材料物理性能(第三章-材料的热学性能)精要.ppt

在平板表面， ，则 ，对于不稳定传热： ，所以 。 即: 式中： —导温系数（thermal diffuse ratio）， 0.5—形状因子系数（平板）。 另由图3.18， , 为平均温度。 由 ，则在临界温差时 式中： ——材料密度（kg/m3），CP——热容， 定义 ——第三热应力因子。 所以: ，这就是材料所能经受的最大降温速率。 提高抗热冲击断裂性能的措施 具体措施（可用方程式解释）有： 1．提高材料强度 ，减小弹性模量E，使 提高。 2．提高材料的热导率 ，使 提高。 3．减小材料的热膨胀系数 。 4．减小表面热传递系数 h。 5．减小产品的有效厚度。 四、抗热冲击损伤性 抗热冲击断裂性，以强度—应力（strength-stress）理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶瓷等无机材料。 抗热冲击损伤性，以应变能—断裂能（strain-fracture energy）为判据，认为在热应力作用下，裂纹产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。 当材料中积存的弹性应变能较小，则裂纹扩展的可能性就小，裂纹蔓延时断裂表面能需要小，则裂纹蔓延程度小，材料热稳定性就好。因此，抗热应力损伤正比于断裂表面能，反比于应变释放能。这样就提出了两个抗热应力损伤因子 和 。 式中， —断裂表面能（J/m2）（形成两个断裂表面）， 用来比较具有相同断裂表面能的材料， 用来比较具有不同断裂表面能的材料，因此， 或 值高的材料抗热应力损伤性好。 一般耐火材料线膨胀系数，常指在20～1000℃范围内的αl平均值。一般αl愈小，材料热稳定性愈好。例如Si3N4的αl=2.7×10-6/K。 二、固体材料热膨胀机理（heat expansion mechanism） 所谓线性振动是指质点间的作用力与距离成正比，即微观弹性模量β为常数。非线性振动是指作用力并不简单地与位移成正比，热振动不是左右对称的线性振动而是非线性振动。见图3.5、图3.6。 在双原子模型中，如左原子视为不动，则右原子所具有的点阵能 为最小值，如有伸长量 时，点阵能变为 。 将此通式展开 式中第一项为常数，第二项为零，则 式中， ； ；如果只考虑上式的前两项，则， 即点阵能曲线是抛物线。原子间的引力为： 式中β是微观弹性系数，为线性简谐振动，平衡位置仍在r0处，上式只适用于热容CV的分析。 但对于热膨胀问题，如果还只考虑前两项，就会得出所有固体物质均无热膨胀。因此必须再考虑第三项。此时点阵能曲线为三次抛物线，即固体的热振动是非线性振动。用波尔兹曼统计法，可算出平均位移（average displacement）。 由此得热膨胀系数： 式中， 、β、 均为常数，似乎α也是常数。但若再多考虑，δ4，δ5， …时，则可得到α~T变化规律。 三、热膨胀和其他性能关系 1．热膨胀和结合能、熔点的关系 质点间结合力愈强，热膨胀系数愈小，见表3.