第二章 熱學(xué)性能

第二章熱學(xué)性能熱學(xué)性能包括熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)，其共同特點是這些性能和金屬中原子的熱振動密切相關(guān)，即熱學(xué)性能直接取決于晶格振動；

由于金屬及合金在發(fā)生相變時伴隨熱的吸收或釋放，因此可根據(jù)熱焓、熱容等參數(shù)變化來判斷相變類型，利用對熱或溫度的測量，確定相變的臨界點，從而研究相的析出、固溶、冷加工后的回復(fù)與再結(jié)晶等過程。12.1熱容與熱焓一、定義熱焓：等壓過程中，質(zhì)量為m的物體從0K升高到T時所需的熱量；H=U+PV平均熱容：單位質(zhì)量的物質(zhì)在沒有相變、沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下每升高一度所需熱量真實熱容：物體吸收或放出的熱量在數(shù)值上等于物體的焓變：定壓熱容：等壓條件下單位質(zhì)量的物質(zhì)在沒有相變、沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下每升高一度所需熱量，Cp定容熱容：等容條件下單位質(zhì)量的物質(zhì)在沒有相變、沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下每升高一度所需熱量，Cv摩爾熱容：1mol物質(zhì)在沒有相變、沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下每升高一度所需熱量，Cm(Cm,v

、Cm,p）2二、熱容的物理意義與實驗規(guī)律物理意義：反映了金屬中原子熱振動能量改變時所需的熱量；當(dāng)金屬被加熱時，金屬吸收的熱能主要為點陣所吸收，從而增加了金屬離子的振動能量（起主要作用），其次還為自由電子所吸收，增加自由電子的動能（次要作用）：C=Ci+Ce定容時，熱量用于增加內(nèi)能，提高其溫度定壓時，熱量主要用于增加內(nèi)能，提高其溫度，小部分用于金屬對外作膨脹功3實驗規(guī)律在不發(fā)生相變的條件下，對多數(shù)金屬摩爾熱容測試的結(jié)果表明：Cv和溫度的關(guān)系有相似的規(guī)律：在高溫區(qū)(高于Debye溫度）：Cv的變化很平緩，Cv≈3R低溫區(qū)（高于10K)：Cv∝T3接近0K

（低于10K)時：Cv∝T

0K時，Cv=0ⅢⅡⅠ其中Ⅱ、Ⅲ階段主要由晶格振動所貢獻，Ⅰ階段，由于離子振動漸趨于0，此時熱容主要由自由電子運動所貢獻4三、金屬及合金的熱容理論1、經(jīng)典熱容理論（Dulong-PetitLaw)基本假設(shè)：將固體中的原子看成是彼此孤立地做熱振動，并且認(rèn)為原子振動的能量是連續(xù)的，與氣體熱運動相似，因此直接將氣體熱容論應(yīng)用于金屬對1mol氣體，一個自由度平均動能為單原子理想氣體具有3個自由度，總動能為對固體金屬：其原子熱振動既有動能，又有勢能（位能），兩者不斷地相互轉(zhuǎn)換，且平均動能與平均勢能統(tǒng)計相等，總能量為3RT，所以金屬的摩爾熱容為3R結(jié)論：摩爾熱容為與溫度無關(guān)的一常數(shù)，只有在高溫范圍（Debye以上）適用，原因在于以氣體動力學(xué)確定熱容時，認(rèn)為運動著的質(zhì)點在一定范圍內(nèi)能量連續(xù)變化，不適用于金屬中的離子（尤其是在低溫下）52、Einstein量子熱容論假設(shè)：晶格中每個原子都在其格點作振動，單個原子的振動是獨立的，同時由于每個原子都具有相同的周圍環(huán)境，因而其振動頻率相同，原子振動的能量呈量子化，即原子以相同的頻率作互不依賴的振動愛因斯坦理論的不足之處是在Ⅱ溫區(qū)理論值較實驗值下降得過快。原因在于愛因斯坦模型假定原子振動互不相關(guān)，且以相同頻率振動，而實際晶體陣點間互相關(guān)聯(lián)，點陣波的頻率也有差異，在低溫表現(xiàn)得尤為顯著。此外，愛因斯坦也沒有考慮低頻振動對熱容的貢獻。63、Debye量子熱容論

假設(shè)：晶體中原子間存在彈性的斥力和引力，從而使原子的熱振動相互受牽連而達到相鄰原子間協(xié)調(diào)變形，因此晶體中原子振動看成是在各向同性連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性波，其振動能量是量子化的，具有量子的不連續(xù)性，同時原子振動的頻率不同，分布于0到γmax之間，在低溫時，參與低頻振動的原子較多，隨著溫度的升高，參與高頻振動的原子逐漸增多，當(dāng)溫度高于Debye特征溫度時，幾乎所有的原子均以γmax的頻率振動。7四、熱容的影響因素（一）、合金相的熱容：取決于合金組成相的性質(zhì)1、低溫下合金相的熱容

低溫時所有化合物、固溶體、中間相的熱容Cv=Cvi+Cve=αT3+γTα：離子振動熱容系數(shù)，γ電子熱容系數(shù)，其大小因組元不同有差別，生成共價鍵、離子鍵化合物時，電子熱容下降顯著2、高溫下合金相的熱容，服從Neuman—KoppLawCm=m1Cm1+m2Cm2+….=∑miCmimi為第i個組元的摩爾百分?jǐn)?shù)，適用于金屬與非金屬化合物、中間相、固溶體及由它們所組成的多相合金，但不適用于低溫條件或鐵磁合金8（二）、組織轉(zhuǎn)變對熱焓及熱容的影響：突變性金屬及合金組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生附加的熱效應(yīng)，由此使熱焓和熱容出現(xiàn)異常變化。1、一級相變與二級相變定義：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變時，化學(xué)勢相等，而化學(xué)勢的一級偏微商不相等，稱為一級相變：在一級相變時發(fā)生體積突變的同時還發(fā)生熵的突變μ1=μ2當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變時，化學(xué)勢相等，且化學(xué)勢的一級偏微商也相等，而化學(xué)勢的二級偏微商不相等稱為二級相變；

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一級相變通常在某一個特定溫度下完成，加熱到臨界點Tc時熱焓曲線出現(xiàn)躍變，同時熱容曲線呈現(xiàn)不連續(xù)變化，相變時熵與體積呈不連續(xù)變化，即相變進行時有相變潛熱和體積突變，如純金屬的凝固及熔化、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶轉(zhuǎn)變等；

二級相變通常在一個溫度范圍內(nèi)逐步完成，熱焓隨溫度的升高逐漸增大，即焓無突變，沒有熵和體積的突變，只有熱容的連續(xù)變化而無突變，如有序—無序轉(zhuǎn)變，鐵磁—順磁轉(zhuǎn)變等。其變化趨勢如左圖：a)一級相變b）二級相變102、熔化和凝固：在加熱溫度低于熔點或高于熔點時，加熱所需熱量隨溫度緩慢升高，在熔點Tm處，由于熔化金屬需要熔化熱，熱焓曲線產(chǎn)生拐折并徒直上升。液態(tài)和固態(tài)金屬的熱量變化曲線L和S相比，曲線L的斜率比S大，這說明液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)金屬的大。若自液態(tài)快冷而獲得非晶態(tài)金屬，則其焓沿虛線變化，故在低于熔點的任意溫度下，非晶態(tài)金屬熱容>晶體金屬熱容113、亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：過飽和固溶體的時效、M體和殘余A體的回火轉(zhuǎn)變、形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶普遍規(guī)律：溫度在室溫以上某一溫度范圍內(nèi)，如不發(fā)生相變，合金的熱容與溫度間呈線性關(guān)系，如發(fā)生相變，則熱容偏離直線規(guī)律。由于亞穩(wěn)態(tài)固溶體的能量較高，從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)時要放出熱量，因此試樣溫度升高時所需熱量小于無相變時的熱量，從而導(dǎo)致熱容曲線向下拐折。曲線1：有序---無序曲線2：無序—有序—無序12五、熱焓與比熱容的測量1、量熱計法為了確定溫度T時金屬的比熱容，要把試樣加熱到這個溫度，經(jīng)保溫后，放入裝有水或其它液體的量熱計中去。根據(jù)試樣的溫度T和量熱計最終的溫度Tf，由試樣轉(zhuǎn)移到量熱計介質(zhì)中的熱量Q，以及試樣的質(zhì)量m，求出比熱容：2、電加熱法把試樣放在電阻為R的螺旋管中，螺線管的電阻絲通入I(A)的電流，如加熱時間為t(s)，把質(zhì)量為m(kg)的試樣從溫度T1加熱到T2，若散入空氣中的熱損失不計，則133、Sykes法：高溫下測量比熱容為了確保電熱絲放出的全部熱量全部被試樣吸收，不使試樣散熱給周圍環(huán)境，則必須創(chuàng)造一個與試樣溫度保持一致，并與試樣同步升溫的條件：絕熱環(huán)境144、Smith法：測量金屬或合金的比熱容與相變潛熱此法的要點是在測量過程中要使容器壁內(nèi)外溫差保持不變，如認(rèn)為容器的導(dǎo)熱系數(shù)是常數(shù)，則由容器傳給試樣的熱流Ф，也應(yīng)當(dāng)是常數(shù)。在Ф和溫差Δθ均保持不變的條件下，把容器于Δtb時間內(nèi)加熱升溫Δθb所需要的熱量為：15六、熱分析：（把溫度（或熱）與其它物理性質(zhì)測定結(jié)合起來的方法）簡單熱分析：利用加熱或冷卻過程中熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫度變化和時間關(guān)系的一種分析技術(shù)；T-t16示差熱分析（DTA:DifferentialTemperatureAnalysis）：利用相同條件下加熱或冷卻時，試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差與溫度或時間的關(guān)系，對組織結(jié)構(gòu)進行分析技術(shù)；ΔT-t

或ΔT-T要求：標(biāo)樣在加熱過程中應(yīng)無相變，并且有和被測試樣相近的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，且不易氧化。17當(dāng)標(biāo)樣與被測試樣在共同加熱或冷卻過程中，在試樣尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變時，則試樣與標(biāo)樣間的溫差為0；當(dāng)加熱到某一溫度試樣發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由于產(chǎn)生吸熱或后放熱反應(yīng)，兩者間產(chǎn)生明顯溫度差，測定其溫差所對應(yīng)的溫度，則可確定轉(zhuǎn)變點。S為差熱曲線和基線之間的面積1)差熱曲線的峰面積S和熱效應(yīng)ΔH成正比;2)對于相同大小的熱效應(yīng)，S愈大說明儀器靈敏度越高，S值有時被稱為儀器系數(shù)。3)式中沒有升溫速率Ф，說明不管Ф如何，S值總是一定的。由于ΔT與Ф成正比，所以Ф越大，峰越尖銳。18DSC:DifferentialScanningCalorimetry(示差掃描量熱法)1920七、熱學(xué)性能分析的應(yīng)用常用于研究鋼在加熱或冷卻過程中的相變、合金亞穩(wěn)組織轉(zhuǎn)變、有序—無序轉(zhuǎn)變等1、建立合金相圖：確定液相線、固相線、共晶線、包晶線等21222、研究鋼的相變過程A：測量過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT)：測試不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變的開始時間與結(jié)束時間（孕育期、結(jié)束期）23由轉(zhuǎn)變動力學(xué)可知：在轉(zhuǎn)變量達50%時，轉(zhuǎn)變速率最快，此時對應(yīng)差熱曲線上的峰值50%24B：測定連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線（CCT）測試裝置同前，改變冷卻介質(zhì)，試樣加熱后可用不同的速度冷卻（爐冷、空冷等）25C：測定相變臨界點（Ms）鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的特點是，當(dāng)試樣冷卻到Ms點以下的溫度時，馬氏體轉(zhuǎn)變即瞬時完成。根據(jù)這一特點，若將鹽浴爐的溫度取在Ms點以下，當(dāng)試樣投入鹽浴之后，過冷奧氏體便有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體要放出熱量，試樣的溫度將高于標(biāo)準(zhǔn)樣，從而導(dǎo)致熱電勢差向著正向變化，如圖示。鹽浴溫度愈接近Ms點，馬氏體轉(zhuǎn)變量就愈少，熱效應(yīng)愈小，熱電勢差的變化也愈小。馬氏體轉(zhuǎn)變引起的正向電勢差所對應(yīng)的最高溫度即為Ms點263、研究有序---無序轉(zhuǎn)變

Cu-Zn合金成分接近CuZn時，形成具有體心立方點陣的固溶體，在低溫時為有序態(tài)，隨溫度升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序，此為吸熱過程：加熱到150℃以上時，CuZn相的有序度開始下降，并向無序化轉(zhuǎn)變，合金產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)使比熱容升高，在到達有序化溫度時，比熱容達最大值，然后急劇下降，更高溫度下的比熱容還在有序化曲線的延伸線上，說明在高溫下保留了短程有序。274、研究淬火鋼的回火從圖看到：若不發(fā)生轉(zhuǎn)變，比熱容應(yīng)該沿著直線變化，但由于加熱過程中產(chǎn)生了組織轉(zhuǎn)變，所以不同的溫度區(qū)間產(chǎn)生了三種不同的熱效應(yīng)，其中熱效應(yīng)Ⅰ對應(yīng)于淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，這時馬氏體的正方度減小，并從固溶體中析出ε碳化物相，熱效應(yīng)Ⅱ是殘余奧氏體分解引起的，即殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體和析出碳化鐵，熱效應(yīng)Ⅲ是由碳化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體以及位錯大量減少引起的。如預(yù)先將試樣在250℃回火2h，使殘余奧氏體發(fā)生分解，則熱效應(yīng)Ⅰ已全部消失，它說明回火時馬氏體己轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。熱效應(yīng)Ⅱ顯著減小，意昧著250℃回火時已有部分殘余奧氏體產(chǎn)生了分解，尚未分解的殘余奧氏體這時繼續(xù)分解為鐵素體和碳化鐵。曲線2和曲線1的熱效應(yīng)Ⅲ表明：250℃回火對碳化鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體沒有影響。285、測定鋼在加熱或冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變溫度由于珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體是吸熱過程，奧氏體分解為珠光體是放熱過程，曲線1上放熱峰的拐折點a1，所對應(yīng)的溫度為Ar1點，吸熱峰的拐折點a對應(yīng)的溫度為Ac1點。簡單熱分析曲線在加熱或冷卻過程個出現(xiàn)了停留，停留溫度分別為Ac1點和Ar1點，兩者從理論上講應(yīng)該相等(Ac1=Ar1)，但由于加熱和冷卻速度較快，以非平衡態(tài)進行，發(fā)生了相變滯后，使Ac1>Ar1296、研究冷變形后金屬的回復(fù)與再結(jié)晶金屬冷變形后存在彈性儲存能，使組織結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)態(tài)，儲存能主要表現(xiàn)為晶體缺陷增加所造成的點陣畸變能。在回復(fù)和再結(jié)晶過程中，點缺陷濃度和位錯密度逐漸降低，其儲存能以隨之以熱量形式釋放，測試其熱效應(yīng)，可了解回復(fù)與再結(jié)晶過程302.2熱膨脹一、熱膨脹及其物理本質(zhì)定義：材料在加熱或冷卻的過程中，其體積發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象；（無相變：正常熱膨脹）

組織轉(zhuǎn)變、相變過程也能產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)（異常）表征參數(shù)：平均線膨脹系數(shù)：

平均體脹系數(shù)：

真實線脹系數(shù)：

對立方晶系、各向同性材料：31特殊膨脹合金：因瓦合金：低膨脹系數(shù)，α<=1.8×10-6可伐合金（定脹合金）：在某一溫度范圍內(nèi)，其α接近于一恒定值（4.8×10-6）高膨脹合金：具有較高的膨脹系數(shù)（23~28×10-6）熱膨脹的物理本質(zhì)：金屬受熱時體積膨脹與離子振動有關(guān)，溫度升高，導(dǎo)致原子間距增大，產(chǎn)生膨脹，其根本原因在于原子熱振動時原子間的作用力成非線性，形成的勢能呈非對稱性，由于勢能曲線的非對稱性導(dǎo)致原子中心右移，從而使原子間距增大，出現(xiàn)膨脹3233二、熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系1、熱容：均為原子熱振動增加而引起的振幅增大和振動能量增大的結(jié)果式中：r是格律乃森常數(shù)，是表示原子非線性振動的物理量，一般物質(zhì)r在1．5—2．5，K為體積彈性模量，V為體積，C為等容熱容342、原子間結(jié)合力

A：熔點：原子間結(jié)合力越大，金屬熔點（Tm）越高，升高相同溫度使原子間距增量減小，膨脹系數(shù)越小，滿足極限方程：Tmαv=（VTm-V0）/V0=Const

對于立方、六方金屬，C≈0.06~0.076，正方金屬：C≈0.0276B：Debye特征溫度：原子間結(jié)合力與Debye特征溫度的平方成正比，故Debye特征溫度越高，膨脹系數(shù)越小C：硬度：原子間結(jié)合力越大，切變模量G越大，位錯運動阻力越大，塑性抗力越大，硬度越高，因而膨脹系數(shù)越小353、原子序數(shù)：熱脹系數(shù)是原子序數(shù)的周期性函數(shù)；同一族IA族元素原子序數(shù)增加，線脹系數(shù)增大；其它A族元素隨原子序數(shù)的增大，線脹系數(shù)下降；同一周期中過渡族金屬膨脹系數(shù)最小，堿金屬膨脹系數(shù)最大，原因在于堿金屬原子間結(jié)合力小，熔點低，而過渡族元素熔點高，同時存在未排滿的d、f層電子，結(jié)合力大，從而膨脹系數(shù)小。36三、熱膨脹的影響因素（一）、相變的影響1、多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)）：由于點陣結(jié)構(gòu)重排，金屬比容突變，導(dǎo)致膨脹系數(shù)不連續(xù)變化，具備一級相變的特征；Cv372、有序無序轉(zhuǎn)變：二級相變，相變時體積無突變，但膨脹系數(shù)在相變溫度區(qū)間有改變，從而在膨脹曲線上出現(xiàn)拐折383、磁性轉(zhuǎn)變：居里點Tθ處，隨溫度的升高，由鐵磁----順磁，從而產(chǎn)生磁致伸縮的逆效應(yīng)，即出現(xiàn)一附加的伸長或縮短（由相變引起），體現(xiàn)在膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系上，則出現(xiàn)反常：Ni、Co的熱膨脹峰向上，為正反常；Fe熱膨脹峰向下，為負反常39（二）、合金成分和組織的影響1、固溶體：絕大多數(shù)金屬形成單相固溶體時，其膨脹系數(shù)介于組元的膨脹系數(shù)之間，溶劑中溶入低膨脹系數(shù)的溶質(zhì)時，固溶體膨脹系數(shù)降低，反之升高；隨溶質(zhì)濃度的增加，其變化規(guī)律稍低于按算術(shù)相加規(guī)律的計算值，成凹曲線例：一般情況：在Al中溶入Cu、Si、Ni、Fe、Be；Cu中加Pd、Ni、Au均降低其熱膨脹系數(shù)；Cu中溶入Zn、Sn使其熱膨脹系數(shù)增大特殊情況：αSb<αCu，但Sb加入Cu中，增大Cu的膨脹系數(shù)，與Sb的半金屬性有關(guān)形成有序固溶體時：隨有序度的增加，原子間結(jié)合力增大，故其膨脹系數(shù)小于無序固溶體。402、多相合金：主要取決于組成相的膨脹系數(shù)及其體積百分比

合金組織為兩相機械混合時，其膨脹系數(shù)介于兩組成相的膨脹系數(shù)之間，近似符合直線規(guī)律

αalloy=α1*V1%+α2*V2%多相合金的熱脹系數(shù)對各相大小、分布及形狀不敏感，主要取決于組成相的性質(zhì)與數(shù)量。3、化合物：兩元素形成化合物時，因原子間呈嚴(yán)格的規(guī)則排列，其元素間相互作用比固溶體原子間的作用大，故其膨脹系數(shù)較之固溶體，將較大幅度的下降。（三）、晶體結(jié)構(gòu)的影響1、對稱性（點陣類型）：對立方、各向同性材料：

對六方、正方晶系：由于α11=α22≠α332、晶體缺陷：金屬經(jīng)（核）輻照或高溫淬火后，在室溫下可保留過飽和的點缺陷濃度，尤其是過飽和的空位濃度增大，使空位附近的原子間距增大，金屬體積增大，膨脹系數(shù)上升。41（四）、鋼的膨脹特性

鋼的顯微組織與熱處理有關(guān)：常見的有M，F(xiàn)+Fe3C（構(gòu)成P、索氏體、屈氏體、B）、A，其密度依次增大；因此在淬火得到M時，其體積增大；熱脹系數(shù)從小到大的順序為：M、Fe3C、F、P、A比容從大到小的順序為：M、Fe3C、F、P、A(比容為密度的倒數(shù))

鐵素體、滲碳體的比熱容固定，M、P、A的比熱容隨含碳量的增大而增大42固溶于鐵素體中的合金元素和滲碳體都使鋼的膨脹系數(shù)降低，而形成合金碳化物的合金元素使鋼的膨脹系數(shù)增大43四、熱膨脹的測量：機械式、光學(xué)式、電測式（一）、機械式（千分表指示測試法）44（二）、光學(xué)式測試法1、普通光學(xué)測量法：

水平位移：為標(biāo)樣的伸長量；由此伸長量可換算為加熱溫度

垂直位移：試樣的伸長量得到試樣伸長量△L----T45

2、示差光學(xué)測試法：如以O(shè)B代表試樣伸長，OA代表標(biāo)準(zhǔn)樣伸長，若試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣同時受熱膨脹，由于標(biāo)準(zhǔn)樣和試樣在縱坐標(biāo)上引起的光點位移相反，光點的位置在C點。并且光點實際位移代表試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣在縱坐標(biāo)上的投影差，故稱為示差。46（三）、電學(xué)測試方法1、電感式膨脹儀（依靠試樣的膨脹導(dǎo)致電感中鐵芯位移，產(chǎn)生差動變壓）2、電容式膨脹儀（依賴試樣膨脹導(dǎo)致電容器極板距離發(fā)生位移，使電容變化）47五、熱膨脹分析的應(yīng)用由于組織轉(zhuǎn)變都伴隨有明顯的體積效應(yīng)，根據(jù)這一特性，膨脹法對分析鋼的加熱、等溫、連續(xù)冷卻和回火過程中的轉(zhuǎn)變非常有利。（一）、確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度1、臨界轉(zhuǎn)變點（相變點的測定）

試樣在加熱或冷卻過程中長度的變化由溫度變化（正常熱脹冷縮）與組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積效應(yīng)（異常熱脹冷縮）引起；組織轉(zhuǎn)變前與組織完全轉(zhuǎn)變后，試樣體積或長度的變化單純由溫度引起，呈線性變化，在組織轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，附加了由組織轉(zhuǎn)變引起的異常熱脹冷縮，導(dǎo)致膨脹曲線偏離一般規(guī)律，拐折點對應(yīng)組織轉(zhuǎn)變的臨界點；2、碳鋼的膨脹曲線分析4849（二）、研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變1、等溫轉(zhuǎn)變的動力學(xué)曲線測試2、等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物數(shù)量的確定與C曲線的繪制50（三）、建立鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖與淬火膨脹曲線分析51淬火膨脹曲線分析：可確定Ms、Mf、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物百分比的確定TF下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物%=CF/EF*100%52（四）、研究淬火鋼的回火淬火鋼的原始組織：淬火M+殘余A回火過程中的三大效應(yīng)：淬火M---回火M；殘余A分解；碳化物的聚集與長大80--160℃溫度區(qū)間發(fā)生了體積收縮，冷卻膨脹曲線1表明溫度降低時，曲線不沿原加熱曲線回升，此時析出了碳化物相，體積收縮是由于碳化物析出，導(dǎo)致了馬氏體的正方度下降。230--280℃溫度區(qū)間發(fā)生了體積膨脹，它表明淬火組織中殘余奧氏體發(fā)生了分解。260--360℃溫度范圍出現(xiàn)了體積收縮。它說明馬氏體繼續(xù)分解為鐵素體和碳化鐵的混合物。加熱到535℃后，再緩慢地冷卻至室溫，冷卻膨脹曲線在200℃附近出現(xiàn)了明顯的拐折。它表明535℃回火鋼的組織已完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體，在以后的冷卻過程中滲碳體于200℃附近轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹊F磁相。53（五）、研究熱循環(huán)對材料的影響

熱循環(huán)在材料內(nèi)部將產(chǎn)生缺陷和內(nèi)應(yīng)力，隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，由于相變引起的膨脹幅度有規(guī)律地減小，最終完全消失，這是由于材料內(nèi)部未松弛應(yīng)力的作用使M體和A體都趨于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在更高溫度下加熱，則這種亞穩(wěn)定狀態(tài)可得到緩解或消除。圖中曲線(4)表示在第19次熱循環(huán)過程中，由于加熱到750℃，使得由從前的多次熱循環(huán)穩(wěn)定下來的馬氏體在較高的As點開始轉(zhuǎn)變，在隨后的冷卻過程中，還可以觀察到標(biāo)準(zhǔn)的馬氏體相變與第1次循環(huán)所觀察到的完全相同。54（六）、研究晶體缺陷晶體缺陷的存在或消失引起的晶體相對體積變化為10-4數(shù)量級。利用這種性質(zhì)可以確定形變試件或高溫淬火零件的空位或位錯密度。55（七）、研究快速升溫時金屬相變及合金時效動力學(xué)在焊接、電加熱(高頻)、熱疲勞及高速連續(xù)熱處理工藝中，由于升溫速度極快，所以研究鋼和合金快速加熱的相變非常重要。用快速膨脹儀測得的Fe-8％Co(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金的不同升溫速度對α--γ相變溫度的影響結(jié)果表明：隨升溫速度加快，相變溫度也向高溫推移，因為其相變機制是以擴散方式進行的。燃氣輪機葉片用鋼(0.06％C、10％Cr、20％Ni、3％Ti、0.4％A1、0.015％B，余為Fe)的加熱膨脹曲線和時效等溫膨脹曲線。經(jīng)高溫退火的固溶體，其加熱膨脹曲線于750℃出現(xiàn)一拐折，根據(jù)X射線相分析表明，這個拐點(體收縮)是金屬間化合物Ni3（Ti，Al)析出所引起的。時效等溫膨脹曲線實際上表明了Ni3（Ti，Al)相析出的動力學(xué)過程，700℃等溫時效時，Ni3（Ti，Al)相析出最劇烈。562.3熱傳導(dǎo)定義：由于材料相鄰兩部分間的溫差而發(fā)生的能量遷移與傳遞；Fourier定律：比例系數(shù)k稱為熱導(dǎo)率(亦稱導(dǎo)熱系數(shù))，反映了該材料的導(dǎo)熱能力。假設(shè)熱傳導(dǎo)過程中無輻射，傳熱速度很慢，密度不變，則結(jié)合熱力學(xué)第一定律（能量守恒）：

將Fourier定律代入：得到導(dǎo)熱微分方程：α=k/(ρCv)57

α稱為熱擴散率，亦稱導(dǎo)溫系數(shù)。它的物理意義是與不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程相聯(lián)系的。不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程是物體一方面有熱量傳導(dǎo)變化，同時又有溫度變化，熱擴散率正是把二者聯(lián)系起來的物理量。

它標(biāo)志溫度變化的速度。在相同加熱和冷卻條件下α愈大，物體各處溫差愈小。例如淬火時，鋼件的溫度是外部低、內(nèi)部高，若鋼的導(dǎo)溫系數(shù)大，則溫度梯度小，試樣溫度比較均勻；反之，則試樣溫差大。由于各種鋼的密度和比熱容相差不大，因此，對于鋼材可以認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)愈高，導(dǎo)溫系數(shù)也愈高。58一、導(dǎo)熱微觀機制:

固體組成質(zhì)點只能在其平衡位置附近作微小振動，不能如同氣體分子那樣雜亂的自由運動，因此不能像氣體靠分子直接碰撞來傳遞熱量。固體中的導(dǎo)熱主要是靠晶格振動的格波(也就是聲子)、自由電子的運動、光子（電磁輻射）來實現(xiàn)的。通常不考慮光子導(dǎo)熱，因為只有在極高溫下才可能存在光子導(dǎo)熱，如果固體的熱導(dǎo)率為k，則

k＝kPh十ke式中：kph為聲子熱導(dǎo)率，ke為電子熱導(dǎo)率59金屬的熱傳導(dǎo)：

純金屬：導(dǎo)熱主要靠自由電子

合金：聲子導(dǎo)熱作用增強（電子導(dǎo)熱為主）半金屬、半導(dǎo)體：聲子導(dǎo)熱、電子導(dǎo)熱作用相當(dāng)；絕緣體：聲子導(dǎo)熱電子的平均自由程由金屬中自由電子的散射過程決定：如果點陣完整，電子運動不受阻礙，平均自由程為無窮大，導(dǎo)熱系數(shù)也無限大；實際晶體點陣則由于熱運動引起陣點上原子的偏移，雜質(zhì)原子引起彈性畸變，位錯和晶界引起的點陣缺陷對電子導(dǎo)熱影響較大；60也可引入熱阻率：其大小表征材料對熱傳導(dǎo)的阻隔能力則合金固溶體的熱阻也可分為兩部分：基本熱阻（本征熱阻）：為基質(zhì)純組元的熱阻，與溫度有關(guān)；殘余熱阻：與溫度無關(guān)，與溶質(zhì)濃度有關(guān)61熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的關(guān)系：自由電子為主要載體研究結(jié)果：在較高的溫度下，金屬熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度，其比例常數(shù)不依賴于具體金屬，滿足Widemann—Franz定律：

L0為洛倫茲數(shù)當(dāng)溫度高于Debye溫度，且金屬導(dǎo)電率較高時，L0=2.45×10-8V2/K2（WΩ/K2）6263在較低溫度下，且金屬導(dǎo)電率較低時，L0為一變數(shù)，則對Widemann—Franz定律進行修正：

當(dāng)溫度高于Debye溫度，金屬導(dǎo)熱主要為自由電子，L0為常數(shù)，當(dāng)溫度較多地低于Debye溫度時，聲子參與導(dǎo)電，L0下降。6465二、熱導(dǎo)率的影響因素1、溫度由于在費米能EF>>kT的情況下，電子熱容Ce與溫度T成正比，一般情況下電子速度Ve為一常數(shù)，則根據(jù)：由于物理、化學(xué)缺陷與點陣振動對電子的散射，限制了電子的平均自由程。克勒蒙斯指出：在低溫情況下缺陷對電子散射同樣滿足魏德曼—弗朗茲定律，則：

令：則由于低溫下基本熱阻：則66在Debye溫度以上的高溫下，由于基本電阻率則一般說來，純金屬由于溫度升高而使平均自由程減小的作用超過溫度的直接作用，因而純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。合金的導(dǎo)熱系數(shù)則不同，由于異類原子的存在，平均自由程受溫度的影響相對減小，溫度本身的影響起主導(dǎo)作用，因此κ隨溫度的升高而升高

67682、原子結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)的影響：自由電子起主要作用，與導(dǎo)電率密切相關(guān)由圖可見：具有一個價電子的Au、Ag、Cu的導(dǎo)熱系數(shù)最高；導(dǎo)電性能良好的Al、W等導(dǎo)熱系數(shù)也比較高；德拜溫度較高的單質(zhì)，如Be和金剛石也都具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。693、合金成分和晶體結(jié)構(gòu)（1）合金中加入雜質(zhì)元素，使殘余熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低；

合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異大，則晶格畸變大，對電子、聲子散射大，導(dǎo)熱系數(shù)降幅大；合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異小，則晶格畸變小，對電子、聲子散射小，導(dǎo)熱系數(shù)降幅不大；如基體熱傳導(dǎo)系數(shù)大，合金元素影響較大；（2）合金發(fā)生無序----有序轉(zhuǎn)變時，由于點陣的周期性增強，使傳導(dǎo)電子的平均自由程增大，使其導(dǎo)熱系數(shù)比無序時明顯增大；7071

對液、固態(tài)下無限互溶的固溶體，其變化規(guī)律與電阻率變化規(guī)律(P46)相反（熱導(dǎo)率在溶質(zhì)濃度50%處為最小值）（3）、晶粒大小：晶粒越粗大，熱導(dǎo)率越高，晶粒越細小，熱導(dǎo)率越低；（4）、立方晶系、各向同性材料，熱導(dǎo)率與晶向無關(guān)；其他晶系，則出現(xiàn)各向異性；72三、熱導(dǎo)率的測量：利用穩(wěn)態(tài)傳熱方法

控制加熱功率，使半無限大試樣在Y軸方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)傳熱，即加熱與傳出熱量始終相等，滿足：則

T=AY+BX軸Y軸73代入邊界條件：y=0T=T1y=H(厚度）T=T2溫度場：根據(jù)Fourier定律：式中q與加熱功率有關(guān)（W/S)，H、T1、T2可測，故κ可求。742.4熱電性定義：在金屬導(dǎo)體組成的回路中，存在溫差或通以電流時，會產(chǎn)生熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)；熱電性為組織敏感參量，可通過熱電勢的變化研究金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化；一、三大熱電效應(yīng)1、Seeback效應(yīng)（溫差電現(xiàn)象、第一熱效應(yīng)，1821年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：在兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的回路中，當(dāng)兩個接觸點處于不同溫度時，回路中就有電流通過，產(chǎn)生這種電流的電動勢稱為熱電勢。如果兩種材料A和B完全均勻，則回路中熱電勢EAB的大小僅與兩個接觸點的溫度T1和T2有關(guān)，由于兩種金屬中電子密度不同和逸出功不同，電子從一種金屬越過界面向另一種金屬遷移，故在接點處形成與溫度有關(guān)的接觸電勢。倘若回路的兩接觸點溫度不同，接觸電勢的代數(shù)和不等于零，所產(chǎn)生的接觸電勢差就是熱電勢。當(dāng)兩接點的溫差不大時，熱電勢與溫差成正比，即：

SAB不僅取決于兩種材料的特性，且與溫度有關(guān)，稱為塞貝克系數(shù)，其物理意義為兩種材料的相對熱電勢率。75

與塞貝克效應(yīng)相關(guān)的基本規(guī)律是：①要確定塞貝克熱電勢的大小必須保證A、B兩種材料的化學(xué)成分和物理狀態(tài)完全均勻，否則將要疊加一個難以確定的附加電勢，稱為均質(zhì)導(dǎo)體定律；②如果在回路中引入第三種金屬導(dǎo)體，那么只要第三種金屬接入的兩端溫度相同，則對原回路所產(chǎn)生的熱電勢將不發(fā)生影響，稱為中間導(dǎo)體定律；③只要兩種材料均質(zhì)，兩端溫度恒定，即使回路中某一部分處于任何其他溫度，原回路產(chǎn)生的熱電勢不變，稱為中間溫度定律。762、Peltier效應(yīng)（第二熱效應(yīng)，1834年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：當(dāng)兩種不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過時，將使兩種金屬的其中一接頭處放熱，另一接頭處吸熱（除了因電流流經(jīng)電路而產(chǎn)生的焦耳熱外，還會在接觸點額外產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)）。電流方向相反，則吸、放熱接頭改變，這種效應(yīng)稱為Peltier效應(yīng)，它滿足：

經(jīng)過一段時間后，在放熱端會上升△T1，吸熱端下降一△T2（即熱端更熱、冷端更冷）773、Thomson效應(yīng)（第三熱電效應(yīng)，1851年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端存在溫差時，若通以電流，則在該段導(dǎo)線中將產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)；當(dāng)電流方向與導(dǎo)線中熱電流方向一致時產(chǎn)生放熱反應(yīng)，方向相反時產(chǎn)生吸熱反應(yīng)。熱效應(yīng)大小與材質(zhì)、溫度梯度有關(guān)，滿足：放熱吸熱Seeback效應(yīng)=Peltier效應(yīng)+Thomson效應(yīng)熱電轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于加熱、制冷（半導(dǎo)體、電制冷）、溫差發(fā)電T1T2﹥IT1﹥T2I78二、影響熱電勢因素由接觸電位差引起的熱電勢依賴于離子熱振動（聲子）和電子的擴散，由于聲子熱流的定向運動挾帶傳導(dǎo)電子，從而使熱電勢隨溫度升高而增大；熱電勢取決于金屬或合金的成分、組織狀態(tài)，同時磁場、有序化過程、冷加工、電子濃度等也有影響。1、材料本性的影響

由于材料電子逸出功、電子密度的不同，導(dǎo)致熱電勢差異，純金屬熱電勢按以下順序排列，任一后者的熱電勢相對于前者為負；

Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al、Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、B