材料物理性能-热1..

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1、材料物理性能,主讲教师：朱鼎 电子邮件：zd- 办公地址：5号楼329室,考核方式,本课程采用笔试方式考核。课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考试成绩两部分构成，平时成绩中实验成绩占10%，出勤、作业、课堂测验、学习主动性等占20%。,课堂三定律,第一定律，手机不能响 第二定律，后排不能坐 第三定律，作业不能抄,参考教材,材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，2004年。 材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，2007年。 材料物理性能，郑冀等编著，天津大学出版社，2008年。 材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，2006年。,材料（material）：材料是人类

2、用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 20世纪70年：信息、材料和能源 （文明的三大支柱） 80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。 分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料 结构材料与功能材料,第1章 绪论,材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。 材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究，常采用不同的标准来划分性能,第1章 绪论,物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗 力学性能：强度 耐压 抗折 韧性 刚性

3、 化学性能：抗氧化性能 耐腐蚀性能 抗酸、抗碱 工艺性能：可塑性、流动性等 使用性能：耐磨性等,第1章 绪论,第1章 绪论,意义： 1. 制造和发展功能材料的基础 2. 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。（航天飞机，热障涂层） 3. 利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的研究方法。 4. 非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）， 研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导 5. 为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能,用途和应用领域,微处理器的盖和散热片：,第2章 材料的热性能,2.

4、1 材料的热容 2.2 材料的热膨胀 2.3 材料的热传导 2.4 材料的热电效应,2.1 材料的热容,1.固体热容理论简介 热容（Heat capacity）：一定量的物质在一定条件下温度升高1K所需要 的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号C 表示，单位是JK-1。 定压热容和定容热容： 等压条件下的热容称定压热容，用符号Cp表示； 等容条件下的热容称定容热容，用符号CV表示。 比热容： 1千克物质的热容，用c表示，单位是Jkg-1K-1。 摩尔热容： 1摩尔物质的热容，用Cm表示，单位是Jmol-1K-1。 对于固体和液体来说，Cp和CV近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略

5、。 对于理想气体来说，Cp,m CV,m = R，其中R是理想气体常数,2.1 材料的热容,1.固体热容理论简介 1)杜隆-珀替定律： 气体分子的热容理论用于固体，用经典的统计力学处理，晶体有N个原子，总的平均级能量3NkBT, N=NA, 摩尔热容为： 热容是一个固定不变的与温度无关的物理量，只用于除Si, C, B以外的一部分单原子金属。,2.1 材料的热容,2)爱因斯坦热容模型： 前提：晶格中每个分子独立地振动，振动的频率为v, 把原子的振动视为谐振子，谐振子具有0点能，谐振子的能量为： En为频率为v的谐振子振动能，n为声子量子数，取 0，1，2，3 具有能量为En的谐振子数目为：,2

6、.1 材料的热容,2)爱因斯坦热容模型： 温度为T，振动频率为v的谐振子平均能量为： 一摩尔晶体有NA个原子，每个原子有3个自由度，共有3 NA 个自由度，每个自由度相当于有一个谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：,2.1 材料的热容,2)爱因斯坦热容模型： 由等容热容定义得： 讨论： （1） 晶体处于较高温度时，kThv, hv/kTkT，则有： 实验表明：在低温时，热容和T3成正比，上式比实验值更快的趋于0.,2.1 材料的热容,3) 德拜热容模型： 模型：晶体中各原子间存在弹性斥力和引力，这种力使原子的热振动相互受牵连和制约，相邻原子间协调齐步地振动。,2.1 材料的热容,3) 德拜热容

7、模型：,为频率态密度,2.1 材料的热容,3) 德拜热容模型：,式中， 为德拜特征温度，,当,当,2.1 材料的热容,2.金属和合金的热容 1） 金属的热容 区 CmT 区 CmT3 区 Cm3R 对于金属：其载流子主要是声子和电子。低温时有：,2.1 材料的热容,2） 德拜温度 是反映固体的许多特性的重要标志。 在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值， 和熔点Ts有：,林德曼公式,A:相对原子质量，V:原子体积，Ts熔点 物理意义：反映原子结合力物理量， 越高，其结合力越大,2.1 材料的热容,3） 合金的热容 对于金属间化合物：近似有： C=pC1+qC2 Neumann-Kopp p,

8、q为化合物中分子各组成原子的百分数。 对于多相混合组织，固溶体或化合物也有相同的规律： Ca为组元B在固溶体中的原子浓度,改变合金组织的热处理实际上不影响高温下的热容。 低温下奈曼-柯普定律不再适用。,2.1 材料的热容,3.无机材料的热容 气孔率的影响：多孔材料因质量轻，热容小，所需的热量要小于耐热材料。加热窑多用硅藻土，泡沫刚玉等。 在较高温度下，固体的摩尔热容等于构成化合物各元素原子热容的总和,对于复相：,2.1 材料的热容,4.相变对热容的影响 对于一级相变：在相变点，热容发生突变，热容为无限大，有体积效应及热效应 对于二级相变：比热也有变化，但为有限值，无体积效应及热效应,2.2 材

9、料的热膨胀,1.热膨胀本质 1）唯象解释：热膨胀的本质为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。 在质点平衡位置r0两侧： rr0 斜率小，引力随位移增加慢。 因此，在一定温度下，平衡位置不在ro处，而是向右偏移，温度高，则偏移大；导致宏观上晶体膨胀。,2.2 材料的热膨胀,2）两原子模型： 由于热运动，两个原子运动以一个为参照物，另一个偏离平衡位置x, r=r0+x U=U(r)=,U(r)=U(r0)+cx2-gx3 根据玻尔兹曼分布：可以算出,2.2 材料的热膨胀,2. 膨胀系数 1）概念：用来描述温度变化时材料发生膨胀或收缩程度的物理量为al 平均线膨胀系数： 平均体膨胀系数：

10、对于立方晶系：,2.2 材料的热膨胀,例：一个篮球场，篮球框由一个金属支承系统挂于天花板上，21度下篮框高出地板3.048m, 自地板起，天花板高15.25m, 在一场比赛中，温度可升高15度，设悬持系统的热学性质可用单根缆绳模拟。用铝和钨哪一种制造该系统？（aAl: 2510-6 , W:4.5 10-6 ),2.2 材料的热膨胀,2）膨胀系数与其它物理量的关系： a) 体膨胀系数与热容存在关系： b) 膨胀系数与金属熔点关系： c) 膨胀系数和德拜特征温度： d) 硬度,2.2 材料的热膨胀,3）影响热膨胀系的因素： a) 合金成分和相变 组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀有明显影响，

11、如合金形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律） 相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变） 二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。,2.2 材料的热膨胀,3）影响热膨胀系的因素： b) 晶体缺陷： 由空位引起的晶体附加体积变化： 由辐照空位而增加的体积为： c) 晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数,2.2 材料的热膨胀,3）影响热膨胀系的因素： d) 铁磁性合金的铁磁转变 出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。 e) 加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。,2.2 材料的热膨胀,可伐合金，英文：KOVAR Fe-Ni(29%wt)-Co(

12、17%wt),因瓦合金，英文：INVAR Fe-Ni(36%wt),2.3 材料的导热性,1.热传导宏观规律和微观机制 1）傅里叶定律 热传导：一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体相互接触，热量便会自动的从高温度区向低温度区传播。,q:热流密度 ； k：热导率（导热系数） W/(mk)单位面积上的热量正比于温度梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。,2.3 材料的导热性,2）热扩散率（导温系数）和热阻 对于材料各点温度随时间变化时，温度是x和t的函数，当不与外界交换热量时有：,令 a：热扩散率（导温系数） 物理意义：标志温度变化的速度，将热量传导变化与温度变化联系在一起。在相同加热条

13、件下，a愈大，物体各处温差小。 热阻：热量传递受到的阻力,例：判断铝合金和中碳钢哪 个具有更高的淬火速度？,2.3 材料的导热性,2）导热的微观机制 固体中的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运动来实现：,kph:声子热导率，ke：电子的热导率 除金属外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。,2.3 材料的导热性,2.金属的热传导： 对于纯金属，导热主要靠自由电子，合金导热要考虑声子导热的贡献。 将金属中大量的自由电子看作是自由电子气，用理想气体的热导率公式描述：,k：热导率（导热系数） ; C单位体积气体的热容；v分子运动的平均速度，l 分子运动的平均自由程。,2.3 材

14、料的导热性,1）热传导和电导率的关系： 对由自由电子理论可知：,L0为洛伦兹数（Lorenz number) 条件：不太低的温度下，低温下不成立,Widemann-Franz,L0=2.4510-8V2/K2,2.3 材料的导热性,2）热导率及其影响因素： 纯金属 a) 温度 对于纯铜， 分为三个区 区 T增大，k增大 区 T增大，k不变 区 T增大，k减小 铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键减弱，金属键加强。 b)晶粒大小：晶粒粗大，热导率高 c)各向异性：立方晶系与晶向无关，非立方各向导性。 d)杂质：强烈影响,表铜合金的性能 Properties of copper alloy,2

15、.3 材料的导热性,2）热导率及其影响因素： 合金 a) 无序固溶体：浓度增加，热导率减小，最小值一般在50%处。 b)有序固溶体：热导率提高，最大值对应于有序固溶体的成分。 c)钢中的合金无元素，杂质及组织状态都影响其热导率。 奥氏体淬火马氏体 回火马氏体珠光体,2.3 材料的导热性,3.无机非金属的热传导： 1） 传导机制：导热主要靠声子，还有光子导热。 2）热导率的影响因素： a)温度：单晶 Al2O3 分为四个温度区间 迅速上升区 极大值区 迅速下降区 缓慢下降区 b) 化学组成： 对于无机非金属材料：材料结构相同，相对原子质量小，密度小，弹性模量大，德拜温度越高，热导率越大。轻元素的

16、固体和结合能大的固体热导率大。 对于固溶体：降低热导率,2.3 材料的导热性,c)晶体结构的影响：晶格结构复杂，则热导率下降。 d) 非晶热传导有其特殊性： 不考虑光子导热，在所有温度下，非晶导热低于晶体； 在较高温度下热导率比较接近 非晶热导随温度变化没有出现极值。,2.4 热电性（thermoelectricity),1. 热电效应 1）塞贝克Seebeck效应： 两种不同材料AB组成回路，且两端温度不同，则在回路中存在电动势。 其电动势的大小与材料和温度有关。 在温差较小时，有：,SAB: A,B的相对 塞贝克系数 由于电动势有方向性，所以SAB也有方向性,2.4 热电性,2. 热电性的应用及热电材料 1）通过热电性的测试，分析金属材料组织结构的转变，（合金时效，马氏体回火） 2）热电偶测温（seebeck) 热电极：a) 热电势与温度有良好的线性关系 b) 具有大的热电系数 c) 具有复制性和温度-热电势关