材料性能与测试课件-第十一章材料的热性能.pptVIP

第十章 材料的热学性能;§引 言 ;§目 录 ;§11.1 热学性能的物理基础;弹性波(又称晶格波，其能量量子称为声子) 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， （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;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，不同材料，热容量不同 热容表达式为： 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: T1－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;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 Cp＞Cv 根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：;a. 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24.9J／(K· mol)” b.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”;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 1 mol单原子固体物质的摩尔定容热容为;对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m ＝2× 25J／（K·mol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3× 25J／(K· mol )；;2. 固体热容的量子理论;T很低时，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; 式中fD称为德拜比热函数，x＝ θD /T, R＝NAk，θD＝hv/k，德拜温度； T很大时，CVm≈3R＝24.9J/mol·K,和杜-铂定律符合; 温度很低时，符合实验T立方规律; 德拜模型虽比爱因斯坦模型进步，能解释部分金属德实验现象，但不完全适合其它化合物，因为把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高部分不适用，因此金属在很高温度(大于1000K)、极低温度(小于5K)不符合。 另外，实际材料多相，杂质晶界影响，误差大；忽略了电子运动能量对热容的贡献；符合得比较好得是陶瓷材料(离子键共价键，室温下几乎没有自由电子);3. 热容的影响因素(自学);4. 热容的测量;18;19;5. 热分析法的应用;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．;§11.3 热膨胀; 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r0的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当r ＜ r0 时，曲线斜率较大，r＞r0时，斜率较小，质点振动时的平均位置就不在r0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r0两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;3. 热膨胀和其它性能关系;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；;1)、化学成分:碱金属高，过渡族低；合金 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) 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