材料性能與測試課件-第十一章材料的熱性能

第十章材料的熱學性能1§引言

材料熱學性能主要有熱容、熱膨脹、熱傳導。也是材料物理性能的重要組成部分。熱傳導是熱量傳遞的三種基本方式之一；熱性能在材料相變研究有重要的理論意義；工程上應(yīng)用廣泛，如航天耐熱導熱隔熱材料，可抵御高熱、保護人機安全，節(jié)約能源；冶金工業(yè)中耐火材料的設(shè)計；本章概括地介紹熱學性能的物理概念、影響因素、測量方法以及在材料研究中的應(yīng)用。2§目錄

§11.1熱學性能的物理基礎(chǔ)§11.2熱容§11.3熱膨脹§11.4熱傳導3§11.1熱學性能的物理基礎(chǔ)1.

晶格熱振動

固體材料的各種熱學性能，均與構(gòu)成材料的質(zhì)點(原子、離子)熱振動有關(guān)，點陣中的質(zhì)點(原子、離子)總是圍繞其平衡位置作微小振動。晶格熱振動是三維的，3個方向的線性振動簡諧振動方程：振動頻率隨Em(微觀彈性模量)的增大而提高m－質(zhì)量，x－質(zhì)點的位移量4彈性波(又稱晶格波，其能量量子稱為聲子)多頻率振動的組合波(1)聲頻支振動:如果振動著的質(zhì)點中包含頻率很低的格波，質(zhì)點彼此之間的位相差不大（2）光頻支振動:格波中頻率很高的振動波，質(zhì)點間的位相差很大，頻率往往在紅外光區(qū)，（3）聲頻支可以看成是相鄰原子具有相同的振動方向；光頻支可以看成相鄰原子振動方向相反，形成一個范圍很小、頻率很高的振動2.

彈性波5在沒有相變或化學反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時所吸收的熱量(Q)稱做該材料的熱容，單位為J/K，不同材料，熱容量不同

熱容表達式為：單位質(zhì)量材料的熱容又稱之為“比熱容”或“質(zhì)量熱容”,單位為J／(kg·K)；1mol材料的熱容則稱為“摩爾熱容”，單位為J／(mol·K)§11.2熱容1.

基本概念6同一種材料在不同溫度時的比熱容也往往不同，通常工程上所用的平均比熱容是指單位質(zhì)量的材料從溫度T1到T2所吸收的熱量的平均值:T1－T2的范圍愈大，精確性愈差當溫度T2無限趨近于T1時，材料的比熱容，即Q-熱量；E－內(nèi)能；H－焓加熱過程恒壓條件，所測定的比熱容稱為比定壓熱容(Cp)加熱過程容積不變時，所測定的熱容稱為比定容熱容(Cv)7恒壓加熱過程中，物體除溫度升高外，還要對外界作功(膨脹功)，每提高1K溫度需要吸收更多的熱量Cp＞Cv根據(jù)熱力學第二定律導出Cp和Cv的關(guān)系：αV＝dV/VdT,容積熱膨脹系數(shù)；Vm:摩爾容積；β＝-dV/Vdp，三向靜力壓縮系數(shù);8a.元素的熱容定律

杜隆—珀替定律：“恒壓下元素的原子熱容等于24.9J／(K·mol)”b.化合物熱容定律

柯普定律：“化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和”固體材料的熱容兩個經(jīng)驗定律9能量自由度均分，每一振動自由度的平均動能和平均位能都為(1/2)kT，一個原子有3個振動自由度，平均動能和位能的總和就等于3kT，一摩爾固體中有NA個原子總能量1mol單原子固體物質(zhì)的摩爾定容熱容為經(jīng)典熱容理論NA－阿伏加德羅常數(shù)6.02×1023/mol；k－波爾茲曼常數(shù)1.381×1023J/K；R－氣體常數(shù)8.314J/Kmol；認為：熱容是與溫度無關(guān)的常數(shù)，杜隆—珀替定律的實質(zhì)10對于雙原子的固態(tài)化合物，摩爾定容熱容為Cv、m

＝2×25J／（K·mol)，三原子固態(tài)化合物的摩爾定容熱容為Cv、m=3×25J／(K·mol)；杜隆—珀替定律在高溫時與實驗結(jié)果是很符合的，但在低溫下時卻相差較大，實驗結(jié)果表明．材料的摩爾熱容，是隨溫度而變化的112.

固體熱容的量子理論同一溫度下，物質(zhì)中不同質(zhì)點的熱振動頻率不同，同一質(zhì)點振動的能量在不同時刻，大小不同，而且振動能量是量子化的。1)愛因斯坦模型

愛因斯坦模型認為：晶體中每一個原子都是一個獨立的振子．原子都以相同的頻率振動。式中fE稱為愛因斯坦函數(shù)，R＝NAk，θE＝hv/k，愛因斯坦溫度；T很大時，CVm≈3R＝24.9J/mol·K,和杜-鉑定律符合12T很低時，依指數(shù)規(guī)律隨溫度而變化，而不是從試驗中得出的按T3變化的規(guī)律忽略振動之間頻率的差別是此模型在低溫時不準確的原因2)德拜(Debye)模型晶體中原子存在彈性斥力和引力，相互作用的．對熱容的主要貢獻是彈性波的振動，即聲頻支，在低溫下占主導地位．晶體近似視為連續(xù)介質(zhì)，聲頻支的振動近似地看作是連續(xù)的13式中fD稱為德拜比熱函數(shù)，x＝θD

/T,

R＝NAk，θD＝hv/k，德拜溫度；T很大時，CVm≈3R＝24.9J/mol·K,和杜-鉑定律符合;溫度很低時，符合實驗T立方規(guī)律金屬德拜溫度是金屬本征物理量，可間接反映原子間得結(jié)合力強弱，熔點高，結(jié)合力強，德拜溫度高；Ar－元素相對原子量，Vm－摩爾體積14德拜模型雖比愛因斯坦模型進步，能解釋部分金屬德實驗現(xiàn)象，但不完全適合其它化合物，因為把晶體看成連續(xù)介質(zhì)，對于原子振動頻率較高部分不適用，因此金屬在很高溫度(大于1000K)、極低溫度(小于5K)不符合。另外，實際材料多相，雜質(zhì)晶界影響，誤差大；忽略了電子運動能量對熱容的貢獻；符合得比較好得是陶瓷材料(離子鍵共價鍵，室溫下幾乎沒有自由電子)153.

熱容的影響因素(自學)

a.合金成分

b.相變，一級相變、二級相變；純鐵的熱容變化，既有一級相變，也有二級相變164.

熱容的測量1718195.

熱分析法的應(yīng)用根據(jù)材料在不同溫度下發(fā)生的熱量、質(zhì)量、體積等物理參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對材料進行分析研究。1）差熱分析（DTA）：在程序溫度控制下，測量試樣和參照物的溫度差隨溫度（T）或時間(t)的變化關(guān)系．2)差示掃描量熱法(DSC)：在程序溫度控制下用差動方法測量加熱或冷卻過程中，在試樣和標樣的溫度差保持為零時，所要補充的熱量與溫度和時間的關(guān)系的分析技術(shù)。3)熱重法(簡稱TG)：在程序控制溫度下測量材料的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)。20通過物質(zhì)在加熱或冷卻過程中出現(xiàn)各種的熱效應(yīng)，如脫水、固態(tài)相變、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等過程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來進行物質(zhì)鑒定．在陶瓷生產(chǎn)中可幫助確定各種原料配入量和制訂燒成制度．在金屬材料研究中，熱分析方法也有廣泛的用途．21§11.3熱膨脹1.

基本概念物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象22

質(zhì)點在平衡位置兩側(cè)時受力的情況并不對稱，在質(zhì)點平衡位置r0的兩側(cè)，合力曲線的斜率是不等的，當r＜r0

時，曲線斜率較大，r＞r0時，斜率較小，質(zhì)點振動時的平均位置就不在r0處而要向右移動．因此相鄰質(zhì)點間平均距離增加，溫度越高，振幅越大，質(zhì)點在r0兩側(cè)受力不對稱情況越顯著，平衡位置向右移動得越多，相鄰質(zhì)點間平均距離也就增加得越多，以致晶胞參數(shù)增大，晶體膨脹。溫度升高，質(zhì)點平均位置移動，晶體就膨脹；晶體中熱缺陷的形成將造成局部晶格的畸變和膨脹2.

熱膨脹機理233.

熱膨脹和其它性能關(guān)系1)熱膨脹和熱容的關(guān)系固體材料受熱引起的容積的膨脹是晶格振動加劇的結(jié)果，晶格振動的加劇是原子(離子)熱運動能量的增大，升高單位溫度時能量的增量正是熱容。兩者的比值接近于恒值242)熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系結(jié)合力越強的材料，熱膨脹系數(shù)越小結(jié)合能大的熔點較高，通常熔點高、膨脹系數(shù)??；251)、化學成分:堿金屬高，過渡族低；合金2)、鍵強度鍵強度高的材料，有低的熱膨脹系數(shù)3)、晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而非晶態(tài)結(jié)構(gòu)比較松散的材料，有較小的熱膨脹系數(shù)。非等軸晶系的晶體，各晶鈾方向的膨脹系數(shù)不等，因為層內(nèi)有牢固的聯(lián)系，而層間的聯(lián)系要弱得多。層間膨脹系數(shù)為小，層內(nèi)的膨脹系數(shù)大。結(jié)構(gòu)上高度各向異性的材料，體膨脹系數(shù)都很小，是一種優(yōu)良的抗熱震材料。4.

熱膨脹的影響因素(自學)264)其他因素相變、合金成分和組織、晶體結(jié)構(gòu)及鋼中組成相純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，點陣結(jié)構(gòu)重排伴隨著金屬比容突變,導致線膨脹系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化有序—無序轉(zhuǎn)變時無體積突變，膨脹系數(shù)在相變溫區(qū)僅出現(xiàn)拐折組成合金的溶質(zhì)元素對合金熱膨脹有明顯影響

多相合金的膨脹系數(shù)僅取決于組成相性質(zhì)和數(shù)量鋼的熱膨脹特性取決于組成相特性

27285.

熱膨脹系數(shù)的測量1)簡易熱膨脹儀292)光學熱膨脹儀標樣和試樣，光杠桿放大膨脹量；3)電膨脹儀電感式、電容式等；目前應(yīng)用最多306.

熱膨脹的應(yīng)用(自學)a.鋼的相變點和連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線；b.膨脹合金：低膨脹合金、定膨脹合金、高膨脹合金、復合材料膨脹匹配設(shè)計－熱沉材料31§11.4熱傳導a.定義：當固體兩端存在溫差時，熱量從熱端自動地傳向冷端的現(xiàn)象b.導熱系數(shù)λ:穩(wěn)定傳熱條件下，單位時間通過單位垂直截面積上的熱流密度，W/(m·K)1.

熱傳導的概念32c.導溫系數(shù)α:又稱熱擴散率，單位m2/s；若材料棒各點的溫度隨時間變化，截面上各點溫度變化率：式中cp為比定壓熱容，ρ為材料密度，t為時間，不穩(wěn)定導熱，既有熱量傳導變化，又有溫度變化；α越大，物體各處的溫差越??；332.

熱傳導的微觀機理

固體導熱主要是由晶格振動的格波和自由電子的運動來實現(xiàn)，此外還有部分光子輻射；某一質(zhì)點處于較高的溫度狀態(tài)，它的熱振動就較為強烈，振動較弱的質(zhì)點在振動較強的質(zhì)點的影響下，振動就會加劇，熱振動能量就增加，熱量就能轉(zhuǎn)移和傳遞。

34聲子概念量子理論認為：一個諧振子的能量變化不能取任意值，只能是取量子能量的整數(shù)倍，一個量子具有hυ(普朗克常數(shù)乘以振動頻率)能量，晶格振動中的能量是量子化的

聲頻波看成彈性波，類似在固體中的聲波，把聲頻波的“量子”稱為“聲子”；把格波傳播看成聲子后，就可以把格波與物質(zhì)的作用理解為聲子和物質(zhì)的碰撞，可以用氣體傳熱概念處理；35純金屬合金半導體絕緣體電子導熱為主聲子作用加大電子、聲子導熱各半聲子導熱為主只有在極高溫度下，才有光子導熱36式中ci為聲子熱容，v為氣體分子速度，l氣體分子平均自由程3738保溫材料：國家標準規(guī)定，溫度低于350度時導熱系數(shù)小于0.12W/(mK)的材料（絕熱材料）393.

熱傳導的影響因素(自學)1)溫度的影響

熱容Cv在低溫下與溫度的3次方成正比，隨著溫度的升高，λ迅速增加;低溫處(約40K)λ值出現(xiàn)了極大值;在德拜溫度以后，Cv已趨于一恒定值，而l值因溫度升高而減小,λ隨溫度升高而迅速減小;晶體材料，在常用溫度范圍熱導率隨溫度的上升而下降;