材料物理性能(安工大)ppt

?PhysicalPropertiesofMaterials?第一講緒論安徽工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院Monday,April17,2023材料物理性能《材料物理性能》

----2013年被評為省級精品課程A班：(金屬材料、材料物理)B班：(無機非金屬材料)聯(lián)系方式：郵箱：lntong@手機童老師）實驗老師：龐剛、丁曉莉

手機龐剛老師）緒論材料物理性能

材料科技的發(fā)展歷史

材料-物理性能的關(guān)系

材料物理的產(chǎn)業(yè)與前景材料：結(jié)構(gòu)+功能結(jié)構(gòu)成份工藝性能（制備材料目的：為我所用）材料物理的內(nèi)涵材料成分+工藝結(jié)構(gòu)材料功能材料物理+技術(shù)物理效應(yīng)：光、電、磁、聲、熱物理技術(shù)：無損檢測、空間遙感材料性能的劃分力學(xué)性能物理性能

化學(xué)性能

①抗氧化性②耐腐蝕性③抗?jié)B入性①強度②延性③韌性④剛性①熱學(xué)性能②聲學(xué)性能③光學(xué)性能④電學(xué)性能⑤磁學(xué)性能⑥輻照性能按材料性能分類：

熱學(xué)性能：

保溫材料、絕熱材料、熱電材料、熱敏材料、防火材料等。

電學(xué)性能：絕緣材料、開關(guān)材料、壓電、鐵電材料、超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料。磁學(xué)性能：磁記錄材料（信息材料）、稀土磁體、鐵氧體、金屬磁體。聲學(xué)性能：減震（吸音）材料、超彈性等。材料的分類光學(xué)性能：

電光材料、熒光材料、發(fā)光材料、感光材料等.化學(xué)性能：

耐腐蝕材料、吸附材料、催化劑載體、膠凝材料等.機械性能：

高強、超硬材料、耐磨材料、韌性材料等.生物性能：骨科材料、生物陶瓷等.復(fù)合性能：智能材料、梯度功能材料.按材料性能分類：此圖片說明人類使用的材料(性能)，決定了人類的文明程序.材料性能的研究，貫穿于整個人類的文明史石器→青銅器→鐵器→工業(yè)化→信息時代

材料科學(xué)發(fā)展的里程碑：5000BC:

熔煉和錘擊改變了銅的性能.3000BC:

青銅的使用-制造合金1450BC:鐵的發(fā)現(xiàn)1855AD:HenryBessemer擁有鋼鐵冶煉的專利1886AD:電化學(xué)方法冶煉鋁1939:尼龍，高分子材料商業(yè)發(fā)展1950‘s:高溫合金的發(fā)展，摻鎳合金促進了噴氣發(fā)動機的發(fā)展。材料科學(xué)發(fā)展的里程碑：1960’s:制作越來越小的硅芯片。1980’s高溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)的革命時代。信息時代與信息材料的發(fā)展:1947.12.23美國布爾坦發(fā)明第一只多晶鍺晶體管1949年10月美國貝爾實驗室蒂爾發(fā)明第一塊鍺單晶體（提拉法）50年代末，晶體管逐步代替電子管外延技術(shù)促成平面晶體管―集成電路1979年日本在6平方毫米的硅片上集成15萬多個元件――超大規(guī)模集成電路平面晶體管――CPU信息時代不能被忘卻的人物：1960年：非晶半導(dǎo)體理論建立，莫特和貝爾實驗室的安德森及哈佛大學(xué)的范弗列克三人共同榮獲1977年諾貝爾物理獎。內(nèi)維爾·弗朗西斯·莫特（1905-1996）

1955年-現(xiàn)在，比爾·蓋茨（微軟創(chuàng)始人之一）

1955年—2011年，喬布斯

2007年諾貝爾物理學(xué)獎得主阿爾貝·費爾(法)彼得·格林貝格爾(德)先后獨立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)?！坝糜谧x取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)”英國曼徹斯特大學(xué)兩名科學(xué)家獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎

安德烈-蓋姆康斯坦丁-諾沃肖洛夫以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究石墨烯被普遍認(rèn)為會最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命。

石墨烯結(jié)構(gòu)石墨烯結(jié)構(gòu)材料物理的產(chǎn)業(yè)背景

電子信息材料太陽能光伏產(chǎn)業(yè)磁性材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗與檢測技術(shù)

光：光電材料與器件電：電子信息材料與元器件磁：磁性材料與器件熱：絕熱傳熱材料與器件聲：減震材料、超彈性材料材料物理的產(chǎn)業(yè)背景2、信息技術(shù)與信息材料信息時代：計算機―網(wǎng)絡(luò)―通信

1〕、信息處理技術(shù)和材料：CPU硅材料為核心的集成電路、精密絕緣陶瓷基片、封裝材料。電子學(xué)―光電子學(xué)―光子學(xué)微電子材料―光電子材料―光子材料2〕、信息傳遞技術(shù)和材料：陸?？樟Ⅲw通信網(wǎng)：移動電話、衛(wèi)星通信、無線通信、光纖通信（光纖材料＋半導(dǎo)體激光器）3〕、信息存儲技術(shù)和材料新型材料的發(fā)展趨勢：

小型化，實用化，智能化，時尚化。高性能，高科技，高利潤，高附加值。應(yīng)用廣，滲透到各個領(lǐng)域，發(fā)展前途。新材料企業(yè)不斷出現(xiàn)。創(chuàng)新：急需材料物理研究開發(fā)人才化材料科學(xué)與工程協(xié)同并進

導(dǎo)電膜玻璃,電容式觸摸屏

蘋果iPhone手機和平板電腦iPad火爆的銷售迅速點燃A股追逐觸摸屏的熱情。高科企業(yè)：萊寶高科[57.0元]、長信科技[44.元]、超聲電子[37.元]、歐菲光[63.8元]反光印刷膜電器絕緣膜汽車玻璃太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)太陽能電池企業(yè)：50余家（2007年）太陽能電池產(chǎn)能：290萬千瓦，超日本和歐洲。光伏發(fā)電銷售收入：450億美元。多晶硅材料生產(chǎn)：突破了年產(chǎn)千噸大關(guān)。太陽熱發(fā)電：全國企業(yè)：1096家。太陽能熱水器銷售額：320億元人民幣。材料物理特色方向之二:------------產(chǎn)業(yè)提速，前途無量馬鞍山市打造“中部光電城”――

“光電產(chǎn)業(yè)園”安徽穩(wěn)潤光電有限公司：LED封裝器件和半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品為主的生產(chǎn)基地。

亞洲光電名企（臺灣啟耀）入駐馬鞍山：建設(shè)LED/CCFL生產(chǎn)線。該項目主要發(fā)展高效能的光源與電源，生產(chǎn)薄膜電晶體、液晶顯示器，產(chǎn)品擁有很高的科技含量和廣闊的市場前景.長春國家光電子產(chǎn)業(yè)基地“中國光谷”武漢東湖國家光電子產(chǎn)業(yè)基地磁性材料產(chǎn)業(yè)企業(yè)：全國1096家，產(chǎn)值：265億人民幣（2006年數(shù)據(jù)）產(chǎn)量：41萬噸（燒結(jié)磁體+粘結(jié)磁體）產(chǎn)品：鐵氧體、稀土磁體、金屬磁體、配套設(shè)備和原材料企業(yè)。產(chǎn)業(yè)前景：年增長率保持在20%以上。材料物理特色方向之一:全球市場：300億美元磁性材料的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)電機，混合動力/電動汽車電機，消費類電子，核磁共振，風(fēng)力發(fā)電等紹礦磁性材料（上海）有限公司招聘公司簡介：全球三大汽車用磁性材料的制造商之一?？偼顿Y超過三億元人民幣

新材料一、信息材料二、新能源材料

三、生物醫(yī)用材料

四、生態(tài)環(huán)境材料

五、納米材料

六、超導(dǎo)材料

七、半導(dǎo)體照明

八、汽車材料

九、稀土材料

十、有色金屬新材料

十一、化工新材料電子信息材料:微電子材料：單晶硅半導(dǎo)體；光電子材料：激光晶體；壓電晶體與薄膜材料；光纖通信材料；磁性材料：釹鐵硼（NdFeB）永磁；電子陶瓷材料：介質(zhì)陶瓷和熱敏陶瓷等；信息存儲材料：磁存儲和數(shù)據(jù)存儲材料；能源材料：光電材料和鋰離子嵌入材料。

這些基礎(chǔ)材料及其產(chǎn)品支撐著通信、計算機、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

新能源材料:

太陽能、生物質(zhì)能、核能、風(fēng)能、地?zé)帷⒑Ｑ竽?/p>

等一次能源以及二次電源中的氫能等。

高能儲氫材料、聚合物電池材料、中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料、多晶薄膜太陽能電池材料等。納米材料

納米材料會表現(xiàn)出特異的光、電、磁、熱、力學(xué)、機械等性能，

工業(yè)應(yīng)用：納米家電，微薄吸收材料。工業(yè)化生產(chǎn)的納米料主要是碳酸鈣、白炭黑、氧化鋅等納米粉體材料。先進陶瓷材料

采用精制的高純、超細(xì)的無機化合物為原料及先進的制備工藝技術(shù)制造出的性能優(yōu)異的產(chǎn)品。具有壓

電、鐵電、導(dǎo)電、半導(dǎo)體。磁性等或具有高強、高韌，高硬、耐磨。耐腐蝕、耐高溫、高

熱導(dǎo)、絕熱或良好生物相容性等優(yōu)異性能。

智能材料（SmartMaterials）模仿生命系統(tǒng)，能感知環(huán)境變化并能實時地改變自身的，作出所期望的、能與變化的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料?；静牧辖M元有壓電材料、形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、電（磁）流變液、磁致伸縮材料和智然高分子材料等。使人類文明進入一個新的高度。生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是一類用于診斷、治療或替換人體組織、器官或增進其功能的新型高技術(shù)材料。是材料科學(xué)技術(shù)中的一個正在發(fā)展的新領(lǐng)域，不僅技術(shù)含量和經(jīng)濟價值高，而且與患者生命和健康密切相關(guān)。近10多年以來，生物醫(yī)用材料３?0％左右的增長率。先進復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料通過物理和化學(xué)復(fù)合成的材料。性能優(yōu)于任意一個單獨的材料，而且還具有組分單獨不具有的獨特性能。功能材料是指除力學(xué)性能以外還提供其它物理、化學(xué)、生物等性能的復(fù)合材料。包括壓電、導(dǎo)電、雷達隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種類繁多的復(fù)合材料

材料物理的特征基礎(chǔ)與應(yīng)用相結(jié)合研發(fā)與產(chǎn)業(yè)相并重材料與物理技術(shù)并重“材料”與“物理”

物理使材料更光彩

材料使物理更魅力物理原理賦予材料：新功效、高價值物理技術(shù)的應(yīng)用：使產(chǎn)品器件更安全材料物理人才：高層次、朝陽產(chǎn)業(yè)資源有限創(chuàng)意無限

材料性能的研究目的在于更好應(yīng)用

材料性能的研究利于新材料的開發(fā)

材料性能的要求決定材料生產(chǎn)工藝

材料性能研究目的

同一材料的性能可因外界條件變化而不同，即一種材料可表現(xiàn)出多種性能。材料性能研究注意問題

材料性能的劃分只是為了學(xué)習(xí)和研究的方便。要注意材料各種性能間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。

研究材料性能，要注意性能的發(fā)展與改造，以及性能的復(fù)合與轉(zhuǎn)換。學(xué)習(xí)研究方法經(jīng)驗方法在大量占有實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)的分析處理，整理為經(jīng)驗方程，用以表示它們的函數(shù)關(guān)系。

理論方法從機理著手，即從反映本質(zhì)的基本關(guān)系出發(fā)，按照性能的有關(guān)規(guī)律、建立物理模型，用數(shù)學(xué)方法求解，得到有關(guān)理論方程式。

課前預(yù)習(xí)，包括一些普通物理知識；要認(rèn)真作筆記－－這也是一種能力；及時復(fù)習(xí)、歸納，掌握科學(xué)真諦；自己完成作業(yè)，檢驗學(xué)習(xí)的效果。注意復(fù)習(xí)，溫故而知新。

教學(xué)要求課程安排

教學(xué)與考核:教學(xué):授課+實驗考核:平時+實驗+考試平時成績:聽課+提問+測驗(1).材料物理性能，邱成軍，王元化，王義杰主編，哈工大出版,2003.(2).金屬物理性能分析,宋學(xué)孟,機械工業(yè)出版社,1987.(3).金屬材料物理性能，王潤，冶金工業(yè)出版社,1993.(4).材料物理性能，田蒔編箸，北航出版社,2001.(5).材料物理導(dǎo)論,熊兆賢,編箸，科學(xué)出版社,2001.(6).材料性能學(xué),王從曾,主編,北京工大出版,2001.主要參考書聯(lián)系方式：郵件：lntong@手機驗老師：龐剛、丁曉莉

龐剛材料物理性能》第一章材料的熱學(xué)性能安徽工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2023年4月17日第一講熱容（PhysicalPropertiesofMaterials）本章要點明確為什么要研究材料的熱學(xué)性能?如何表征材料的熱學(xué)性能?熱容的基本概念熱容的實驗規(guī)律熱容的基本理論(經(jīng)典、量子理論)影響熱容的因素?zé)崛莸臏y量原理與熱分析方法熱容的基本概念熱容的實驗規(guī)律熱容的基本理論(經(jīng)典、量子理論)1.2

影響熱容的因素1.1

固體的熱容溫度結(jié)構(gòu),相變合金元素,化合物1.3

熱容的測量原理與熱分析方法第一章材料的熱學(xué)性能緒言材料熱性能研究的意義

在空間科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用:

航天飛行器，渦輪發(fā)動機葉片,電真空封裝材料。

在能源科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用:

太陽能，工業(yè)爐襯，航天飛行器，建筑材料,保溫玻璃.

在電子技術(shù)和計算機技術(shù)中的應(yīng)用:

熱驅(qū)動材料,集成電路基片等。

在科學(xué)研究中的應(yīng)用：

熱性能與其它性能的關(guān)聯(lián)性是材料研究的重要方法。在熱力學(xué)中

（晶格熱振動）晶格熱容固體的熱容

(電子的熱運動)電子熱容C=ΔQ/ΔTΔQ=ΔU+PΔV

固體的熱容晶格的熱振動材料的各種熱性能的物理本質(zhì)，均與晶格熱振動有關(guān)

晶體點陣中的質(zhì)點（原子、離子）總是圍著平衡位置作微小振動，稱為晶格熱振動格波：晶格振動所形成的彈性波（質(zhì)點間存在相互作用力導(dǎo)致多頻率振動的組合波）

聲頻支振動：相鄰質(zhì)點間位相差不大，類似于彈性體中的應(yīng)變波。低頻率的格波。光頻支振動：格波中頻率甚高的振動波。

（頻率在紅外光區(qū)，特點是臨近質(zhì)點的運動幾乎相反)晶格熱振動→格波（聲頻、光頻）例：離子晶體格波的物理圖象：(a)聲頻支(b)光頻支振動偶極子激發(fā)（或吸收）電磁波（紅外光）固體中彈性波的轉(zhuǎn)播轉(zhuǎn)播速度：ν=3000m/s最小波長：2a~10-10m最大振動頻率：υMax=ν/(2a)=1.5×1013Hz最大聲子能量：hυMax=?ωh=6.626×10-34J?s德拜溫度：?D=？一般樂器的頻率范圍：低音鼓：27～146Hz，電吉它：65～1.7KHz，笛子：220～2.3K。鋼琴：臨場感2.5～8KHz，小提琴：174～3.1KHz，Trombone（長號）：65～2.6KHz

一般人聲音的頻率范圍：男：低音82～392Hz，基準(zhǔn)音區(qū)64～523Hz；女：低音82～392Hz，基準(zhǔn)音區(qū)160～1200Hz音響的頻率范圍：20～20KHz

低于聲頻范圍的波動稱為次聲波

高于聲頻范圍的波動稱為超聲波熱容的基本概念熱容定義:熱容是使材料溫度升高1k所需的熱量。

C=ΔQ/ΔT

(與質(zhì)量,組成,過程,溫度T有關(guān))

它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。

熱容的分類

比熱容平均熱容摩爾熱容恒壓熱容恒容熱容單位質(zhì)量的熱容熱容Cp與Cv的關(guān)系一般有Cp>Cv，Cp測定簡單，Cv更有理論意義。為體積膨脹系數(shù)為壓縮系數(shù)

其中定容熱容：定壓熱容：比熱容：單位質(zhì)量的熱容。摩爾熱容：科學(xué)研究中常用工程技術(shù)中常用多孔材料質(zhì)量輕,熱容小,窯爐選用多孔硅藻土磚,泡沫剛玉等節(jié)能目標(biāo).熱容的分類材料熱容的實驗規(guī)律金屬熱容隨溫度T變化的實驗規(guī)律無機材料的熱容隨溫度T變化的實驗規(guī)律金屬熱容隨溫度變化的實驗規(guī)律低溫CV3R高溫

T（K）高溫區(qū)：CV→3R=24.91J/(mol.K);

低溫區(qū):CV→∝T3;

T→0K時,CV→0.

金剛石熱容的實驗值0T/E6×4.185×4.184×4.183×4.182×4.181×4.18Cv(J/moloC)·········金剛石熱容的實驗值與計算值的比較其中E=1320k無機材料的熱容規(guī)律不同溫度下某些陶瓷材料的熱容

晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗定律

元素?zé)崛荻?-杜隆-珀替定律

化合物定律--柯普定律杜隆-珀替(Dulong-Petit)定律：高溫時大部分元素的原子熱容都接近該值，輕元素?zé)崛菪韪挠孟轮担汉銐合略氐脑訜崛轂?5J/(mol·K)

H:9.6;B:11.3;C:7.5;O:16.7;F:20.9;Si:16;P:22.5;S:22.5;Cl:20.4經(jīng)典統(tǒng)計理論的能量均分定理：固體中N個原子的總平均能量為E=3NkBT熱容:Cv,m=3NkB=3R=25J/(mol·K)

經(jīng)典理論的解釋杜隆-珀替定律成功之處：

高溫下與試驗結(jié)果基本符合

不能說明高溫下，不同溫度下熱容的微小差別

不能說明低溫下，熱容隨溫度的降低而減小，在接近絕對零度時，熱容按T的三次方趨近與零的試驗結(jié)果局限性：愛因斯坦模型德拜的比熱模型晶態(tài)固體熱容的量子理論

振子受熱激發(fā)所占的能級是分立的，它的能級在0K時為1/2?------零點能。依次的能級是每隔?

升高一級，一般忽略零點能。nEn=n?+1/2

?

2101.振子能量量子化：愛因斯坦模型熱容的量子理論愛因斯坦模型熱容的量子理論2.振子的能級分布規(guī)律根據(jù)波爾茲曼能量分布規(guī)律，振子具有能量n?

的幾率：Nn∝

exp(-n?/kBT)TE()3.在溫度TK時以頻率振動的振子的平均能量：

愛因斯坦模型熱容的量子理論

n?n=0E()=

n?[exp(-n?/kBT)]n=0?exp(

?/kBT)－1=

exp(-n?/kBT)高溫時：kBT>>?ω,E=kBT愛因斯坦模型熱容的量子理論4.在溫度TK時的平均聲子數(shù)－nav=E()/?1exp(

?/kBT)－1=說明：受熱晶體的溫度升高，實質(zhì)上是晶體中熱激發(fā)出聲子的數(shù)目增加。5.振子是以不同頻率格波疊加起來的合波進行運動晶體中的振子（振動頻率）不止是一種，而是一個頻譜。愛因斯坦模型：晶體中所有原子都以相同的頻率振動,振動的能量是量子化的,且每個振子都是獨立的振子。稱為愛因斯坦比熱函數(shù)

愛因斯坦模型熱容的量子理論晶體的平均能量：E=3N?exp(

?/kBT)－1θE=?ω/kB,稱為愛因斯坦溫度愛因斯坦模型當(dāng)T>>θE

時當(dāng)T<<θE時

故有熱容的量子理論比實驗更快趨于零與實驗結(jié)果一致愛因斯坦模型愛因斯坦模型：晶體中所有原子都以相同的頻率振動,振動的能量是量子化的,且每個振子都是獨立的振子。熱容的量子理論當(dāng)T<<θE時:當(dāng)T>>θE

時:Cv=3R振動的能量：En=n?+1/2?振子具有能量En=n?的幾率：

exp(-n?/kBT)振子的平均能量：E()=(?)/[exp(?/kBT)－1]平均聲子數(shù):n=E()/?=1/[exp(?/kBT)－1]

在愛因斯坦模型中：低溫時，Cv與溫度按指數(shù)律隨溫度而變化，與實驗得出的按T的立方變化規(guī)律仍有偏差。問題主要在于基本假設(shè)：各個振子頻率相同有問題，各振子的頻率可以不同，原子振動間有耦合作用。愛因斯坦模型熱容的量子理論德拜模型認(rèn)為：晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動由于聲頻支的波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)，故可將晶體當(dāng)成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有0～ωmax高于ωmax的頻率在光頻支范圍，對熱容貢獻很小，可忽略德拜模型熱容的量子理論熱容的量子理論德拜模型固體的平均能量：固體的熱容：稱為德拜比熱函數(shù)稱為德拜溫度當(dāng)溫度較高時，T>>θD，Cv=3NkB=3R當(dāng)溫度穩(wěn)低時，T<<θD，有：與實驗結(jié)果相吻合

德拜模型熱容的量子理論θD取決于材料的鍵強度、彈性模量和熔點德拜模型熱容的量子理論德拜特征溫度θD物質(zhì)金剛石CaF2Al2O3FeCdPbD(k)2000475923470168100物質(zhì)BeMgCaTiZrWD(k)1440400230420291400物質(zhì)的德拜溫度D(k)無機材料的熱容規(guī)律不同溫度下某些陶瓷材料的熱容無機材料有大致相同的比熱曲線

無機材料的熱容與材料的結(jié)構(gòu)無明顯的關(guān)系無機材料的熱容規(guī)律影響無機材料熱容的因素1.溫度對熱容的影響高于德拜溫度：熱容趨于常數(shù)，低于德拜溫度時：與(T/D)3成正比。2.鍵強、彈性模量、熔點的影響德拜溫度約為熔點的0.2-0.5倍。3.無機材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感4.相變時，熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變。材料升高一度，需吸收的熱量不同，吸收熱量小，熱損耗小，同一組成，質(zhì)量不同熱容也不同，質(zhì)量輕，熱容小。對于隔熱材料，需使用輕質(zhì)隔熱磚，便于爐體迅速升溫，同時降低熱量損耗。根據(jù)熱容選材金屬材料的熱容在低溫下幾乎所有的化合物,固溶體和中間相的熱容:1.自由電子對金屬材料熱容的貢獻:在極低或極高溫度下,電子熱容的貢獻不可忽略.2.合金成分對熱容的影響

合金的熱容是每個組元熱容與其質(zhì)量百分比的乘積之和：

C=x1C1+x2C2+…+xnCn。

_____奈曼-考普(Neuman-Kopp)定律

高溫下該定律具有普遍性，適用于金屬化合物，金屬與非金屬化合物，中間相和固溶體。熱處理能改變合金的組織，但對合金高溫下的熱容沒有明顯影響。該定律對鐵磁合金不適用。3.相變時的金屬熱容變化（一）熔化和凝固：熔點TmC液態(tài)﹥C固態(tài)（二）一級相變：在恒溫恒壓下，除有體積變化外，H和Q發(fā)生突變，伴隨相變潛熱發(fā)生。Cp熱容無限大。如純金屬的三態(tài)變化，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，共晶，包晶轉(zhuǎn)變，固態(tài)的共析轉(zhuǎn)變等。（三）二級相變：相變在一個有限的溫度范圍內(nèi)逐漸變化，焓也變化，但不突變。熱容在轉(zhuǎn)變溫度附近也有劇烈變化，但為有限值。這類相變包括磁性轉(zhuǎn)變，部分材料的有序無序轉(zhuǎn)變（有人認(rèn)為部分轉(zhuǎn)變屬于一級相變），超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變（四）亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時要放出熱量，從而導(dǎo)致熱容曲線向下拐折（不可逆轉(zhuǎn)變,如過飽和固溶體的時效，馬氏體和殘余奧氏體回火轉(zhuǎn)變，形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶等。）三、研究有序-無序轉(zhuǎn)變Ni3Fe合金:有序態(tài):穩(wěn)定的低能態(tài)五序態(tài):亞溫(高能)態(tài)300400500600T/°CCp無序態(tài)有序態(tài)350470有序態(tài)（b）（a）完全無序態(tài)吸熱峰無序態(tài)熱性能的物理本質(zhì)是什么？晶格熱振動：格波：聲頻支振動：光頻支振動：熱容：熱容Cp與Cv的關(guān)系：基本概念:基本概念熱性能的物理本質(zhì)：晶格熱振動晶格熱振動：晶體點陣中的質(zhì)點（原子、離子）圍著平衡位置作微小振動。格波：晶格振動所形成的彈性波聲頻支振動：低頻率的格波。特點：相鄰質(zhì)點間位相差不大，類似于彈性體中的應(yīng)變波光頻支振動：格波中頻率甚高的振動波，頻率在紅外光區(qū)，特點是鄰近質(zhì)點間位相差很大。熱容：使材料溫度升高1k所需的熱量熱容Cp與Cv的關(guān)系：Cp>Cv晶態(tài)固體熱容的基本規(guī)律熱容隨溫度變化的實驗規(guī)律：高溫區(qū)：CV→3R=24.91J/(mol.K);

低溫區(qū):CV→∝T3;T→0K時,CV→0.晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典定律：杜隆-珀替定律：恒壓下元素的原子熱容Cv=25J/(mol·K)

奈曼-柯普定律：化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各原子熱容之和晶態(tài)固體熱容的量子理論：

愛因斯坦模型

德拜模型復(fù)習(xí)題什么叫固體的熱容?它與哪些量有關(guān)?愛因斯坦熱容理論的基本思想是什么?他在哪些方面獲得了成功?什么叫德拜溫度?德拜溫度與熔點Tm或晶格最大振動頻率有何關(guān)系?《材料物理性能》第一章材料的熱學(xué)性能安徽工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2023年4月17日(第三講)（PhysicalPropertiesofMaterials）熱容的基本概念熱容的實驗規(guī)律熱容的基本理論(經(jīng)典、量子理論)1.2

影響熱容的因素1.1固體的熱容溫度結(jié)構(gòu),相變合金元素,化合物1.3

熱容的測量原理與熱分析方法第一章材料的熱學(xué)性能

熱容的基本概念：

C=ΔQ/ΔT

比熱容:摩爾熱容:恒壓熱容與恒容熱容：物理本質(zhì)：晶格熱振動、格波、聲頻支振動、光頻支振動、聲子。晶態(tài)固體熱容的基本規(guī)律熱容隨溫度變化的實驗規(guī)律：高溫區(qū)：CV→3R=24.91J/(mol.K);

低溫區(qū):CV→∝T3;T→0K時,CV→0.晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典定律：杜隆-珀替定律：高溫恒壓下元素的原子熱容Cv=3R

奈曼-柯普定律：化合物分子熱容等于各原子熱容之和晶態(tài)固體熱容的量子理論：

愛因斯坦模型：晶體中所有原子都以相同的頻率振動,振動的能量是量子化的,且每個振子都是獨立的振子。稱為愛因斯坦比熱函數(shù)

愛因斯坦模型熱容的量子理論晶體的平均能量：E=3N?exp(

?/kBT)－1θE=?ω/kB,稱為愛因斯坦溫度愛因斯坦模型當(dāng)T>>θE

時當(dāng)T<<θE時

故有熱容的量子理論比實驗更快趨于零與實驗結(jié)果一致θE=?ω/kB,稱為愛因斯坦溫度德拜模型認(rèn)為：晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動由于聲頻支的波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)，故可將晶體當(dāng)成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有0～ωmax高于ωmax的頻率在光頻支范圍，對熱容貢獻很小，可忽略德拜模型熱容的量子理論當(dāng)溫度較高時，T>>θD，Cv=3NkB=3R當(dāng)溫度穩(wěn)低時，T<<θD，有：與實驗結(jié)果相吻合

德拜模型熱容的量子理論德拜溫度：?D物質(zhì)金剛石CaF2Al2O3FeCdPbD(k)2000475923470168100物質(zhì)BeMgCaTiZrWD(k)1440400230420291400物質(zhì)的德拜溫度D(k)1.2

影響熱容的因素溫度結(jié)構(gòu),相變合金元素,化合物亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變無機材料的熱容規(guī)律不同溫度下某些陶瓷材料的熱容無機材料有大致相同的比熱曲線

無機材料的熱容與材料的結(jié)構(gòu)無明顯的關(guān)系無機材料的熱容規(guī)律影響無機材料熱容的因素1.溫度對熱容的影響高于德拜溫度：熱容趨于常數(shù)，低于德拜溫度時：與(T/D)3成正比。2.鍵強、彈性模量、熔點的影響德拜溫度約為熔點的0.2-0.5倍。3.無機材料的熱容對材料的結(jié)構(gòu)不敏感4.相變時，熱量不連續(xù)變化，熱容出現(xiàn)突變。金屬材料的熱容在低溫下幾乎所有的化合物,固溶體和中間相的熱容:1.自由電子對金屬材料熱容的貢獻:在極低或極高溫度下,電子熱容的貢獻不可忽略.2.合金成分對熱容的影響

合金的熱容是每個組元熱容與其質(zhì)量百分比的乘積之和：

C=x1C1+x2C2+…+xnCn。

_____奈曼-考普(Neuman-Kopp)定律

高溫下該定律具有普遍性，適用于金屬化合物，金屬與非金屬化合物，中間相和固溶體。熱處理能改變合金的組織，但對合金高溫下的熱容沒有明顯影響。該定律對鐵磁合金不適用。3.相變時的金屬熱容變化（一）熔化和凝固：熔點TmC液態(tài)﹥C固態(tài)（二）一級相變：在恒溫恒壓下，除有體積變化外，H和Q發(fā)生突變，伴隨相變潛熱發(fā)生。Cp熱容無限大。如純金屬的三態(tài)變化，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，共晶，包晶轉(zhuǎn)變，固態(tài)的共析轉(zhuǎn)變等。（三）二級相變：相變在一個有限的溫度范圍內(nèi)逐漸變化，焓也變化，但不突變。熱容在轉(zhuǎn)變溫度附近也有劇烈變化，但為有限值。這類相變包括磁性轉(zhuǎn)變，部分材料的有序無序轉(zhuǎn)變（有人認(rèn)為部分轉(zhuǎn)變屬于一級相變），超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變（四）亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時要放出熱量，從而導(dǎo)致熱容曲線向下拐折（不可逆轉(zhuǎn)變,如過飽和固溶體的時效，馬氏體和殘余奧氏體回火轉(zhuǎn)變，形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶等。）三、研究有序-無序轉(zhuǎn)變Ni3Fe合金:有序態(tài):穩(wěn)定的低能態(tài)五序態(tài):亞溫(高能)態(tài)300400500600T/°CCp無序態(tài)有序態(tài)350470有序態(tài)（b）（a）完全無序態(tài)吸熱峰無序態(tài)1.3比熱容的測量與熱分析1.3.1.比熱容的常用測量方法一.量熱計法.(適用于低溫和中溫測比熱)二.撒克司法.(適用于高溫測比熱)三.斯密特法.（適用測比熱與轉(zhuǎn)變潛熱）1.3.2.熱分析方法一.簡單(普通)熱分析;

二.示差熱分析DTA(微分熱分析);三.差動掃描量熱法DSC.

1.3.3.

熱分析的應(yīng)用一.量熱計法.高溫→低溫(試樣被冷卻)：正向量熱計法低溫→高溫(試樣被加熱):反向向量熱計法.研究淬火鋼的回火，冷加工金屬的再結(jié)晶。2.電阻加熱法：中低溫確定比熱方法,忽略了量熱計與外界的熱交換.1.混合法：二.撒克司法（適用于高溫,修正了與外界的熱散耗）思考：加熱箱子，電阻絲，示差熱電偶的作用各是如何思想:試樣1與箱子2(量熱計)保持恒溫,以避免熱損耗.辦法:同時加熱試樣1與箱子2.采用溫差熱電偶箱子溫差熱電偶測溫?zé)犭娕荚嚇尤?斯密特法

（適用測比熱與轉(zhuǎn)變潛熱）溫差(試樣與容器)恒定,熱流Φ恒定以上可得:熱流Φ,

轉(zhuǎn)變潛熱:1.3.2.熱分析方法簡單熱分析;示差熱分析DTA;差動掃描量熱DSC.簡單熱分析：

加熱冷卻中的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫度T~t時間關(guān)系圖的分析技術(shù)。應(yīng)用：用于研究恒溫轉(zhuǎn)變（純金屬或合金的凝固），過冷轉(zhuǎn)變等。一、簡單熱分析方法時間t溫度TT1T2溫度T時間t二、示差熱分析法

（DifferentialthermalanalysisDTA）DTA熱分析方法:

利用在相同條件下加熱或冷卻時試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣(參比物)的溫度差與溫度或時間關(guān)系對組織結(jié)構(gòu)分析的一種技術(shù)。注意:

參比物在整個測試的溫差范圍內(nèi)不發(fā)生分解,相變,破壞,也不與被測物反應(yīng),同試樣的比熱容,熱傳導(dǎo)系數(shù)相接近.如鋼鐵材料常用鎳,硅酸鹽材料常用高溫煅燒的Al2O3,MgO作參比物。

DTA熱分析方法的實驗原理TΔT標(biāo)樣試樣ΔTTDTA曲線和溫度T的關(guān)系DTA分析測量示意圖思考：放熱與吸熱峰的區(qū)別用途：確定組織轉(zhuǎn)變的起始溫度，DTA峰的面積與該峰的熱焓成正比。優(yōu)點：靈敏度高，自動控制，中低溫下作定量分析，高溫下的定性分析。差動掃描量熱法

（DifferentialscanningcalorimetryDSC）差示掃描量熱法（DSC）用差動方法測量加熱或冷卻過程中，通過程序控制，在試樣和標(biāo)樣的溫度差保持為零時，觀察樣品和參比物之間的熱流差隨溫度或時間的函數(shù)。差示掃描量熱法（DSC）分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、食品、醫(yī)藥、生物有機體、無機材料、金屬材料與復(fù)合材料等領(lǐng)域。DTA與DSC方法的實驗原理比較TΔT標(biāo)樣試樣TΔT標(biāo)樣試樣差動熱量補償器DTADSC優(yōu)點:精確度高、定量分析(700度以下)差示掃描量熱儀（DSC）

／差熱分析儀（DTA）DSC404F3是德國耐馳公司最新推出的一款差示掃描量熱儀，該產(chǎn)品引入了DSC領(lǐng)域的最新技術(shù)，重新設(shè)計了傳感器與爐體結(jié)構(gòu)，對于熱效應(yīng)如相變溫度和相變熱焓的檢測而言，它是一款快速測量、可靠性好、性價比高的測試儀器。高真空密閉體系、多種可更換的傳感器和爐體保證了測試結(jié)果在-150～2000℃之間真實可靠。多種可選的真空泵、氣體流量控制系統(tǒng)和傳感器能夠根據(jù)客戶應(yīng)用領(lǐng)域的需求進行選配調(diào)整，以打造最佳的測試系統(tǒng)。測量與研究材料的如下特性:

熔融與結(jié)晶過程；玻璃化轉(zhuǎn)變；多晶形；反應(yīng)熱；熱穩(wěn)定性；特征溫度；結(jié)晶度；相轉(zhuǎn)變；液晶轉(zhuǎn)變；固化；純度材料鑒別單斜－ZrO2g/cm3：5.56四方－ZrO2g/cm3：6.1立方－ZrO2g/cm3：6.271170°C液相2370°C2715°C溫度變化時發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹.

ZrO2

的差熱分析曲線1000110012001300溫度(°C)99%

ZrO2，19500C預(yù)燒1.3.2.熱分析的應(yīng)用金屬及合金鋼的加熱或冷卻過程組織轉(zhuǎn)變的熱效應(yīng)液態(tài)-固態(tài)各種亞穩(wěn)態(tài)的組織轉(zhuǎn)變有序-無序轉(zhuǎn)變一、建立合金的相圖熱效應(yīng)測量溫區(qū)寬（可達2000度，變溫速度小于5度/分，保護氬氣）凝固峰與共晶峰，液態(tài)線（峰的起始點）與共晶線（峰值溫度）ABrB×100二、研究SUJ2鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變(一）測量等溫轉(zhuǎn)變曲線：實驗儀器：爐子：加熱爐（830度通氬氣），等溫爐標(biāo)準(zhǔn)樣：（NiCr合金WCr=10%);試樣：棒狀：示差熱測量裝置：差熱峰：奧矢體分解（金相法校驗）200s320度52s520度三、研究有序-無序轉(zhuǎn)變Ni3Fe合金:有序態(tài):穩(wěn)定的低能態(tài)五序態(tài):亞溫(高能)態(tài)300400500600T/°CCp無序態(tài)有序態(tài)350470有序態(tài)（b）（a）完全無序態(tài)吸熱峰無序態(tài)材料熱容小結(jié)晶格熱振動：格波、聲子、聲頻波、光頻波。(如果晶體中有nN個原子，則共有3nN個自由度。其中3N個聲學(xué)波，其余3N（n-1）個光學(xué)波)材料熱容：摩爾熱容、比熱容、摩爾定壓（容）熱容及其關(guān)系：晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典定律：杜隆-珀替定律、奈曼-柯普定律晶態(tài)固體熱容的量子理論：愛因斯坦模型（θE）、德拜模型（θD）影響熱容的因素：自由電子、成分、結(jié)構(gòu)相變、亞穩(wěn)態(tài)組織熱容與比熱容的測量：量熱計法、撒克司法、斯蜜特法DTA&DSC熱分析方法及應(yīng)用復(fù)習(xí)題什么叫德拜溫度？它有什么意義?德拜熱容理論在哪些方面獲得了成功?金剛石是復(fù)式格子，每一個原胞中有幾個原子？如果晶體有N個原胞，則會有多少個不同頻率的聲頻波?和多少個光頻波？一級相變和二級相變各有何特點?由實驗測得的彈性波在某一金屬固體中的轉(zhuǎn)播速度υ=3000m/s，晶格常數(shù)約為a=0.3nm，則，（a）聲頻振動的最短波長為多少？（b）聲頻振動的最大振動頻率是多少？（c）對應(yīng)的最大聲子能量是多少焦耳？（d）德拜溫度ΘD為多少？（注：普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·s；玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K）。

復(fù)習(xí)思考題一級相變與二級相變對熱容的影響有何不同?試舉例說明.簡述撒克司法測量比熱容的基本原理.何謂DSC熱分分析?較DTA分析法有何優(yōu)點?試分析Ni3Fe合金有序-無序轉(zhuǎn)變對比熱的影響.指明吸熱和放熱峰，并說明原因。1.何謂膨脹合金?有何工業(yè)應(yīng)用？4.膨脹的測量及膨脹分析的應(yīng)用3.材料膨脹性能的影響因素？2.熱膨脹的物理本質(zhì)是什么？本節(jié)要點1.3材料的熱膨脹

概述

(意義:工程技術(shù)中的應(yīng)用+科學(xué)研究中的重要方法)一,材料膨脹性能的工業(yè)應(yīng)用：膨脹合金包括低膨脹合金、定膨脹合金。低膨脹合金(因瓦型合金(Invaralloy))的特點是，在溫度變化時其長度變化很小，能保持尺寸的穩(wěn)定性，故可用來制造標(biāo)準(zhǔn)量尺、精密天平、標(biāo)準(zhǔn)電容及標(biāo)淮頻率計的諧振腔等。定膨脹合金的特點是，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有一定的膨脹系數(shù)，主要用于和陶瓷、玻璃封接而構(gòu)成電真空器件的結(jié)構(gòu)材料，如大功率管的陰極、陽極引出線等。

軟磁合金

永磁合金

彈性合金

膨脹合金

熱雙金屬

電性合金

耐蝕合金

高溫合金

難熔合金

釬焊合金

磁補償合金：具有改善磁性能受溫度而引起的變化，以保證儀表的精確性。主要成份：鎳37~40%，鉻12~14%，鐵余量?？煞ズ辖?，中國牌號為4J29等牌號，本合金含鎳29%，鈷18%的硬玻璃鐵基封接合金。該合金在20~450℃范圍內(nèi)具有與硬玻璃相近的線膨脹系數(shù)和相應(yīng)的硬玻璃能進行有效封接匹配，廣泛用于汽車燈及電真空工業(yè)。中國牌號4J系列膨脹合金。（供線材與帶材）產(chǎn)品名稱：杜美絲芯合金(膨脹合金)規(guī)格型號：4J43

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：YB/T5236-93

包裝：紙箱20kg/箱

用途：用于生產(chǎn)杜美絲、制作電子管、燈炮及半導(dǎo)體器件與軟玻璃匹配封接的引出線。低膨脹合金的應(yīng)用領(lǐng)域：精密儀器儀表,如：天文儀器構(gòu)件、精密天平臂桿、標(biāo)準(zhǔn)量具、標(biāo)準(zhǔn)鐘擺輪、擺桿。

低溫容器,如：液態(tài)天然氣貯罐、液氫、液氧貯罐、液態(tài)天然氣輸送管道。

微波通訊,如：諧振腔、波導(dǎo)管、標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器、波長計。

可變電容,如：可變電容葉片、支撐桿、溫度補償線。熱雙金屬片是由熱膨脹系數(shù)差別很大的兩種合金組成的，利用其在溫度變化時彎曲的特點達到自動控制的目的。

熱雙金屬片熱雙金屬片是由熱膨脹系數(shù)差別很大的兩種合金組成的，利用其在溫度變化時彎曲的特點達到自動控制的目的。溫州亞大雙金屬有限公司雙金屬彈簧產(chǎn)品展示電阻系列熱雙金屬（電阻三金屬）

電阻系列熱雙金屬（電阻三金屬）是在熱雙金屬高、低膨脹層之間增加一層材料，以調(diào)節(jié)電阻率，起電流分流作用。

主要用于大額定電流及某些電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、小型化情況下的過載保護與控制。品種與規(guī)格：冷軋鋼帶0.2~1.2×20~200課間提問聲頻波和光頻波的振動模式有何不同？金剛石晶體有N個原胞，則會有多少個不同頻率的聲頻波?多少個光頻波？杜隆-珀替定律的適用條件是什么？低溫時金屬及其合金化合物的摩爾熱容有哪兩部分組成？它們隨溫度的變化規(guī)律有何不同？熱膨脹的物理本質(zhì)是什么？高溫納蒸燈所用的透明三氧化二鋁燈管的平均線膨脹系數(shù)（0～100℃）是多少？應(yīng)該選用什么金屬材料封接？2.熱膨脹的物理本質(zhì)1.

熱膨脹系數(shù)4.影響膨脹性能的因素（鋼組織的膨脹特性）1.3材料的熱膨脹3.熱膨脹與其他物理量的關(guān)系5.膨脹的測量及膨脹分析的應(yīng)用r0rE(r)

r0Ep+Ek=Cr0xT1r>r0T2X′1.3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)：原子的非簡諧振動1.3.2膨脹性能的基本概念平均線膨脹系數(shù):真線膨脹系數(shù)膨脹曲線:

l=f(T)幾種典型材料的線膨脹系數(shù)(RT):石英玻璃:~0.5×10-6/K。鐵:~12×10-6/K高溫納燈所用的封接導(dǎo)電材料:金屬鈮αT=7.8×10-6/KAl2O3燈管αT=8×10-6/K。lTT1T2l1l2lTT膨脹曲線1.3.3膨脹系數(shù)與其它物理性能的關(guān)系1.與熱容的關(guān)系：格律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動理論:

αV=rCV/(EVV);立方晶系:αl=rCV/(3EVV)

r為格律乃森常數(shù)(r約在1.5~2.5間);EV是體彈模量。線膨脹系數(shù)與熱容隨溫度T的變化關(guān)系定性一致。因溫度升高，熱振動加劇，升高單位溫度的能量也增高。CpT/TMAl0αT/K0400800AlαT/℃-2000200Fe-36%NiIInvar36:

ChemicalCompositionsCMnSPSiCrNiFe

<0.10<0.50<0.004<0.006<0.35<0.2536.0Balance

Invar36isaNickel-Iron,lowexpansionalloycontaining36%Nickel,belongstooneofthecontrolledexpansionalloyswiththelowestthermalexpansioncoefficientofanyoftheiron-nickelalloys.Itiswidelyusedintheelectronicsindustrysuchasradios,

thermostats(自動調(diào)溫器),

glass-to-metalsealsandstructuralcomponentsinlasersystems.Kovar:

ChemicalCompositions:CNiFeSiMnSCo<0.0229.0Balance<0.20<0.30<0.02518.0

Kovaralloyisavacuummelted,iron-nickel-cobaltalloythatiswidelyusedintheelectronicsindustry.Inthesemiconductorindustryitisusedinhermeticallysealedpackagesforbothintegratedanddiscretecircuitdevices.Italsobelongstoakindoflowexpansionglasssealingalloysuitableforsealingtohardglasses.(F)PrincipleoftheInvareffect發(fā)現(xiàn)年代名稱成分晶系磁性α/（1/℃）atRTTc或TN/℃1897Fe-Ni因瓦65Fe-35Ni立方鐵磁1.2×10-62321931超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方鐵磁0.02301934不銹因瓦37Fe-52Co-11Cr立方鐵磁0.01271937Fe-Pt因瓦75Fe-25Pt立方鐵磁-30×10-6801962Fe-Pd因瓦67Fe-31Pd立方鐵磁0.03401972Cr基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方反鐵磁~1×10-6~451974Y2Fe17因瓦10.5Y-89.5Fe六角鐵磁____-291977非晶態(tài)Fe-B因瓦83Fe-17B非晶態(tài)鐵磁(1~2)×10-6320低膨脹合金發(fā)展簡況封接合金發(fā)展歷程發(fā)展歷程

19世紀(jì)初，已開始用鉑作為封接材料與軟玻璃封接。1879年，愛迪生(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。后來進一步改進這種合金,在表面覆一層薄銅,這種覆銅的42Ni-Fe絲(俗稱杜美絲，DumetWire)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)了熔點高、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?。對膨脹合金提出兼具高?dǎo)熱、高導(dǎo)電、無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擴散熔融而完成結(jié)合的。金屬與陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封接面金屬化后用焊料來連接。在封接和使用的整個過程中，封接合金不應(yīng)發(fā)生膨脹特性有明顯變化的相變。格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程Tm

αV=(VTm-V0)/V0=C；

其中,VTm和V0分別為熔點和0K時金屬的體積。C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：

(VTm-V0)/V0=C≈6%~6.7%。線膨脹系數(shù)和熔點的關(guān)系可有經(jīng)驗公式：

αlTm≈0.0222.與熔點的經(jīng)驗公式：αl=b/(V2/3MΘD2);原子間結(jié)合力與ΘD2成正比，結(jié)合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。石英玻璃的α值約0.5×10-6/K,而F鐵為12×10-6/K.具有一定的周期性:IA族元素的α值隨Z增加而增大,其余A族元素的α值則隨Z增加而減小.這與鍵有關(guān).堿金屬α值高,過渡族元素α值低.與原子結(jié)合力有關(guān).4.與原子序數(shù)的關(guān)系:3.與德拜溫度的關(guān)系：1.3.4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）1.相變的影響：一級相變的特征是：體積發(fā)生突變，伴有相變潛熱，膨脹系數(shù)在轉(zhuǎn)變點無限大。如三態(tài)轉(zhuǎn)變，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等屬于一級相變。二級相變無體積突變和相變潛熱，但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。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5℃/min測量。在960℃（曲線峰值）和1409℃出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)變化（bcc-fcc-bcc）。2.晶型轉(zhuǎn)變。室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于1000度時轉(zhuǎn)為四方晶型，體積收縮4%。嚴(yán)重影響應(yīng)用。加入MgO,CaO,Y2O3等穩(wěn)定劑后，在高溫與ZrO2形成立方晶型的固溶體。不到2000度不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。T/℃純ZrO2完全穩(wěn)定化ZrO2CaO8%ZrO21200400△l/l(b).ZrO2的膨脹曲線原子間結(jié)合力與ΘD2成正比，結(jié)合力越大，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，而類似于無定型玻璃往往有較小的膨脹系數(shù)。多晶石英的α值為12×10-6/K；而無定型石英玻璃的α值只有0.5×10-6/K。3.晶態(tài)轉(zhuǎn)變4.各向異性的影響石墨垂直于c軸方向的αl=1.0×10-6/K；而平行c軸方向的αl=27×10-6/K。常溫下因熱應(yīng)力較大而強度不高；高溫時內(nèi)應(yīng)力消除，強度反而升高。各向同性立方晶系：αV≈3αl各向異性晶體：αV=αa+αb

+αc六方晶體：αV

=α//+2α⊥

（見習(xí)題P52-6）5.有序-無序轉(zhuǎn)變:

如Au-Cu有序合金加熱到300℃時有序開始破壞。達480℃時完全無序化。拐折點對應(yīng)有序無序轉(zhuǎn)變的上臨界溫度，常稱有序-無序轉(zhuǎn)變溫度。Cu-Zn合金成分接近CuZn時，形成具有體心立方點陣的固溶體，低溫時為有序狀態(tài)，銅原子在每個單胞的結(jié)點上，鋅原子在中心。隨T升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序，吸收熱量。屬于二級相變?！鱨/lT/℃300500Au-50%CuCu-50%ZnFe-25%Al(a).有序無序轉(zhuǎn)變膨脹曲線6.鐵磁性轉(zhuǎn)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T3規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會出現(xiàn)反常膨脹。目前解釋是磁致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，或在一定溫度范圍內(nèi)不變的可伐合金(Kovaralloy)。NiFeCo100060014001200T/Kα680520920鋼組織的膨脹特性鋼的膨脹特性取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。鋼組織中馬氏體比容最大，奧氏體最小，鐵素體和珠光體居中。而馬氏體，珠光體和奧氏體的比容都隨含碳量的增加而增大。鐵素體和滲碳體的比容有固定值。鋼的線膨脹系數(shù)則相反，奧氏體最大，鐵素體和珠光體次之，馬氏體最小。1.3.4膨脹的測量膨脹測量是材料熱性能研究的一種物理方法。材料的熱膨脹特性以它的膨脹系數(shù)表征，通常檢測其平均線膨脹，核心在于精確測量在特定溫區(qū)內(nèi)的熱膨脹量。由于理論和低溫研究的需要，熱膨脹測量在高靈敏度(Δl/l~10-12)、高精度方面發(fā)展較快；工業(yè)上的膨脹測量向自動化和快速反映方向發(fā)展。微機的應(yīng)用使精度和自動化程度得到提高。熱膨脹在快速冷卻，加熱的熱循環(huán)中，對研究材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變具有獨特作用。膨脹的測量方法：光學(xué)式，電測式，機械式。德國耐馳儀器制造有限公司上海代表處主要技術(shù)指標(biāo)

工作溫度：室溫～1600℃；

靈敏度：

1.25nm/digit;升溫速率：0.1～10℃/min;樣品狀態(tài)：固體、粉末、液態(tài);樣品大?。洪L50mm

(max)直徑：

12mm

(max);測試氣氛：真空（10-4mbar）、靜態(tài)、動態(tài)（可用惰性或反應(yīng)氣體）。ULTRAHIGHTEMPERATUREDILATOMETERAmbientto2000/2500/2800°CSingleordualsampleResearchqualitySinteringstudiesFullrangeopticalpyrometer(光測高溫計)VacuumorinertatmosphereFullyautomaticoperationwithWindows?software

(PCnotincluded)左圖顯示的是氮化硅生料的熱膨脹和膨脹速率微分曲線。由于燒結(jié)添加劑的影響，材料在1201℃開始了燒結(jié)過程。主要的收縮過程發(fā)生在1424℃（外推起始點）。在1760℃以上的效應(yīng)則由添加劑的揮發(fā)引起。應(yīng)用實例:氮化硅由于其出色的熱性能和機械特性，氮化硅正日益成為高科技領(lǐng)域中的常用材料之一（如作為汽車引擎的閥門）。當(dāng)然，生產(chǎn)與燒結(jié)工藝對于最終成品的性能有著決定性的影響。LaserInterferometryTypeThermalExpansionMeterItsmeasurementaccuracyisashighas2nmasagainst+/-1umwhichisobtainablebytheconventionalpushrodtypedilatometer.1.光學(xué)膨脹儀的基本原理是什么?

2.標(biāo)準(zhǔn)樣的功能是什么?對標(biāo)準(zhǔn)樣有何要求?示差光學(xué)膨脹儀較普通光學(xué)膨脹儀有何優(yōu)點?光干涉法膨脹儀的基本原理是什么?(光的干涉條件是什么?如何實現(xiàn)?如何計算試樣的膨脹量?)電感式膨脹儀的基本原理是什么?有何特點?常用的膨脹儀1.光學(xué)膨脹儀

光學(xué)膨脹儀是物理冶金中常用的膨脹儀。其基本原理是利用光杠桿放大試樣的膨脹量，并用標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長標(biāo)出溫度。又通過照相方法自動記錄膨脹曲線。放大倍數(shù)可達200~800倍通常可分為：(1).普通光學(xué)膨脹儀(測定膨脹系數(shù))(2).示差光學(xué)膨脹儀(靈敏度和精確度更高，適于測定臨界點)膨脹儀按原理可分為：光學(xué)式，電測式，機械式。注：（1）A點用鉸鏈固定。AC垂直；AB水平。（2）借助光路的多次反射可延長反射鏡和感光紙的距離，以達到所需放大倍數(shù)(200,400,800倍)。(一).普通光學(xué)膨脹儀光杠桿式膨脹原理圖：共析鋼膨脹曲線示意圖:△lT/℃Ac1Ar145o45oCAB底片光源標(biāo)準(zhǔn)樣待測樣石英桿共析鋼標(biāo)準(zhǔn)樣的要求：其膨脹量與溫度成正比；在測量范圍內(nèi)無相變,不易氧化；導(dǎo)熱系數(shù)接近待測樣。與試樣的形狀和尺寸相同.標(biāo)準(zhǔn)樣的選擇：較低溫度方圍研究有色金屬和合金時，常用銅和鋁純金屬做標(biāo)準(zhǔn)樣；研究鋼材時，研究鋼的標(biāo)樣可采用皮洛斯合金（PYROSalloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).穩(wěn)定性好，1000度以下無相變，膨脹系數(shù)由12.27×10-6/K均勻增加到21.24×10-6/K。較石英傳動桿的線膨脹系數(shù)約0.5×10-6/K。(二)示差光學(xué)膨脹儀：

（試樣與標(biāo)樣熱膨脹的相對差值的方法）60o標(biāo)樣試樣BAC底片光OyxCAC′B標(biāo)樣功能：水平分量指示溫度；縱向分量抵消試樣的膨脹量，尤其是試樣組織未轉(zhuǎn)變前的膨脹量。從而使膨脹量的范圍縮小，提高了測量精度和靈敏度。很適用于分析金屬內(nèi)部組織變化。光干涉法膨脹儀

干涉條件:兩列頻率相同,位相差恒定的波相遇而干涉。

膨脹量：△l=△N·λ/2;△N由光敏元件和計數(shù)器連續(xù)測定。

優(yōu)點：精度高（光波長在0.1微米量級)。

缺點：裝置設(shè)計要求高。上下干涉板試樣半透鏡光敏元件計數(shù)器記錄儀光干涉法膨脹儀示意圖2.電測式膨脹儀將膨脹量轉(zhuǎn)換為電訊號，然后進行電訊號的記錄，數(shù)據(jù)處理和畫出膨脹曲線。(包括應(yīng)變電阻式膨脹儀，電容式膨脹儀和電感式膨脹儀)。電感式膨脹儀原理:采用差動變壓器原理將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)換為電信號（放大倍數(shù)可達到6000倍）。特點：試樣可采用真空高頻加熱，加熱速度可控制在500℃/s以下范圍。試樣冷卻可以選用小電流加熱﹑自然冷卻﹑和強力噴氣冷卻三種冷卻方式。加熱溫度和冷卻速度易于自動化和計算機控制和數(shù)據(jù)處理。近年來，較為先進的全自動快速膨脹儀膨脹量轉(zhuǎn)換采用的就是差動變壓器原理。缺點：易受電磁因素的干擾。變壓器電源采用200~400Hz以防止工業(yè)網(wǎng)的干擾。電感式膨脹儀測量原理試樣傳感桿磁芯差動變壓器原理圖試樣加熱爐控溫儀差動變壓器恒溫箱放大器記錄儀膨脹儀結(jié)構(gòu)方框圖組成：初級，次級線圈和磁芯構(gòu)成。初級和次級線圈繞在同一絕緣管上,次級線圈由兩段完全相同的繞組反向的先圈串接而成。它們相對初級線圈完全對稱。磁芯處在中間位置時，反接的次級線圈的感生電動勢相互抵消。磁芯偏離中間位置差動變壓器信號與磁芯偏離量呈線性關(guān)系。3.機械式膨脹儀(1).千分表式膨脹儀(2).杠桿式膨脹儀將膨脹量轉(zhuǎn)移到千分表或利用杠桿作用放大.1.3.4膨脹分析的應(yīng)用（組織轉(zhuǎn)變體積效應(yīng)）1。確定鋼的組織轉(zhuǎn)變溫度：

溫度變化（無相變）正常膨脹組織變化導(dǎo)致附加膨脹鋼加熱b'e亞共析鋼aAc1Ac3Ar1Ar3△lT/℃a'bae段:珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體eb段：鐵素體溶解于奧氏體注：在確定鋼組織轉(zhuǎn)變臨界點時，為使結(jié)果有可比性，除對鋼的成分有嚴(yán)格要求外，還有下列要求：1。原始組織應(yīng)相同，常用退火態(tài)，晶粒度相同。2。相同加熱及冷卻速度(一般小于200?C/h，高合金鋼冷卻速度小于120?C/h3。奧氏體化溫度和保溫時間按要求保持一致。1)。轉(zhuǎn)變點的測定△lT/℃Ac1Ar1△lT/℃Ac1Ar1AccmArcm共析鋼過共析鋼

ab:珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；bc:鐵素體溶解于奧氏體；二次滲碳體的存在使高溫區(qū)膨脹曲線明顯拐折；奧氏體膨脹系數(shù)比珠光體大導(dǎo)致斜率增大；二次滲碳體不斷溶解，使奧氏體含碳量增高，比容增大，使Arcm兩旁斜率不同。cb亞共析鋼aAc1Ac3Ar1Ar3△lT/℃2).鋼膨脹曲線的分析2.研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變（1）測定過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的動力學(xué)曲線試樣：退化狀態(tài)的材料制備試樣。奧氏體化溫度：Ac1+(30~50℃);或生產(chǎn)中實際淬火溫度。保溫時間：由試樣大小定；(直徑3毫米在空氣中保溫5~10分鐘)。等溫轉(zhuǎn)變過程：經(jīng)奧氏體化后，立即冷卻到等溫溫度；同時膨脹儀也從記錄膨脹和溫度的關(guān)系切換到記錄膨脹和時間的關(guān)系。等溫條件下試樣的伸長和組織轉(zhuǎn)變數(shù)量成正比時間t△lt1OE△l溫度TACt2鋼的奧氏體化處理及等溫轉(zhuǎn)變過程的膨脹曲線等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：過冷奧氏體在相變溫度A1下不同溫度范圍內(nèi)可發(fā)生高溫珠光體型轉(zhuǎn)變(A1~550℃)，中溫貝氏體（550℃~Ms)和低溫馬氏體型轉(zhuǎn)變（比熱容大于奧氏體）；等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物數(shù)量的確定：組織的轉(zhuǎn)變量與膨脹量成正比。轉(zhuǎn)變50%所需要的時間即△l/2所對應(yīng)的時間。奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變通常不徹底，可借助金相方法，對應(yīng)溫度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物進行定量分析。然后再按轉(zhuǎn)變量與膨脹量成正比的關(guān)系，找出不同轉(zhuǎn)變量所對應(yīng)的時間。TTT圖的繪制：在Ms點和Ac1點間，每隔（2）馬氏體轉(zhuǎn)變點Ms的確定時間t△l△lf△lf/2時間t溫度T開始終了50%t1t2過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)轉(zhuǎn)變圖（2）馬氏體轉(zhuǎn)變點Ms的確定優(yōu)點：奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的體積效應(yīng)最明顯，用膨脹法測定Ms點效果很好。要求：多數(shù)鋼測定Ms點需要很高的冷卻速度：膨脹儀需具有淬火機構(gòu)和快速記錄裝置。常采用全自動快速膨脹儀。馬氏體轉(zhuǎn)變量的確定：假定馬氏體和奧氏體的膨脹系數(shù)相近，轉(zhuǎn)變量與膨脹量成正比，則可用下面方法：△l溫度TMsMfABCDM50馬氏體轉(zhuǎn)變膨脹曲線3.研究鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變實際生產(chǎn)中，熱處理多采用連續(xù)的冷卻方式。需要應(yīng)用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（CCT）曲線了解過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的規(guī)律。CCT曲線的建立，需首先測定不同冷卻速度下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的膨脹曲線。40CrNiMoA鋼的冷卻膨脹曲線：為繪制CCT曲線，先取時間對數(shù)為橫坐標(biāo)，溫度T縱坐標(biāo)繪出不同冷卻速度的冷卻曲線，將膨脹曲線上得到的轉(zhuǎn)變點，將開始及終了轉(zhuǎn)變點聯(lián)成光滑曲線便得到CCT圖。

圖40CrNiMoA連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變熱膨脹曲線（2）測定鋼的CCT曲線（連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線）復(fù)習(xí)題1.試用雙原子模型說明固體熱膨脹的物理本質(zhì)。2.反常膨脹有何意義，舉例說明之。3.畫出亞共析鋼的示差膨脹曲線，標(biāo)出組織轉(zhuǎn)變溫度，指出曲線斜率在組織轉(zhuǎn)變前后有何不同，為什么？例1.CalculatethechangeinvolumethatoccurswhenBCCironisheatedandchangestoFCCiron.ThelatticeparameterofBCCironis2.863AandofFCCironis3.591A.

VolumeofBCCcell=a3=2.8633=23.467×10-30

（m3）VolumeofFCCcell=a3=3.5913=46.307×10-30

（m3）ButtheFCCunitcellcontainsfouratomsandtheBCCunitcellcontainsonlytwoatoms.TwoBCCunitcellswithatotalvolumeof46.934willcontain4atoms.Volumechange/atom=(46.307-46.934)/46.934=-1.34%Steelcontractsonheating!!例2:金剛石為碳的一種晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.357nm，當(dāng)它轉(zhuǎn)變成石墨（ρ=2.25g/cm3）結(jié)構(gòu)時，求其體積改變百分?jǐn)?shù)？金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)式面心立方結(jié)構(gòu)，