TR,ΔT>0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(ΔT)/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)的溫度稱(chēng)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。DTA曲線的幾何要素：56DTA曲線中信息：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。DTA的特點(diǎn)：簡(jiǎn)便快捷、重復(fù)性差、分辨率低、熱量定量難。DTA曲線中信息：57差示掃描量熱法加入物質(zhì)與參比物之間的能量差——溫度詳細(xì)定義：在程序控制溫度下，測(cè)量輸給物質(zhì)與參比物的功率差與溫度的一種技術(shù)。分類(lèi)：根據(jù)所用測(cè)量方法的不同1.功率補(bǔ)償型DSC2.熱流型DSC差示掃描量熱法加入物質(zhì)與參比物之間的能量差——溫度58

基本原理DTA存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：1）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)K值變化，難以進(jìn)行定量；2）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)熱效應(yīng)測(cè)量的靈敏度和精確度?！沟貌顭峒夹g(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。基本原理DTA存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：59基本原理為了克服差熱缺點(diǎn)，發(fā)展了DSC。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，使得試樣與參比物之間無(wú)溫差、無(wú)熱交換，試樣升溫速度始終跟隨爐溫線性升溫，保證了校正系數(shù)Ｋ值恒定。測(cè)量靈敏度和精度大有提高。基本原理為了克服差熱缺點(diǎn)，發(fā)展了DSC。該法對(duì)試樣產(chǎn)生的熱效60功率補(bǔ)償型DSC儀器的主要特點(diǎn)

1.試樣和參比物分別具有獨(dú)立的加熱器和傳感器。整個(gè)儀器由兩套控制電路進(jìn)行監(jiān)控。一套控制溫度，使試樣和參比物以預(yù)定的速率升溫，另一套用來(lái)補(bǔ)償二者之間的溫度差。

2.無(wú)論試樣產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，試樣和參比物都處于動(dòng)態(tài)零位平衡狀態(tài)，即二者之間的溫度差T等于0。這是DSC和DTA技術(shù)最本質(zhì)的區(qū)別。功率補(bǔ)償型DSC儀器的主要特點(diǎn)1.試樣和參比物分別具有獨(dú)立61熱流型DSC與DTA儀器十分相似，是一種定量的DTA儀器。不同之處在于試樣與參比物托架下，置一電熱片，加熱器在程序控制下對(duì)加熱塊加熱，其熱量通過(guò)電熱片同時(shí)對(duì)試樣和參比物加熱，使之受熱均勻。熱流型DSC與DTA儀器十分相似，是一種定量的DTA儀器。62縱坐標(biāo)：熱流率橫坐標(biāo)：溫度T(或時(shí)間t)峰向上表示吸熱向下表示放熱在整個(gè)表觀上，除縱坐標(biāo)軸的單位之外，DSC曲線看上去非常像DTA曲線。像在DTA的情形一樣，DSC曲線峰包圍的面積正比于熱焓的變化。DSC曲線縱坐標(biāo)：熱流率DSC曲線63DSC與DTA測(cè)定原理的不同DSC是在控制溫度變化情況下，以溫度（或時(shí)間）為橫坐標(biāo)，以樣品與參比物間溫差為零所需供給的熱量為縱坐標(biāo)所得的掃描曲線。DTA是測(cè)量T-T的關(guān)系，而DSC是保持T=0，測(cè)定H-T的關(guān)系。兩者最大的差別是DTA只能定性或半定量，而DSC的結(jié)果可用于定量分析。DSC與DTA測(cè)定原理的不同DSC是在控制溫度變化情況下，以64熱分析技術(shù)的應(yīng)用測(cè)定并建立合金相圖實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：相平衡熱彈性馬氏體相變的研究能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量馬氏體相變過(guò)程中的溫度信息有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的研究以熱效應(yīng)判斷有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變過(guò)程鋼中臨界點(diǎn)分析熱效應(yīng)與鋼中含碳量有關(guān)熱分析技術(shù)的應(yīng)用測(cè)定并建立合金相圖6566GeneralCharactersofMaterials1GeneralCharactersofMateria6667本書(shū)主要內(nèi)容材料的幾類(lèi)主要性能：熱學(xué)性能力學(xué)性能電性能磁性學(xué)習(xí)目的：了解材料的各類(lèi)性能；學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。2本書(shū)主要內(nèi)容材料的幾類(lèi)主要性能：67第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)熱平衡——?jiǎng)討B(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。第一章材料的熱學(xué)性能1.1熱學(xué)性能的物理基礎(chǔ)68熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(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。熱力學(xué)相關(guān)定律熱力學(xué)第一定律——能量守恒，只說(shuō)明了功、熱轉(zhuǎn)69系統(tǒng)的自由能定義：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。系統(tǒng)的自由能定義：G=H-TS701.1.4熱性能的物理本質(zhì)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：溫度↑，動(dòng)能↑→頻率、振幅↑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

1.1.4熱性能的物理本質(zhì)熱性能的物理本質(zhì)——晶格熱振動(dòng)溫71第一章材料的熱學(xué)性能課件721.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量的物質(zhì)在一定條件下溫度升高1度所需要的熱，是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理量，用符號(hào)C表示，單位是J·K-1。

摩爾熱容：

1摩爾物質(zhì)的熱容，用Cm表示，單位是J·mol-1·K-1。

比熱容：

1千克物質(zhì)的熱容，用c表示，單位是J·kg-1·K-1。定壓熱容和定容熱容：等壓條件下的熱容稱(chēng)定壓熱容，用符號(hào)Cp表示；等容條件下的熱容稱(chēng)定容熱容，用符號(hào)CV表示。對(duì)于固體和液體來(lái)說(shuō)，Cp和CV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)，Cp,m?CV,m=R，其中R是理想氣體常數(shù)

1.2材料的熱容熱容（Heatcapacity）：一定量73

熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論1.

杜隆-珀替定律：

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?。晏娑桑ㄔ氐臒崛荻桑汉銐合略氐脑訜崛轂?/p>

。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。元素HBCOFSiPSCl9.611.37.516.720.915.922.522.520.4熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論1.杜隆-珀替定律：元素HB742.柯普定律：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。2.柯普定律：75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)典理論很好的進(jìn)行解釋?zhuān)枰昧孔永碚搧?lái)解釋。用途：76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愛(ài)因斯坦量子熱容模型77熱容的量子理論

1)愛(ài)因斯坦熱容模型：基本觀點(diǎn)：原子的振動(dòng)是獨(dú)立而互不依賴(lài)的；具有相同的周?chē)h(huán)境，振動(dòng)頻率都是相同的；振動(dòng)的能量是不連續(xù)的、量子化的。結(jié)論：高溫時(shí)，Cv=3R，與杜隆-珀替公式相一致。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。T→0K時(shí)，Cv也趨近于0，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。熱容的量子理論1)愛(ài)因斯坦熱容模型：78思考:導(dǎo)致低溫情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差的原因？第一章材料的熱學(xué)性能課件79熱容的量子理論2）德拜比熱模型基本觀點(diǎn)：晶體中原子具有相互作用，晶體近似為連續(xù)介質(zhì)。由于晶格中對(duì)熱容的主要貢獻(xiàn)是彈性波的振動(dòng)，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)。。熱容的量子理論2）德拜比熱模型80結(jié)論：溫度較高時(shí)，即T》θD時(shí)，Cv=3R，即杜隆-珀替定律。溫度較低時(shí)，即T《θD時(shí)，Cv與T3成正比并隨T→0而趨于0.溫度越低，與實(shí)驗(yàn)值越吻合。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）。結(jié)論：81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。材料的熱容不82

材料的熱容1.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。加熱窯多用硅藻土，泡沫剛玉等。

固體材料熱容Cp與溫度T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：Cp的單位為4.18J/(K.mol)材料的熱容1.無(wú)機(jī)材料的熱容83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

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。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

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。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)84材料的熱容2.金屬和合金的熱容

1）金屬的熱容

Ⅰ區(qū)CV∝TⅡ區(qū)CV∝T3

Ⅲ區(qū)CV>3R

對(duì)于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時(shí)有：α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?shí)驗(yàn)測(cè)得。材料的熱容2.金屬和合金的熱容α和γ為熱容系數(shù)，由低溫?zé)崛輰?shí)85關(guān)于金屬熱容的說(shuō)明：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。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。關(guān)于金屬熱容的說(shuō)明：862）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，

C2，…,Cn分別為各組元的摩爾熱容，這就稱(chēng)為紐曼－柯普定律。說(shuō)明：定律的普適性熱處理對(duì)于合金在高溫下的熱容沒(méi)有明顯的影響2）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873）組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響

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

對(duì)于二級(jí)相變：比熱也有變化，但為有限值3）組織轉(zhuǎn)變對(duì)熱容的影響對(duì)于一級(jí)相變：在相變點(diǎn)，熱881.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)

1）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。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)得出式中：αl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，物體體積隨溫度的增加可表示為

式中：αV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。1.3材料的熱膨脹1.膨脹系數(shù)89如果物體是立方體，有

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αa,、αb、αc，則

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Si3N4的=2.7×10-6K-1，在陶瓷材料中是偏低的，因此熱穩(wěn)定性也好。如果物體是立方體，有901.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)

1）唯象解釋?zhuān)簾崤蛎浀谋举|(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。在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r0兩側(cè)：

r<r0

斜率大，斥力隨位移增大很快；

r>r0

斜率小，引力隨位移增加慢。因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。1.3材料的熱膨脹2.熱膨脹本質(zhì)91Curve勢(shì)能一原子間距離曲線假想的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋Curve勢(shì)能一原子間距離曲線假想的實(shí)際的熱膨脹現(xiàn)象解釋921.3材料的熱膨脹3.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：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)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較小；聚合物材料則較大。

2）熱膨脹與溫度、熱容的關(guān)系平衡位置隨溫度的變化鍵強(qiáng)與熱膨脹1.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與性能的關(guān)系平衡位置隨溫度的變93溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越大。熱膨脹系數(shù)與熱容密切相關(guān)并有著相似的規(guī)律。溫度T越低，tanθ越小，則α越小，反之，溫度T越高，則α越941.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律

熱傳導(dǎo)：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)向低溫度區(qū)傳播。穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律非穩(wěn)態(tài)傳熱1.4材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律穩(wěn)態(tài)傳熱——傅里葉定律951.4材料的導(dǎo)熱性

2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)：

λ:聲子熱導(dǎo)率，λr：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。1.4材料的導(dǎo)熱性2導(dǎo)熱的微觀機(jī)制λ:聲子熱96聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類(lèi)似于在固體中傳播的聲波。因此，就把聲頻波的量子稱(chēng)為聲子。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點(diǎn)的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。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)）：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聲子和聲子傳導(dǎo)把聲頻支格波看成是一種彈性波，類(lèi)似于在固體中傳97光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動(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(lèi)似，也有光的散射、衍射、吸收、反射和折射等，故稱(chēng)為光子傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是聲子-質(zhì)點(diǎn)的碰撞，熱阻是聲子-聲子的碰撞。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）：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。光子熱導(dǎo)固體中分子、原子和電子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)98

純金屬

a)溫度對(duì)于純銅，分為三個(gè)區(qū)

Ⅰ區(qū)T增大，λ增大

Ⅱ區(qū)T增大，λ不變

Ⅲ區(qū)T增大，λ減小

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)。

b)晶粒大小：晶粒粗大，熱導(dǎo)率高

c)各向異性：立方晶系與晶向無(wú)關(guān)，非立方各向?qū)浴?/p>

d)雜質(zhì)：強(qiáng)烈影響影響熱導(dǎo)率的因素純金屬影響熱導(dǎo)率的因素99銅合金的性能

Propertiesofcopperalloy材料組成熱膨脹系數(shù)×10-6/℃熱導(dǎo)率W/(m·K)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)率的因素銅合金的性能組成熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率電導(dǎo)率純銅Cu17.038100

合金

a)無(wú)序固溶體：濃度增加，熱導(dǎo)率減小，最小值一般在50%處。

b)有序固溶體：熱導(dǎo)率提高，最大值對(duì)應(yīng)于有序固溶體的成分。

c)鋼中的合金元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱導(dǎo)率。奧氏體<淬火馬氏體<回火馬氏體<珠光體影響熱導(dǎo)率的因素合金影響熱導(dǎo)率的因素101無(wú)機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)：

1）傳導(dǎo)機(jī)制：導(dǎo)熱主要靠聲子，還有光子導(dǎo)熱。

2）熱導(dǎo)率的影響因素：

a)溫度：?jiǎn)尉l2O3

分為四個(gè)溫度區(qū)間迅速上升區(qū)極大值區(qū)迅速下降區(qū)緩慢下降區(qū)

b)化學(xué)組成：對(duì)于無(wú)機(jī)非金屬材料：材料結(jié)構(gòu)相同，相對(duì)原子質(zhì)量小，密度小，彈性模量大，德拜溫度越高，熱導(dǎo)率越大。輕元素的固體和結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率大。對(duì)于固溶體：降低熱導(dǎo)率影響熱導(dǎo)率的因素?zé)o機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)：影響熱導(dǎo)率的因素102

c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率下降。

d)非晶熱傳導(dǎo)有其特殊性：①不考慮光子導(dǎo)熱，在所有溫度下，非晶導(dǎo)熱低于晶體；②在較高溫度下熱導(dǎo)率比較接近③非晶熱導(dǎo)隨溫度變化沒(méi)有出現(xiàn)極值。影響熱導(dǎo)率的因素c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率103各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響；晶格振動(dòng)無(wú)機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。熱傳導(dǎo)依賴(lài)于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：電子與聲子的共同貢獻(xiàn)低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。高分子材料熱導(dǎo)率很低熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率104熱導(dǎo)率的測(cè)量穩(wěn)態(tài)法：理論基礎(chǔ)：傅里葉熱傳導(dǎo)定律關(guān)鍵因素：控制溫度的穩(wěn)態(tài)需測(cè)量樣品的幾何尺寸熱導(dǎo)率的測(cè)量穩(wěn)態(tài)法：105熱導(dǎo)率的測(cè)量非穩(wěn)態(tài)法：實(shí)驗(yàn)依據(jù)：試樣溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化(測(cè)出熱端熱波衰減過(guò)程的波長(zhǎng)和波速就可以得出熱導(dǎo)率）關(guān)鍵因素：如何實(shí)現(xiàn)熱量的一維傳播如何實(shí)現(xiàn)熱端溫度隨時(shí)間按簡(jiǎn)諧形式變化的邊界條件需測(cè)量樣品的比熱容和密度熱導(dǎo)率的測(cè)量非穩(wěn)態(tài)法：1061.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：

熱穩(wěn)定性：材料承受溫度急驟變化而不致破壞的能力.(抗熱震性）熱沖擊損壞類(lèi)型：

1）抗熱沖擊斷裂性：抵抗材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂的能力

2）抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂，剝落并不斷發(fā)展，最終失效或斷裂；材料抵抗這類(lèi)破壞的能力。紅外窗口的抗壓ZnS，165度保溫1小時(shí)，投入19度的水中，不能有微裂紋；火箭噴嘴：瞬時(shí)承受3000-4000K溫差的熱沖擊，同時(shí)還要經(jīng)受高速氣流和化學(xué)腐蝕作用。日用瓷：不斷升溫，投到水中，直至裂紋出現(xiàn)，其前一次溫度來(lái)表征其熱穩(wěn)定性耐火材料：加熱850度，保溫，水中3分鐘或空氣中5-10分鐘，重復(fù)到失重20%為止1.5材料的熱穩(wěn)定性1.概念與表征：1071.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：

熱應(yīng)力：僅由材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致：斷裂破壞或者塑性變形熱應(yīng)力的來(lái)源：

1）因熱脹冷縮受到限制而產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)這根桿的溫度從T0改變到T1時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：T0T’T’

T’>T0時(shí)，σ<0，桿受壓應(yīng)力

T’<T0時(shí)，σ>0，桿受拉應(yīng)力1.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：T0T’T’T’1081.5材料的熱穩(wěn)定性

2）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，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時(shí)（如淬火），表面受拉應(yīng)力，相鄰內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力。

3）多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力ABABAB1.5材料的熱穩(wěn)定性2）因溫度梯度而產(chǎn)生的1091.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

1）第一熱應(yīng)力抵抗因子R：

當(dāng)最大熱應(yīng)力值σmax<σf(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。

R：第一熱應(yīng)力因子；μ：泊松比；a:熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：R：第1101.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

熱穩(wěn)定性除與ΔTmax相關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：

a)材料熱導(dǎo)率λ：

λ增加，其熱應(yīng)力小

b)傳熱的途徑：材料愈薄，愈易達(dá)到溫度均勻

c)材料表面散熱率：表面熱傳遞系數(shù)h,h越大，其熱穩(wěn)定性越差。如材料樣品的厚度為rm,則有畢奧模數(shù)β

顯然，β大，對(duì)熱穩(wěn)定性不利

1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：顯然，β1111.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

2）第二熱應(yīng)力抵抗因子R`：

單位：(J/cm/S),如考慮樣品的形狀則有：

S為非平板樣品的形狀因子。討論：具有高的熱導(dǎo)率λ,高的斷裂強(qiáng)度，低的熱膨脹系數(shù)和彈性模E，則具有高熱沖擊斷裂性能。

3）第三熱應(yīng)力抵抗因子R``（明確最大冷卻速率）1.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：S為非平1124.抗熱沖擊損傷性適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。瞬時(shí)不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。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，熱應(yīng)力因子減小。1.5材料的熱穩(wěn)定性4.抗熱沖擊損傷性1.5材料的熱穩(wěn)定性113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)。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傷性。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。1.考慮問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)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)。1.考慮問(wèn)題114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。

RE/2(1－)材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。

RE×2eff/2(1－)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)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。2.1155.材料熱穩(wěn)定性的測(cè)定陶瓷熱穩(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：①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)；②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