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1、1,第十章 材料的热学性能,2,引 言,材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导。也是材料物理性能的重要组成部分。热传导是热量传递的三种基本方式之一；热性能在材料相变研究有重要的理论意义；工程上应用广泛，如航天耐热导热隔热材料，可抵御高热、保护人机安全，节约能源；冶金工业中耐火材料的设计； 本章概括地介绍热学性能的物理概念、影响因素、测量方法以及在材料研究中的应用。,3,目 录,11.1 热学性能的物理基础,11.2 热容,11.3 热膨胀,11.4 热传导,4,11.1 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
2、、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(微观弹性模量)的增大而提高,m质量，x质点的位移量,5,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,2. 弹性波,6,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
3、)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(kgK)；1 mol材料的热容则称为“摩尔热容”，单位为J(mol K),11.2 热容,1. 基本概念,7,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: T1T2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,Q-热量；E内能；H焓 加热过程恒压条件，所测定的比热容称为比定压热容(Cp) 加热过程容积不变时，所测定的热容称为比定容热容(Cv),8,恒压加热过程
4、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 CpCv 根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：,VdV/VdT, 容积热膨胀系数；Vm:摩尔容积； -dV/Vdp，三向静力压缩系数;,9,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”,固体材料的热容两个经验定律,10,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
5、mol单原子固体物质的摩尔定容热容为,经典热容理论,NA阿伏加德罗常数 6.021023/mol；k波尔兹曼常数 1.3811023J/K；R气体常数 8.314 J/Kmol；,认为：热容是与温度无关的常数， 杜隆珀替定律的实质,11,对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m 2 25J（Kmol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3 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,12,2. 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，
6、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。,式中fE称为爱因斯坦函数，RNAk，Ehv/k，爱因斯坦温度；T很大时，CVm3R24.9J/molK,和杜-铂定律符合,13,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T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,2) 德拜(Debye)模型 晶体中原子存在弹性斥力和引力，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,14,式中fD称为德拜比热函数，
7、x D /T, RNAk，Dhv/k，德拜温度； T很大时，CVm3R24.9J/molK,和杜-铂定律符合; 温度很低时，符合实验T立方规律,金属德拜温度是金属本征物理量，可间接反映原子间得结合力强弱，熔点高，结合力强，德拜温度高；Ar元素相对原子量，Vm摩尔体积,15,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
8、乎没有自由电子),16,3. 热容的影响因素(自学),a. 合金成分 b. 相变，一级相变、二级相变；,纯铁的热容变化，既有一级相变，也有二级相变,17,4. 热容的测量,18,19,20,5. 热分析法的应用,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
9、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。,21,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,22,11.3 热膨胀,1. 基本概念,物体的体积或长度随温度升高而增大的现象,23,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，rr0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
10、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,2. 热膨胀机理,24,3. 热膨胀和其它性能关系,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,25,2) 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；,26,1)、化学成分:碱金属高，
11、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. 热膨胀的影响因素(自学),27,4) 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 组
12、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,28,29,5. 热膨胀系数的测量,1) 简易热膨胀仪,30,2) 光学热膨胀仪,标样和试样，光杠杆放大膨胀量；,3) 电膨胀仪,电感式、电容式等；目前应用最多,31,6. 热膨胀的应用(自学),a.钢的相变点和连续转变曲线； b.膨胀合金：低膨胀合金、定膨胀合金、高膨胀合金、复合材料膨胀匹配设计热沉材料,32,11.4 热传导,a. 定义：当固体两端存在温差时，热量从热端自动地传向冷端的现象 b. 导热系数: 稳定传热条件下，单位时间通过单位垂直截面积上的热流密度，W/(mK)
13、,1. 热传导的概念,33,c. 导温系数: 又称热扩散率， 单位m2/s；若材料棒各点的温度随时间变化，截面上各点温度变化率：,式中cp为比定压热容，为材料密度，t为时间， 不稳定导热，既有热量传导变化，又有温度变化；越大，物体各处的温差越小；,34,2. 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，此外还有部分光子辐射； 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 。,35,声子概念,量子理论认为：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，一个量子
14、具有h(普朗克常数乘以振动频率)能量 ，晶格振动中的能量是量子化的 声频波看成弹性波，类似在固体中的声波，把声频波的“量子”称为“声子” ； 把格波传播看成声子后，就可以把格波与物质的作用理解为声子和物质的碰撞，可以用气体传热概念处理；,36,纯金属,合金,半导体,绝缘体,电子导热为主,声子作用加大,电子、声子导热各半,声子导热为主,只有在极高温度下，才有光子导热,37,式中ci为声子热容，v为气体分子速度，l气体分子平均自由程,38,39,保温材料：国家标准规定，温度低于350度时导热系数小于 0.12W/(mK) 的材料（绝热材料）,40,3. 热传导的影响因素(自学),1) 温度的影响
15、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;,41,2) 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。,42,3) 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,43,4) 复合化的影响 5) 孔隙的影响,44,4. 热导率的测量,45,46,47,48,
