第二講熱性能

第二講熱性能第一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2引子：熱性能的物理本質(zhì)熱學(xué)性能的物理本質(zhì)：構(gòu)成材料的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子)在其平衡位置的微小振動(dòng)，即晶格熱振動(dòng)；晶格熱振動(dòng)是在彈性范圍內(nèi)原子的不斷交替聚攏和分離。這種運(yùn)動(dòng)具有波的形式，稱(chēng)之為晶格波(又稱(chēng)點(diǎn)陣波)。晶格振動(dòng)的能量是量子化的。與電磁波的光子類(lèi)似，點(diǎn)陣波的能量量子稱(chēng)為聲子。晶體熱振動(dòng)就是熱激發(fā)聲子。熱性能的表征：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱輻射等。在相變研究中具有重要的理論意義。第二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3概念：在任一過(guò)程中﹐加給物質(zhì)或體系的熱量與由此發(fā)生的溫度的變化之比。用字母C表示。物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)之一﹐熱力工程設(shè)計(jì)和過(guò)程熱平衡計(jì)算的基礎(chǔ)熱數(shù)據(jù)。真熱容：在溫度T時(shí)的真熱容相應(yīng)于一個(gè)無(wú)限小的溫度變化，即C=Q/T平均熱容：在溫度T1～T2間的平均熱容相應(yīng)于有限的溫度變化，即C均＝Q/(T2-T1)；Q為把體系從T1加熱到T2所需要的熱量。比熱容或摩爾熱容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量(1kg)或物質(zhì)量(1mol)的物質(zhì)溫度升高一度所需要的熱量。2.1與熱容有關(guān)的概念第三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五4由于熱量Q與過(guò)程的途徑有關(guān)﹐必須指出決定途徑的條件﹐熱容才有確定的值。定容熱容：在等容下(W=0,Q=U)得到的摩爾熱容CV,m，對(duì)無(wú)限小變化來(lái)說(shuō)，U為體系的內(nèi)能。定壓熱容：在等壓下(Q=(U+pV)=H)得到的摩爾熱容CP,m，對(duì)無(wú)限小變化來(lái)說(shuō)，H為體系的焓。在研究氣體時(shí)人們得知：氣體的定容熱容與物質(zhì)的自由度有關(guān)，且不隨溫度而變化。但是對(duì)固體來(lái)說(shuō)，熱容是隨溫度的變化的。U＝Q＋W第四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五52.2固體熱容理論兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律：杜?。晏婺栐訜崛荻珊涂缕眨Z伊曼化合物熱容加和定律。杜?。晏婺栐訜崛荻桑喊褮怏w分子的熱容理論直接用于固體，得出室溫下固體單質(zhì)的CV近似等于24.9J/(Kmol)?？缕眨Z伊曼化合物熱容加和定律：在室溫和常壓下﹐一個(gè)化合物的摩爾熱容近似等于組成該化合物的元素摩爾原子熱容之和﹐即化合物的熱容CV＝24.9n，式中n為分子中的原子數(shù)。1,經(jīng)驗(yàn)定律第五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五6對(duì)于氣體分子振動(dòng)來(lái)說(shuō)，除了有振動(dòng)動(dòng)能以外，還有振動(dòng)勢(shì)能，1個(gè)自由度的動(dòng)能和勢(shì)能皆為1/2kT；而一個(gè)原子有3個(gè)振動(dòng)自由度，因此其動(dòng)能和勢(shì)能的總和為：3kT。一摩爾固體中有N0個(gè)原子，因此總能量為：E＝3N0kT=3RT。根據(jù)摩爾定容熱容定義，1mol單元子固體物質(zhì)的CV為：對(duì)于由n個(gè)原子組成的化合物﹐則為﹕n×3R=24.9n，這就是柯普－諾伊曼化合物熱容加和定律。經(jīng)典動(dòng)力學(xué)根據(jù)能量均分原理對(duì)兩經(jīng)驗(yàn)定律的解釋第六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五經(jīng)驗(yàn)定律存在的問(wèn)題：1)沒(méi)有反映熱容與溫度的關(guān)系，認(rèn)為CV是一個(gè)固定不變的、與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)；2)在高溫時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合，但在低溫下卻相差很大；3)對(duì)金屬，只在較小的溫度范圍內(nèi)適用且只是部分金屬。4)對(duì)于原子量低于39的某些輕元素﹐誤差可能很大。例如﹐碳(石墨)的CP為8.8﹐硼CP為12.2﹐硅為20.2J/(mol·K)。對(duì)于晶體物質(zhì)﹐其熱容隨溫度變化的一般規(guī)律是﹕在絕對(duì)零度附近﹐熱容與T3成正比﹐接著出現(xiàn)一直線部分﹐然后在高溫時(shí)接近杜隆－珀替定律規(guī)定的值。7第七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五82，愛(ài)因斯坦模型愛(ài)因斯坦(Einstein)應(yīng)用量子論的觀點(diǎn)﹐于1907年提出了計(jì)算固體熱容的原子振動(dòng)的簡(jiǎn)單模型。模型：1)固體內(nèi)原子均以同一特征頻率振動(dòng)；2)每一原子有三個(gè)振動(dòng)自由度；3)可以將黑體輻射的普朗克公式應(yīng)用到固體中原子的振動(dòng)上去﹐且每一振動(dòng)自由度的振子作為線性振子而具有平均能量。1mol晶體總能量：3N0平均應(yīng)用模型得出固體的CV為：

其中，fE(E/T)為愛(ài)因斯坦函數(shù)，E=h/k，為愛(ài)因斯坦特征溫度

第八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五9愛(ài)因斯坦模型(續(xù))當(dāng)溫度T》E時(shí)，fE(E/T)1,故CV3R，與用能量均分定理得到的結(jié)果一致；當(dāng)T《E時(shí)，

特點(diǎn)與不足：1)隨著T→0而指數(shù)地趨于零﹐同實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符﹐解決了杜?。晏娑刹荒芙忉尩牡蜏叵鹿腆w熱容同溫度有關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)；2)但在低溫下，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比(與T3成比例)，下降得過(guò)快；3)只考慮了一種頻率﹐忽略了其它振動(dòng)頻率。不同材料的固體各有其特征頻率

﹐所以E不同(反應(yīng)不同元素的CV趨于常數(shù)3R時(shí)的溫度)，熱容曲線也不同﹐但在高溫時(shí)都趨于同一個(gè)常數(shù)3R，同材料的本身性質(zhì)無(wú)關(guān)。第九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五103,德拜模型

德拜(Debye)模型：考慮熱容應(yīng)是原子的各種頻率振動(dòng)貢獻(xiàn)的總和，即把晶體里的原子當(dāng)作振動(dòng)子﹐如果有N個(gè)原子﹐振動(dòng)子的數(shù)目就是3N﹐它們的振動(dòng)頻率不一致﹐有低有高﹐但不超過(guò)一最高值m。而且它們相互牽連和制約。原子振動(dòng)具有寬振動(dòng)譜，晶體熱振動(dòng)能量為整個(gè)頻率范圍所有諧振子數(shù)(由頻率分布函數(shù)決定)的平均能量之和。

根據(jù)假設(shè)：晶體是一種連續(xù)介質(zhì)﹐晶體里的振動(dòng)過(guò)程和聲波通過(guò)彈性介質(zhì)所發(fā)生的振動(dòng)的情形相似，推出其中，x=h/(kT)，D=hm/kD為德拜特征溫度。第十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五11德拜模型(續(xù))當(dāng)T《D，前式可簡(jiǎn)化為：

熱容CV是T/D的單值函數(shù)﹐與T3成正比。當(dāng)T/D相等時(shí)，各種物質(zhì)的熱容也相同。這樣根據(jù)各種物質(zhì)的D值﹐利用德拜函數(shù)表(D/T-CV)即可直接計(jì)算CV值。當(dāng)T》D，CV=3R，與經(jīng)典理論一致。

限制或不足：1)較復(fù)雜的分子﹐特別是高度各向?qū)跃w﹐前述的頻率分布函數(shù)不適用﹔2)波長(zhǎng)同點(diǎn)陣間距離可比擬﹐破壞了連續(xù)媒質(zhì)的設(shè)想﹔3)極低溫度下﹐電子參與對(duì)熱容貢獻(xiàn)并起主要作用。4)對(duì)原子振動(dòng)頻率較高時(shí)不適用；4)D與溫度無(wú)關(guān)，不盡合理。第十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五德拜溫度ΘD隨物質(zhì)而異，反映不同物質(zhì)的原子間結(jié)合力的大小。熔點(diǎn)(此時(shí)，原子振幅達(dá)到使晶格破壞的數(shù)值)高，即材料原子間結(jié)合力強(qiáng)，ΘD便高，尤其是相對(duì)原子質(zhì)量小的金屬更為突出。選用高溫材料時(shí)ΘD也是考慮的參數(shù)之一。12德拜溫度TM為熔點(diǎn),M是相對(duì)原子質(zhì)量，Va是原子體積第十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五13德拜模型(續(xù))第十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五14固體熱容小結(jié)第十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五152.3液體的熱容理論尚無(wú)實(shí)用的理論。在液體里﹐分子運(yùn)動(dòng)可以分為平動(dòng)﹑轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)三種﹐但每種運(yùn)動(dòng)都受分子間作用力的影響。這種分子間作用力由各種液體的特性所決定﹐因而使理論處理變得十分復(fù)雜和困難。一般來(lái)說(shuō)﹐同一種物質(zhì)的液態(tài)熱容比固態(tài)熱容稍高﹐隨溫度的變化也較小。例如水的比熱容約為4.2J／(kg·K)，冰則為2.1J／(kg·K)。

第十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.4金屬和合金的熱容1,金屬的熱容金屬與其它固體的重要差別之一是其內(nèi)部有大量自由電子，在低溫下對(duì)金屬熱容的貢獻(xiàn)重要。常溫下與3R相比很小，可忽略不計(jì)。16范圍規(guī)律影響因素I區(qū)0-5KCVT自由電子II區(qū)5K～

DCVT3自由電子、晶格振動(dòng)III區(qū)T>>D

CV>3R自由電子、晶格振動(dòng)超過(guò)3R的增加部分主要由自由電子貢獻(xiàn)第十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬的熱容(續(xù))17圖Cu熱容隨溫度變化曲線第十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2，合金的熱容奈曼—考普(Neumann-Kopp)定律固態(tài)化合物分子的熱容由其組元的摩爾熱容按比例相加C=pC1+qC2+…

p和q是該化合物分子中各組成的原子百分?jǐn)?shù)；C1、C2為各組元的原子熱容。

它可應(yīng)用于多相混合組織、固溶體或化合物由奈曼—考普定律計(jì)算的熱容值與實(shí)驗(yàn)值相差不大于4％。但不適用于低溫條件或鐵磁性合金。18第十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.5陶瓷的熱容陶瓷材料主要由離子鍵和共價(jià)鍵組成。室溫下幾乎無(wú)自由電子，因此熱容與溫度關(guān)系更符合德拜模型。下圖為幾種陶瓷材料的熱容溫度曲線。19由圖可見(jiàn)，熱容都是在接近

D時(shí)趨近24.9J/mol·K。此后溫度增加，熱容幾乎不變，只有MgO稍有增加。第十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五陶瓷的熱容(續(xù))實(shí)驗(yàn)證明，在較高溫度下(573K以上)固體的摩爾熱容約等于構(gòu)成該化合物各元素原子熱容的總和Cm=niCi

ni為化合物元素i的原子數(shù)Ci為化合物元素i的摩爾熱容對(duì)于多相復(fù)合材料的比熱容,也有類(lèi)似公式。陶瓷的多晶多相體系，材料中的氣孔率對(duì)單位體積的熱容有影響。多孔材料因?yàn)橘|(zhì)量輕，所以熱容小，故提高輕質(zhì)隔熱材料的溫度所需的熱量遠(yuǎn)低于致密的耐火材料。因此周期加熱的窯爐盡可能選用多孔的硅藻土磚、泡沫剛玉等，以達(dá)到節(jié)能的目的。20第二十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.6相變對(duì)熱容的影響材料在發(fā)生相變時(shí)，形成新相的熱效應(yīng)大小與形成新相的形成熱有關(guān)。一般規(guī)律：以化合物相的形成熱最高，中間相形成熱居中，固溶體形成熱最小。在化合物中以形成穩(wěn)定化合物的形成熱最高，反之形成熱低。根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)相變前后的變化，相變可以分為一級(jí)相變和二級(jí)相變。21第二十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱力學(xué)分析已證明，發(fā)生一級(jí)相變時(shí)，除有體積突變外，還伴隨相變潛熱發(fā)生。左圖(a)：一級(jí)相變時(shí)熱力學(xué)函數(shù)變化的特點(diǎn)，即在相變溫度下，H(焓)發(fā)生突變，熱容為無(wú)限大。由于一級(jí)相變發(fā)生在恒溫恒壓下，則?H＝?QP，故相變潛熱(熱效應(yīng)QP)可直接從H和T的關(guān)系曲線得到。示例：如純金屬的三態(tài)變化，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，共晶、包晶轉(zhuǎn)變等。固態(tài)的共析轉(zhuǎn)變也是一級(jí)相變。221，一級(jí)相變第二十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五右圖：在較低溫度時(shí)，隨溫度升高，熱量緩慢增加，其后逐漸加快，到某一溫度TM時(shí)，熱量的增加幾乎是直線上升。在高于TM之后，所需熱量的增加又變得緩慢。TM為金屬熔點(diǎn)。此時(shí)，金屬由固態(tài)變成液態(tài)，需要吸收部分熱量，這部分熱量即為熔化熱qM。如將液態(tài)金屬的焓變化曲線F和固態(tài)金屬的焓變化曲線K相比較，可發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬比固態(tài)(晶體)金屬的焓高，因此可以說(shuō)液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)熱容大。23金屬熔化時(shí)焓和溫度的關(guān)系第二十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五陶瓷材料發(fā)生一級(jí)相變時(shí)，材料的熱容會(huì)發(fā)生不連續(xù)突變。右圖：SiO2的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(石英石英)時(shí)的熱容變化。24陶瓷材料的焓和溫度的關(guān)系其它：如晶體在熔化與凝固、多晶轉(zhuǎn)化、鐵電轉(zhuǎn)變、鐵磁轉(zhuǎn)變、有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變等相變情況下也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的情況。第二十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五相變?cè)谝粋€(gè)有限的溫度范圍逐步完成。右圖(b)：發(fā)生二級(jí)相變時(shí)，其焓也發(fā)生變化，但不像一級(jí)相變那樣發(fā)生突變；其熱容CP在轉(zhuǎn)變溫度附近也有劇烈變化，但為有限極大值。例子：磁性轉(zhuǎn)變、部分材料中的有序無(wú)序轉(zhuǎn)變(有人認(rèn)為部分轉(zhuǎn)變可屬于一級(jí)相變)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等。252，二級(jí)相變第二十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例1：CuCl2在24K時(shí)磁性轉(zhuǎn)變，如左下圖例2：純鐵在加熱時(shí)發(fā)生的磁性轉(zhuǎn)變A2，如右下圖。26第二十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.7熱分析測(cè)量與應(yīng)用熱分析中的焓和熱容是研究合金相變過(guò)程中的重要參數(shù)。熱分析是在程序控制下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。根據(jù)物質(zhì)發(fā)生變化的物理參數(shù)不同，有關(guān)的熱分析方法如下表：27質(zhì)量熱重法TG(ThermalGravitymeter)溫度差熱法DTA(DifferentialThermalAnalyzer)熱量差示掃描量熱法DSC(DifferentialScanningCalorimeter)尺寸熱膨脹法力學(xué)熱機(jī)械分析TMA(ThermalMechanicalAnalyzer)(一)熱分析測(cè)量第二十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1,差熱法DTA概念：在程序控制溫度下，測(cè)量處于同一條件下(加熱或冷卻)試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣(又稱(chēng)參比樣，要求是穩(wěn)定的物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)溫度內(nèi)不發(fā)生組織結(jié)構(gòu)變化，且導(dǎo)熱、比熱容等與試樣相近)間的溫差T隨溫度T或時(shí)間t的變化關(guān)系。工作原理如右圖和下述。28兩對(duì)熱電偶反向聯(lián)結(jié)，構(gòu)成差示熱電偶。S為試樣，R為參比物在電表T處測(cè)得的為試樣溫度TS;在電表△T處測(cè)的即為試樣溫度TS和參比物溫度TR之差△T。第二十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五29DTA曲線形態(tài)特征基線：T近似為0，如oa,de,gh吸熱峰：abd放熱峰：efg峰寬：ad，Td-Ta峰高：bi-試樣與參比物間的最大溫差峰面積外延始點(diǎn)：峰的起始邊陡峭部分的切線與外延基線的交點(diǎn)，如J點(diǎn)T對(duì)同一物質(zhì)不同的實(shí)驗(yàn)條件DTA測(cè)量值可能不一致。如儀器的爐子形狀、尺寸、熱電偶位置，升溫速率，氣氛，試樣用量、粒度等。第二十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五30MnCO3的DTA曲線(左):升溫速率過(guò)小則差熱峰變圓變低，甚至顯示不出來(lái)。并四苯的DTA曲線(右)：升溫速率小(10℃/min)，曲線上有兩個(gè)明顯的吸熱峰,而升溫速率大(80℃/min)，只有一個(gè)吸熱峰。升溫速率過(guò)快會(huì)使兩峰完全重疊。第三十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同的DTA曲線31優(yōu)點(diǎn)：測(cè)試速度快，樣品用量少，適用范圍廣缺點(diǎn)：由于差熱分析與試樣內(nèi)的熱傳導(dǎo)有關(guān)(相對(duì)于外界加熱或冷卻時(shí)發(fā)生滯后)，儀器系數(shù)K又隨溫度變化，因此定量分析困難。另外，為了測(cè)定焊接、軋制過(guò)程等連續(xù)、快速冷卻條件下的金屬相變點(diǎn)，可采用微分熱分析或?qū)?shù)熱分析，即dT/dt與時(shí)間t的變化關(guān)系曲線。第三十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2,示差掃描量熱法DSC概念：在程序控制溫度下，用差動(dòng)方法測(cè)量加熱或冷卻過(guò)程中試樣和標(biāo)樣的溫度差T保持為0時(shí)，所要補(bǔ)充的熱量與溫度或時(shí)間的關(guān)系的技術(shù)。兩種方法：功率補(bǔ)償型和熱流型。功率補(bǔ)償型：通過(guò)調(diào)整加熱試樣的加熱功率Ps，使T為0，從補(bǔ)償?shù)墓β手苯佑?jì)算熱流率dH/dt(mJ/s)。DSC和DTA曲線形狀相似，但縱坐標(biāo)意義不同，DTA表示溫差，DSC表示熱流率。32在DSC曲線中，吸熱(endothermic)效應(yīng)用凸起正向的峰表示(熱焓增加)，放熱(exothermic)效應(yīng)用凹下的谷表示(熱焓減少)。第三十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五DSC廣泛用于研究物質(zhì)的物理變化(如玻璃化變、熔融、結(jié)晶、晶型轉(zhuǎn)變、升華、汽化、吸附等)和化學(xué)變化(如分解、降解、聚合、交聯(lián)、氧化還原等)。這些變化是物質(zhì)在加熱或冷卻過(guò)程中發(fā)生的，它在DSC曲線上表現(xiàn)為吸熱或放熱的峰或基線的不連續(xù)偏移。33[Ag(TO)2]ClO4·H2O的典型DSC曲線較緩慢的吸熱過(guò)程急劇的吸熱過(guò)程急劇的放熱過(guò)程較緩慢的放熱過(guò)程

第三十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3,熱重法(Thermogrivimetry-TG)概念：在程序控制溫度下，測(cè)量材料的質(zhì)量與溫度的關(guān)系的方法。熱重曲線：把試樣的質(zhì)量或反應(yīng)轉(zhuǎn)化率作為時(shí)間或溫度的函數(shù)進(jìn)行記錄分析得到的曲線。應(yīng)用：可以區(qū)別和鑒定不同的物質(zhì)；可以分析物質(zhì)合成、反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。34第三十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五(二)熱分析應(yīng)用合金狀態(tài)圖的建立，可依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定一系列合金狀態(tài)變化溫度(臨界點(diǎn))的數(shù)據(jù)，繪出狀態(tài)圖中所有的轉(zhuǎn)變線，其中包括液相線、固相線、共晶線、包晶線等。實(shí)測(cè)時(shí)注意的問(wèn)題：351，研究相圖實(shí)測(cè)曲線不像理想曲線那樣在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處有明顯的尖角，而往往呈圓弧狀。原因：熱電偶溫度降溫緩慢所致或缺乏攪拌，解決辦法：熱電偶絲要細(xì)、套管薄、冷卻速度慢。實(shí)際測(cè)量時(shí)，出現(xiàn)熱滯后與熱不均勻。第三十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2，研究鋼的轉(zhuǎn)變曲線(1)SUJ2軸承鋼的等溫DTA曲線當(dāng)試樣投入等溫鹽浴爐之后，熱電勢(shì)下降，由試樣和標(biāo)樣在冷卻過(guò)程中溫度不同而造成的。經(jīng)52s后，由于試樣發(fā)生相變產(chǎn)生熱效應(yīng)使試樣溫度上升，則示差熱電勢(shì)向正向變化，200s后又到變化前的狀態(tài)，因此可以認(rèn)為52s即是5UJ2鋼在300℃等溫相變的孕育期。金相法校正表明：示差熱電勢(shì)增加(發(fā)熱)的開(kāi)始時(shí)間就是相變開(kāi)始時(shí)間，發(fā)熱恢復(fù)的時(shí)間即為轉(zhuǎn)變終了時(shí)間。36第三十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五(2)SUJ2軸承鋼爐冷曲線冷卻至150s開(kāi)始轉(zhuǎn)變，220s恢復(fù)。取150s和170s水冷后金相觀察：前者的金相組織沒(méi)有珠光體，后者有。取190s和220s水冷，發(fā)現(xiàn)：前者的金相組織見(jiàn)到5％的馬氏體，后者見(jiàn)不到。金相檢驗(yàn)證明：用DTA分析曲線上見(jiàn)到的發(fā)熱和恢復(fù)時(shí)間來(lái)確定珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始點(diǎn)及終止點(diǎn)是正確的。37第三十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3，研究有序-無(wú)序相變例如：銅鋅合金成分比例接近CuZn時(shí)，形成體心立方點(diǎn)陣的固溶體。38低溫時(shí)，合金處于有序狀態(tài)。隨著溫度的增高，它要逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)。有序-無(wú)序的轉(zhuǎn)變是吸熱過(guò)程，屬于二級(jí)相變。由熱容曲線上升段(AB)和下降段(BD)兩條曲線所包圍的面積，可求出相變熱效應(yīng)數(shù)值。熱分析其它應(yīng)用：如脫水、分解、氧化、聚合等過(guò)程中產(chǎn)生放熱或吸熱效應(yīng)來(lái)進(jìn)行物質(zhì)鑒定，合金相析出(脫溶或再溶解)，測(cè)定馬氏體點(diǎn)Ms等。第三十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.8熱膨脹概念基本概念：物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。膨脹系數(shù)：描述熱膨脹大小的物理量，如線膨脹系數(shù)、體膨脹系數(shù)。同一種材料,工藝過(guò)程不同,其熱膨脹系數(shù)的差別在一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)可能有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。39第三十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.9熱膨脹物理本質(zhì)固體材料熱膨脹本質(zhì)歸結(jié)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度升高而增大。晶格振動(dòng)中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力實(shí)際上是非線性的，即作用力并不簡(jiǎn)單地與位移成正比。合力曲線在平衡位置A2處r0的兩側(cè)斜率不等：r>r0時(shí)，引力隨位移增大慢；r<r0時(shí)，斥力隨位移增大較快。因此，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的平均位置不在r0處，向右移，導(dǎo)致相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離增加。溫度愈高，振幅愈大，質(zhì)點(diǎn)在平衡位置兩側(cè)受力不對(duì)稱(chēng)情況愈顯著，平衡位置向右移動(dòng)越多，相鄰質(zhì)點(diǎn)平均距離就增加得多，導(dǎo)致微觀上晶胞參數(shù)增大，宏觀上晶體膨脹。40第四十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五雙原子模型假設(shè)：一個(gè)固定在坐標(biāo)原點(diǎn)，另一個(gè)處于平衡位置r=r0處(溫度為0K)。熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致勢(shì)能U(r)與離開(kāi)平衡位置的位移x的關(guān)系：41雙原子模型-膨脹量與溫度的關(guān)系保留x3項(xiàng)，則:U(r)=U(r0)+cx2-gx3，如右圖實(shí)線。勢(shì)能曲線的非對(duì)稱(chēng)性：當(dāng)溫度升高時(shí)，勢(shì)能沿1、2、3、4對(duì)應(yīng)的與橫軸的距離變化。此時(shí)，平衡位置將沿著AB線變化，即溫度升得越高，平衡位置移得越遠(yuǎn)，引起晶體的膨脹。根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)，平均位移為：(T增加，平均位移增大)虛線為去掉x3項(xiàng)，不合理(只是振幅增大)第四十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.10膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)=(dL/dT)/L體膨脹系數(shù)=(dV/dT)/V對(duì)于各向同性立方晶系：=3一般情況下，表征材料熱膨脹用線膨脹系數(shù)。工程中，膨脹系數(shù)是經(jīng)常要考慮的物理參數(shù)之一。如玻璃陶瓷與金屬間的封接，由于電真空的要求，需要在低溫和高溫下兩種材料的膨脹系數(shù)值均相近，否則易漏氣。還有不同襯底上的異質(zhì)外延時(shí)，需考慮薄膜和襯底的熱膨脹系數(shù)的差異。42第四十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1,膨脹系數(shù)與其它性能的關(guān)系431）金屬熱膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動(dòng)加劇而引起的容積膨脹，而晶格振動(dòng)的激化就是熱運(yùn)動(dòng)能量的增大。升高單位溫度時(shí)能量的增量也就是熱容的定義，所以熱膨脹系數(shù)顯然與熱容關(guān)系密切。格律乃森從晶格振動(dòng)理論導(dǎo)出金屬體膨脹系數(shù)與熱容間存在的關(guān)系式，即格律乃森定律。式中：γ是格律乃森常數(shù)，是表示原子非線性振動(dòng)的物理量，一般物質(zhì)γ在1.5-2.5間變化,K是體積模量；V是體積；Cv是等容熱容。第四十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五44膨脹系數(shù)和熱容隨溫度變化的特征基本一致。尤其是在低溫下，它們皆按T3規(guī)律變化。第四十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五格律乃森還提出，純金屬?gòu)?K加熱到熔點(diǎn)TM，體膨脹量：

0.06VT為熔點(diǎn)時(shí)的體積，V0為0K時(shí)金屬的體積。上式表明：固體加熱體積增大6%時(shí)，晶體原子間結(jié)合力很弱，以致固態(tài)熔化為液態(tài)；另外看出：物體熔點(diǎn)越低，物質(zhì)的膨脹系數(shù)越大；反之亦然。但對(duì)于In和–Sn,膨脹量為0.0276線膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)TM的經(jīng)驗(yàn)公式：TM=Constant。對(duì)大多數(shù)立方晶格和六方晶格金屬，Constant取0.06~0.076。452）膨脹系數(shù)與金屬熔點(diǎn)的關(guān)系－固體的體熱膨脹極限方程第四十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)測(cè)的熔點(diǎn)TM與線膨脹系數(shù)倒數(shù)1/的關(guān)系46第四十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3）與元素的原子序數(shù)的關(guān)系IA族(Li,Na,K,Rb,Cs,Fr)的隨原子序數(shù)的增加而增大，其它A族元素隨原子序數(shù)的增加而減小；過(guò)渡族元素具有低的，而堿金屬偏高，原因是原子結(jié)合力低；石英的很低(0.5×10-6/℃)，在膨脹儀中可忽略不計(jì)。47第四十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五48第四十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五4）與純金屬的硬度也有一定的關(guān)系49金屬本身硬度愈高，膨脹系數(shù)就愈小。第四十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2，影響熱膨脹的因素對(duì)大多數(shù)合金來(lái)說(shuō)，如合金形成均一的單相固溶體，則合金的介于組元的之間。如Ag-Au合金，近似Vegard直線定律，多數(shù)在之下。若金屬固溶體中加入過(guò)渡族元素，則固溶體的無(wú)規(guī)律。鍵強(qiáng)度高的材料，如SiC具有低的熱膨脹系數(shù)；對(duì)于成分相同的材料，由于結(jié)構(gòu)不同，熱膨脹系數(shù)也不同。通常，結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而類(lèi)似非晶態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)比較松散的材料，則往往有較小的熱膨脹系數(shù)。如多晶石英的為12×10–6K-1，而無(wú)定形的石英玻璃只有0.5×10–6K-1。50（1）合金成分第五十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）相變一級(jí)相變：對(duì)金屬和合金的多型性轉(zhuǎn)變來(lái)說(shuō)，比容突變，膨脹量l緩變；二級(jí)相變：有轉(zhuǎn)折且下降，l變化不明顯且趨勢(shì)減弱。51比容：?jiǎn)挝恢亓课镔|(zhì)所占有的容積，與密度的倒數(shù)成正比。第五十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五純Fe加熱時(shí)的比容變化曲線，如A3處減小了0.8％52第五十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五53右圖：ZrO2晶體室溫時(shí)為單斜晶型，當(dāng)溫度增至1000℃以上時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，發(fā)生了4％的體積收縮(線2)，嚴(yán)重影響其應(yīng)用；為了改變此種現(xiàn)象，加入MgO、CaO、Y203等氧化物作為穩(wěn)定劑，在高溫下與Zr02形成立方晶型的固溶體，溫度不到2000℃均不再發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變第五十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二級(jí)相變：有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變54有序結(jié)構(gòu)加熱至300℃時(shí)，有序結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞，450℃完全變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)。在這段溫度區(qū)間，膨脹系數(shù)增加很快。當(dāng)冷卻時(shí)合金發(fā)生有序轉(zhuǎn)變，膨脹系數(shù)也稍有降低。這是由于有序合金原子間結(jié)合力增強(qiáng)的結(jié)果。Au-50％Cu合金第五十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二級(jí)相變：鐵磁性轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬和合金的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律如右圖所示。這種情況稱(chēng)為正常膨脹。55鐵磁性金屬和合金如Fe、Co、Ni及其某些合金，膨脹系數(shù)隨溫度變化不符合上述規(guī)律，在正常的膨脹曲線上出現(xiàn)附加的膨脹峰，這些變化稱(chēng)為反常膨脹。其中Ni和Co的熱膨脹峰向上為正，稱(chēng)為正反常；而Fe的熱膨脹峰向下為負(fù)，稱(chēng)為負(fù)反常。第五十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五56具有負(fù)反常膨脹特性的合金，由于可以獲得膨脹系數(shù)接近為零值或者負(fù)值的因瓦(Invar)合金，或者在一定溫度范圍內(nèi)膨脹系數(shù)基本不變的可伐合金(Kovaralloy)，故具有重大的工業(yè)意義。出現(xiàn)反常的原因，目前大都從物質(zhì)的鐵磁性行為去解釋?zhuān)J(rèn)為是磁致伸縮抵消了合金正常熱膨脹的結(jié)果。Fe-Ni合金也具有負(fù)反常的膨脹特性第五十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）晶體缺陷存在空位時(shí)，對(duì)各向同性，引起晶體的體積增加：n/N

V/V＝3n/N=Ae-U/kT

=Be-U/kT其中，U為空位形成能，B是常數(shù)。研究表明：空位會(huì)使晶體的熱膨脹系數(shù)增高。溫度接近固體的熔點(diǎn)時(shí)，熱缺陷對(duì)膨脹的影響較為明顯。57第五十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）晶體的各向異性對(duì)稱(chēng)性低的金屬或晶體，其熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)為各向異性。彈性模量較高的方向具有較小的膨脹系數(shù)，反之亦然。對(duì)立方晶系，三個(gè)晶軸方向相等；＝3對(duì)六角和三角晶系，熱膨脹系數(shù)由兩個(gè)方向決定，即平行和垂直柱體晶軸方向；對(duì)斜方晶系，熱膨脹系數(shù)決定三個(gè)垂直方向的熱膨脹系數(shù)。＝3平均，＝1/3(1＋2＋3)58第五十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（5）鋼中組成相的影響相的比容：奧氏體<珠光體<鐵素體<滲碳體<馬氏體膨脹系數(shù)：奧氏體>>鐵素體>滲碳體>馬氏體比容與密度的倒數(shù)成正比。59第五十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1）碳鋼的膨脹曲線60絕對(duì)膨脹珠光體P奧氏體A時(shí)(AC1)，體積收縮共析鋼第六十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五亞共析鋼61溫度加熱到AC1時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即珠光體奧氏體A，體積收縮；溫度進(jìn)一步身高時(shí)，鐵素體F奧氏體A，體積繼續(xù)收縮，直到F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳(AC3)。此時(shí)，鋼將以?shī)W氏體的純膨脹特性伸長(zhǎng)。冷卻相反。第六十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五過(guò)共析鋼62二次滲碳體溶解和析出過(guò)程緩慢，故共析轉(zhuǎn)變接近垂直變化。Acm和Arm兩側(cè)斜率不同，滲碳體不斷向奧氏體溶解，使奧氏體含碳量減少，引起比容不斷增加。絕對(duì)膨脹第六十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2）低碳鋼的膨脹曲線63加熱時(shí)，珠光體和鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變并不連續(xù)進(jìn)行，中間出現(xiàn)非轉(zhuǎn)變區(qū)間，即AC1K轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)和AC3H轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)分開(kāi)，溫度間隔可達(dá)80°C。其原因可能與C的擴(kuò)散有關(guān)。第六十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.11熱膨脹測(cè)試方法及應(yīng)用由于理論和低溫研究的需要，熱膨脹測(cè)試在高靈敏(l/l高達(dá)10-12)、高精度方面發(fā)展很快。測(cè)量?jī)x器大致可分為：機(jī)械放大、光學(xué)放大、電磁放大。64（一）測(cè)試方法第六十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五機(jī)械放大

-千分表簡(jiǎn)易膨脹儀651：石英管2：千分表3：加熱爐4：冷卻水套(防止電爐表面溫度過(guò)高影響千分表2的測(cè)量精度)5：熱電偶6：待測(cè)試樣(與石英傳動(dòng)桿連在一起)特點(diǎn)：直接測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，具有一定的靈敏度；缺點(diǎn)：需人工觀察記錄。第六十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五光學(xué)放大-光學(xué)膨脹儀66基本原理：利用光杠桿(11-三角形金屬片，3個(gè)支點(diǎn)P1,P2,P3,P3固定)放大試樣的膨脹量，并用標(biāo)樣的伸長(zhǎng)標(biāo)出試樣溫度，同時(shí)通過(guò)照相方法自動(dòng)記錄膨脹曲線。OC：試樣和標(biāo)樣皆發(fā)生膨脹時(shí)的光點(diǎn)移動(dòng)方向第六十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五電測(cè)膨脹儀-電感式膨脹儀67基本原理：試樣加熱膨脹時(shí)，通過(guò)石英桿使鐵芯1上升，則差動(dòng)變壓器次級(jí)線圈2中的上部線圈電感增加，下部電感減小。此時(shí)，反向串聯(lián)的兩個(gè)次級(jí)線圈便有信號(hào)電壓輸出，以此反應(yīng)與試樣伸長(zhǎng)的線性關(guān)系。最后，經(jīng)放大、記錄，與溫度信號(hào)一起獲得試樣的膨脹曲線。第六十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1）測(cè)定鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線TTT

68（二）應(yīng)用bc‘：過(guò)冷奧氏體在600℃等溫分解的孕育期c‘：奧氏體開(kāi)始分解，試樣膨脹d‘：試樣長(zhǎng)度保持不變，奧氏體分解完畢bcd為500°C時(shí)的轉(zhuǎn)變曲線。孕育期bc較長(zhǎng)。鋼中過(guò)冷奧氏體在不同溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變成鐵素體、珠光體、貝氏體或馬氏體時(shí)，體積皆發(fā)生膨脹，且膨脹量與轉(zhuǎn)變量成比例。故可用膨脹法定量研究過(guò)冷奧氏體的分解。第六十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五69TTT曲線：清楚地說(shuō)明鋼在不同等溫溫度、不同等溫時(shí)間的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變量。然后，根據(jù)轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系，得到等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線。利用該曲線便可建立TTT曲線。第六十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2）測(cè)定鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）70不同速率冷卻：拐折反映相轉(zhuǎn)變點(diǎn)，大小反映轉(zhuǎn)變量的多少，溫度范圍判斷轉(zhuǎn)變類(lèi)型和產(chǎn)物等。根據(jù)左圖的相變點(diǎn)匯成的CCT曲線只發(fā)生低溫下馬氏體轉(zhuǎn)變第七十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3）測(cè)定相變點(diǎn)71第七十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五4）測(cè)定相變轉(zhuǎn)變量C點(diǎn)新相的轉(zhuǎn)變量：（體積比）%=AC/AB×I%I%：該溫度范圍內(nèi)最大轉(zhuǎn)變量AB：全部轉(zhuǎn)變的膨脹量AC：代表t溫度下的膨脹量轉(zhuǎn)變完全時(shí)，I%=100%轉(zhuǎn)變不完全時(shí)，I%=(100-A殘)%72BCAt/°Cl轉(zhuǎn)變發(fā)生在一個(gè)溫度范圍的杠桿定律第七十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五高溫區(qū)：AB=AB/(AB+EF)×I%中溫區(qū)：EF=EF/(AB+EF)×I%I%：兩個(gè)溫度范圍內(nèi)總的轉(zhuǎn)變量AB，EF為轉(zhuǎn)變區(qū)范圍中點(diǎn)與膨脹曲線直線部分延長(zhǎng)線交線73FEBA轉(zhuǎn)變發(fā)生在兩個(gè)溫度范圍的杠桿定律第七十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五5）研究晶體缺陷晶體缺陷的存在或消失引起的相對(duì)體積變化為10-4量級(jí)。利用這種性質(zhì)可確定形變?cè)嚰蚋邷卮慊鹆慵目瘴换蛭诲e(cuò)密度。74左圖：不同形變(扭)的純Ni點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)在退火時(shí)的消失。相對(duì)體積變化V/V正比于點(diǎn)缺陷數(shù)目和位錯(cuò)密度。第七十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五若空位占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位置，試樣體積將出現(xiàn)附加的體積增大：n/N=V/V=3l/l上式中，n為空位數(shù)，N為總原子數(shù)。由于熱運(yùn)動(dòng)，金屬產(chǎn)生的空位有下列關(guān)系：n/N=exp(－u/kT)＝exp(-U/RT)其中，U為克摩爾原子空位形成能。75左圖：當(dāng)溫度超過(guò)0.5TM以后，Cu,Ag,Au及Al的膨脹系數(shù)急劇增加，大大偏離原來(lái)的線性值。利用上述兩式，可計(jì)算空位的形成能和TM下空位的相對(duì)數(shù)目n/N。第七十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五762.12兩種熱傳導(dǎo)方式概念：在材料中熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象就稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。其能力用熱導(dǎo)率(Thermalconductivity)λ來(lái)衡量，也稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W·m-1·K-1。穩(wěn)態(tài)傳熱：物質(zhì)在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間發(fā)生變化的傳熱方式。1，穩(wěn)態(tài)傳熱第七十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五77穩(wěn)態(tài)傳熱下的傅立葉定律：其中，Q為傳導(dǎo)的熱量，dt/dx為溫度梯度，S為橫截面面積，t為時(shí)間。λ：在一定的溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量；傳熱過(guò)程中材料在x方向上各處的溫度T是恒定的，與時(shí)間無(wú)關(guān)，即Q/t是常數(shù)。第七十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五78不同材料常溫下的熱導(dǎo)率(W·m-1·K-1)鋁205石棉0.084空氣0.024銅385混凝土0.837氫氣0.138黃銅109軟木0.167氧氣0.0234鋼46玻璃0.837銀414冰1.674第七十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五792,非穩(wěn)態(tài)傳熱概念：對(duì)于一個(gè)與外界無(wú)熱交換，由于自身存在溫度梯度導(dǎo)致的熱端溫度下降、冷端溫度上升，直至最后冷熱端的溫度差趨于零，并達(dá)到最終的平衡態(tài)。單位面積上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化率為:其中，/cP為熱擴(kuò)散率或稱(chēng)導(dǎo)溫系數(shù)。它把物體在非穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程中熱量傳導(dǎo)變化和溫度變化聯(lián)系在一起。其值越大，溫度變化越快，則物體各處的溫差越小。對(duì)鋼，越大，導(dǎo)溫系數(shù)越大第七十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.13材料熱傳導(dǎo)的微觀物理機(jī)制氣體：由分子的自由運(yùn)動(dòng)和直接碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)；金屬：由大量自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。非金屬材料：晶格振動(dòng)是主要的導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，即熱量通過(guò)晶格振動(dòng)的格波來(lái)傳遞的。80格波分為：聲頻支(聲子)和光頻支，它們?cè)趥鳠徇^(guò)程中的作用是不同的。合金：聲子作用較強(qiáng)；半導(dǎo)體:電子和聲子;絕緣體：聲子。第八十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五811,聲子和聲子導(dǎo)熱聲子：根據(jù)量子理論，晶格振動(dòng)的聲頻支格波能量是量子化的，類(lèi)似在固體中傳播的聲波，稱(chēng)聲頻波的“量子”為聲子。并不是實(shí)際存在的物質(zhì)。溫度不太高時(shí)，聲子是主要的傳熱方式。熱傳導(dǎo)視為一連串聲子－聲子碰撞的過(guò)程。在t1時(shí)間帶有能量的聲子1，于t2時(shí)與聲子2碰撞，于t3時(shí)與聲子3碰撞，一連串的碰撞使得聲子1的能量下降，聲子2與聲子3則獲得能量。散射：聲子與晶體質(zhì)點(diǎn)或缺陷的碰撞。聲子－聲子碰撞導(dǎo)熱方式類(lèi)似于理想氣體的導(dǎo)熱。第八十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五82v：氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速率l：分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程第八十二頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五83平均自由程的變化低溫時(shí)，聲子的散射較低，熱傳導(dǎo)容易；溫度繼續(xù)上升，聲子受缺陷、雜質(zhì)、相界的散射，l減小，降低；上升到D時(shí)，Cv不變，但由于非簡(jiǎn)諧振動(dòng)的上升其l和v皆降低，降低；溫度提高到l為晶格間距的量級(jí)時(shí)，為常量。第八十三頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五842,光子導(dǎo)熱第八十四頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五85由于光子的Cv和l皆與頻率有關(guān)，因此熱導(dǎo)率的一般表達(dá)式仍為：光子輻射傳熱的定性解釋?zhuān)簻囟鹊蜁r(shí)，光子輻射較弱，因?yàn)檩椛淠蹺T與溫度的四次方成正比。只有溫度較高時(shí)才較為明顯。第八十五頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五86對(duì)透明材料，此時(shí)光子有高的平均自由程，熱阻小，光子輻射導(dǎo)熱機(jī)制較為明顯。對(duì)完全不透明材料，lr近似為零。對(duì)吸收系數(shù)和散射小的透明材料，幾百攝氏度時(shí)，光子輻射是主要的。對(duì)吸收系數(shù)大的不透明材料，即使在高溫時(shí)光子傳熱也不重要。第八十六頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.14熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率關(guān)系對(duì)金屬而言，其熱導(dǎo)和電導(dǎo)的微觀物理皆為：自由電子是這兩種物理過(guò)程的主要載體。在不太低溫度下，魏德曼Wiedemann、弗蘭茲Franz和洛倫茲Lorenz發(fā)現(xiàn)：金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比正比于溫度，其比例常數(shù)值與具體的金屬種類(lèi)無(wú)關(guān)：

T>D時(shí)，e/=L0T其中，洛倫茲數(shù)Lorenz系數(shù)L0=2.45×10-8V2/(K)2但對(duì)于電導(dǎo)率低的金屬，在較低溫度下，L0是變數(shù)。87第八十七頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五88事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱導(dǎo)率k或由二部分組成(自由電子和聲子)，因此前述定律應(yīng)為：當(dāng)T>D時(shí)，且對(duì)較高的金屬，其導(dǎo)熱主要由自由電子貢獻(xiàn)，后者趨于0，前述定律成立。/T或k/T實(shí)際上與溫度有關(guān)，如當(dāng)溫度低于D較多時(shí)，L0往往下降。/T或k/T與金屬也有關(guān)。第八十八頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.15影響材料熱導(dǎo)性能的因素1．純金屬導(dǎo)熱性電導(dǎo)率：高電導(dǎo)的金屬有高的熱導(dǎo)率。晶粒大小：晶粒粗大，熱導(dǎo)率高；晶粒愈細(xì)，熱導(dǎo)率愈低。聲子受到散射晶向：立方晶系的熱導(dǎo)率與晶向無(wú)關(guān)；非立方晶系晶體熱導(dǎo)率表現(xiàn)出各向異性。雜質(zhì)：強(qiáng)烈影響熱導(dǎo)率。89第八十九頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五右圖(四區(qū))：在低溫時(shí)，純Cu熱導(dǎo)率隨溫度升高而不斷增大，并達(dá)到最大值。隨后，熱導(dǎo)率在一小段溫度范圍內(nèi)基本保持不變；當(dāng)溫度升高到某一溫度后，熱導(dǎo)率開(kāi)始急劇下降，并在熔點(diǎn)處達(dá)到最低值。但像鉍和銻這類(lèi)金屬熔化時(shí)，它們的熱導(dǎo)率增加一倍，這可能是過(guò)渡至液態(tài)時(shí)，共價(jià)鍵合減弱，而金屬鍵合加強(qiáng)的結(jié)果905)溫度第九十頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．合金的導(dǎo)熱性溶質(zhì)和有、無(wú)序：兩種金屬構(gòu)成連續(xù)無(wú)序固溶體時(shí)，溶質(zhì)組元濃度愈高，熱導(dǎo)率降低愈多，并且熱導(dǎo)率最小值靠近原子濃度50％處(下圖)。當(dāng)組元為Fe和過(guò)渡族金屬時(shí)，最小值比50%有較大的偏離。當(dāng)為有序固溶體時(shí)，

提高，最大值為有序固溶體化學(xué)組分。鋼中的合金元素、雜質(zhì)及組織狀態(tài)：從低到高排列如下：奧氏體、淬火馬氏體、回火馬氏體、珠光體(索氏體、屈氏體)。91第九十一頁(yè)，共九十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.無(wú)機(jī)非金屬材料的導(dǎo)熱性溫度：1)如對(duì)單晶Al2O3，變化趨