材料的热学性能_4

第八章 材料的热学性能,第一节 热学性能的物理基础 第二节 热容 第三节 热膨胀 第四节 热传导,第一节 热学性能的物理基础,1、晶格热振动 固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(原子、离子)热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动。,晶格热振动是三维的 3个方向的线性振动 简谐振动方程：,振动频率随Em的增大而提高,第一节 热学性能的物理基础,2、热量 各质点热运动时动能的总和,第一节 热学性能的物理基础,3、弹性波(又称格波) 多频率振动的组合波 (1) 声频支振动:如果振动着的质点中包含频率很低的格波，质点彼此之间的位相差不大 （2）光频支振动:格波中频率很高的振动波，质点间的位相差很大，频率往往在红外光区，,第一节 热学性能的物理基础,（3）声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向；光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、频率很高的振动,第二节 热容,一、热容的基本概念 1、热容 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为J/K 热容表达式为：,不同材料，热容量不同,第二节 热容,单位质量材料的热容又称之为“比热容”或“质量热容”,单位为J(kg·K)；1 mol材料的热容则称为“摩尔热容”，单位为J(mol ·K) 同一种材料在不同温度时的比热容也往往不同，通常工程上所用的平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所吸收的热量的平均值:,第二节 热容,T1一T2的范围愈大，精确性愈差 当温度T2无限趋近于T1时，材料的比热容，即,加热过程在恒压条件下进行，所测定的比热容称为比定压热容(Cp) 加热过程在容积不变的条件下进行时，所测定的热容称为比定容热容(Cv),恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量,第二节 热容,CpCv 根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：,第二节 热容,2 固体材料的热容两个经验定律,（2）化合物热容定律柯普定律：“化合物分子热容等于构成 此化合物各元素原子热容之和”,（1）元素的热容定律杜隆珀替定律：“恒压下元素的原子热容等于25J(K· mol)”,经典热容理论:能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能都为(1/2)kT，一个原子有3个振动自由度，平均动能和位能的总和就等于3kT，一摩尔固体中有NA个原子总能量,第二节 热容,1 mol单原子固体物质的摩尔定容热容为,热容是与温度无关的常数，杜隆珀替定律的实质,第二节 热容,对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m 2x 25J（K·mol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3x 25J(K· mol ),杜隆珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温下时却相差较大，实验结果表明材料的摩尔热容，是随温度而变化的,第二节 热容,二、固体热容的量子理论,同一温度下，物质中不同质点的热振动频率不同，同一质点振动的能量在不同时刻，大小不同，而且振动能量是量子化的。,1、爱因斯坦模型 爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的振子原子都以相同的频率振动。,第二节 热容,(1) 当温度较高时，,(2) 当T趋于零时，Cv、m逐渐变小，当T=0时，Cv、m=0： 在低温下,依指数规律随温度而变化，而不是从试验中得出的按T³变化的规律,忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因,第二节 热容,2德拜模型,晶体中原子是相互作用的对热容的主要贡献是弹性波的振动，即声频支，在低温下占主导地位晶体近似视为连续介质，声频支的振动近似地看作是连续的,热容为：,(1)当温度较高时，即,(2)当温度很低时，即,著名的德拜立方定律，它和实验结果十分符合 德拜热容理论中，不同材料的 是不同的,第二节 热容,三、影响材料热容的因素,对于固体材料，热容与材料的组织结构关系不大 相变时，由于热量的不连续变化，热容也出现了突变,第二节 热容,1 固态的多型性转变属一级相变 2 二级相变是在一定温度范围逐步完成,第二节 热容,对于不可逆转变，伴随转变产生的热效应也是不可逆的,4 材料热容与温度关系可由实验精确测定，经验公式 Cpa十bT十cT十·· ·,5 在较高温度下固体的热容具有加和性，即物质的摩尔热容等于构成该化合物各元素原子热容的总和,第二节 热容,四、热容的测量,1、混合法测量固体材料的比热容,2、电热法测固体的比热容,通常采用混合法和电热法,五、热分析方法的应用 1、热分析方法 是根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分析研究。,（1）差热分析（DTA）：在程序温度控制下，测量试样和参照物的温度差随温度（T）或时间(t)的变化关系 (2) 差示扫描量热法(DSC)：在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术 。,(3) 热重法(简称TG) ：在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术。,2热分析的应用 通过物质在加热或冷却过程中出现各种的热效应，如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴定 在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制订烧成制度 在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用途,一 热膨胀的概念及热膨胀系数 1 热膨胀的概念 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象,第三节 热膨胀,2 平均线性膨胀系数,3 真线性膨胀系数 固体材料真线性膨胀系数，通常随温度升高而加大 无机非金属材料的线膨胀系数一般较小,4 体膨胀 物体体积随温度升高而增长的现象,各向同性的立方体材料 各向异性的晶体,二 热膨胀机理 质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡位置ro的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当r ro 时，曲线斜率较大，rro时，斜率较小，质点振动时的平均位置就不在ro处而要向右移动因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在ro两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离也就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。,温度升高，质点平均位置移动，晶体就膨胀 晶体中热缺陷的形成将造成局部晶格的畸变和膨胀,三 热膨胀与其他性能的关系 1 热膨胀和热容的关系 固体材料受热引起的容积的膨胀是晶格振动加剧的结果，晶格振动的加剧是原子(离子)热运动能量的增大，升高单位温度时能量的增量正是热容。 两者的比值接近于恒值,2 热膨胀和结合能、熔点的关系 结合力越强的材料，热膨胀系数越小 结合能大的熔点较高，通常熔点高、膨胀系数小 格留乃申晶体热膨胀极限方程 Tm (V Tm Vo)VoC,四 影响材料热膨胀系数的因素 1 化学成分 成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同。 2 键强度 键强度高的材料，有低的热膨胀系数 3 晶体结构 结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数。 非等轴晶系的晶体，各晶铀方向的膨胀系数不等，因为层内有牢固的联系，而层间的联系要弱得多。 层间膨胀系数为小，层内的膨胀系数大。 结构上高度各向异性的材料，体膨胀系数都很小，是一种优良的抗热震材料。,4 影响金属材料热膨胀系数的其他因素 相变、合金成分和组织、晶体结构及钢中组成相 纯金属同素异构转变时，点阵结构重排伴随着金属比容突变,导致线膨胀系数发生不连续变化 有序无序转变时无体积突变，膨胀系数在相变温区仅出现拐折 组成合金的溶质元素对合金热膨胀有明显影响 多相合金的膨胀系数仅取决于组成相性质和数量 钢的热膨胀特性取决于组成相特性,五 热膨胀系数的测定及应用 1 热膨胀系数的测定 (1) 望远镜直读法 (2) 顶杆式间接法 (3) 金属线膨胀系数的测量 2 热膨胀的应用 (1) 陶瓷 热膨胀系数是材料的一项重要热学性能 普通陶瓷坯和釉的膨胀系数相适应，当釉的膨胀系数适当地小于坯的膨胀系数时，压应力抑制了釉层的微裂纹产生及发展。 若釉层的膨胀系数比坯的大，在釉层中形成拉应力，对强度不利，而且过大的拉应力还会使釉层龟裂 釉层的膨胀系数不能比坯的小得过多，否则会使釉层剥落而造成缺陷。 (2) 膨胀分析用于材料研究 钢组织转变产生的体积效应要引起材料膨胀、收缩，并叠加在加热或冷却过程中单纯因温度改变引起的膨胀和收缩上，导致膨胀曲线偏离一般规律 。,一、材料的热传导 1 热传导的概念 固体材料热量从热端自动地传向冷端 2 热传导定律 3 热传率 一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量,第四节 热传导,二、热传导的微观机理 固体导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现 某一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧，热振动能量就增加，热量就能转移和传递 。 1 声子和声子热导 温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用,（1）声子 一个谐振子的能量变化不能取任意值，只能是取量子能量的整数倍 晶格振动中的能量是量子化的 声频波的“量子”称为“声子” 能量是h (2) 理想气体的导热公式,(3) 晶体材料 晶体热传导是声子碰撞的结果 声子间的碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源 晶格热振动是非线性的，格波间有一定的耦合作用 格波间相互作用愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低,2 光子热导 （1）光子热导概念 固体具有能量辐射出电磁波 （热辐射）光子的导热 （2）单位体积绝对黑体的辐射能量,（3）辐射传热中容积热容 （4）辐射能的传导率,对于辐射线是透明的介质，lr较大，热阻很小；对于辐射线不透明的介质，lr就很小；对于完全不透明的介质，lr=0 材料的辐射导热性能取决于材料的光学性能,三 影响材料热传导性能的因素 温度的影响 热容Cv在低温下与温度的3次方成正比，随着温度的升高，迅速增加 低温处(约40 K)值出现了极大值 在德拜温度以后，Cv已趋于一恒定值，而l值因温度升高而减小,随温度升高而迅速减小 晶体材料，在常用温度范围热导率随温度的上升而下降,金属材料当其温度超过一定值后热导率随温度的升高而下降,2 晶体结构的影响 晶体结构愈复杂，热导率愈低 非等轴晶系的晶体，热导率存在着各向异性的性质 同一种材料，多晶体的热导率总是比单晶体小 非晶态材料的热导率较小。,3 化学组成的影响 原子质量越小，德拜温度越高，热导率越大 晶体中存在缺陷和杂质，使热导率变小 固溶体的形成降低热导率 固溶体热导率与组成的关系杂质含量很低时， 杂质影响十分显著,4 复相材料的热导率,5 气孔的影响 随着气孔率的增大，热导率按比例减小 粉末和纤维材料，其热导率比烧结状态时又低很多 金属和合金，自由电子对热传导起支配因素,四 热导率的测量及应用 1 热导率的测量 热导率测量是在导热系数测定仪上进行的 2 导热系数的应用 多相材料的导热系数可降低，且气体的导热系数比固体材料要低得多，气孔率高的多孔轻质耐火材料比一般的耐火材料的导热系数低，这是隔热耐火材料生产应用的基础,