材料的热膨胀性能.ppt

*1 材料的热膨胀性能 (P230 5.2材料的热膨胀) 热胀冷缩现象，称为热膨胀。 当有组织变化时，会有一明显的体积效 应（一级相变）。 *2 2-1 热热膨胀胀系数 l一、线膨胀系数 l设一物体在TK温度下的真实长度为l，当温度升高 TK后，其长度变为l+l，则有下列关系式成立 ： l这里为材料的线膨胀系数。一般来说并不是 一个常数，而是随温度变化而改变。 l一般固体材料的=10-610-2K-1量级，合金和金 属的=10-510-6K-1量级，陶瓷材料= 10-510 -6K-1 。 *3 二、体膨胀系数 *4 2-2 固体材料热热膨胀胀机理 l固体材料热膨胀的本质是点阵结构中的质点间的 平均距离随温度升高而增大，这种增大是由于原 子热振动造成的。 l在热容理论的推导过程中，近似认为晶格振动是 一种简谐振动，那么随温度升高，会增大振幅， 但却不会改变其平均平衡位置间的距离，即不会 发生热膨胀，这样显然与实际结果不符。 l实际上原子的热振动并不是简谐振动，因为原子 间的作用力不是一弹性力，即受力不对称，这可 用下述的双原子模型加以解释。 *5 l无论从位（势）能曲 线或力的曲线，均可 解释热膨胀现象。 l由于温度升高，原子 的热振动加剧，U上 升，其平衡位置rro ，并AB轨迹变化， 温度越高，偏离程度 越大，从而引起材料 的热膨胀。 l结论：热膨胀来源于 原子的非简谐振动 *6 2-3 热热膨胀胀和其他物理性能的关系 l一、热膨胀和结合能、熔点的关系 l 由上述的位能理论可知，热膨胀与位能曲线的形状密切相关。而位能曲 线形状与质点间的结合力和熔点有关。结合能（力）越大，熔点越高，位 能曲线变得深而窄，升高同样的温度T，质点的振幅增加得较少，平均 平衡位置的位移量亦较少，因此热膨胀系数较小。 l 格留奈申（Gruneisen）给出了固态金属膨胀的极限方程： *7 l热膨胀与熔点的关系：P234 图5.26 l热膨胀与元素序数的关系：P234 图5.27 l热膨胀与纯金属材料硬度的关系：P235 表5.7 *8 二、热膨胀与热容的关系 l显然，热容与热膨胀密切相关。如下图所示。 热容 晶格振动 热膨胀 *9 lcP(cV)T曲线与T曲线极其相似，表明两者间的 密切关系，当TD时，cP趋于定值，而却连续 升高。这是由于空位等缺陷的增加对热膨胀系数的 贡献。 l格留奈申从晶格振动的热容理论推导出立方晶系金 属热膨胀系数和热熔间的关系式： *10 三、热膨胀与材料结构的关系 l对于相同组成的物质，由于结构不同，膨胀系数也不同。 通常结构紧密的晶体，膨胀系数都较大；而类似于无定形 的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。对于非等轴晶系，各 晶轴方向的膨胀系数不同。在某个方向上甚至出现负值。 l对于-锂霞石，甚至出现负的体积膨胀系数。例如， SiO2: 多晶石英：=1210-6K-1 石英玻璃：=0.510-6K-1 铁素体：a=0.2861nm(常温) =14.510-6K-1 奥氏体：a=0.35586-0.36034nm (C%=0.0-1.4%) =23.010-6K-1 石墨: 垂直于C轴方向（层间）： =110-6K-1 平行于C轴方向（层内）： =2710-6K-1 Al2TiO5: 垂直于C轴方向（层间）： =-2.610-6K-1 平行于C轴方向（层内）： =11.510-6K-1 *11 1、多型性转变的影 响 l属于一级相变， l或V有突变， 产生明显变化， 若相变为等温转变 ，则在转变点趋 近于无穷大。 2、有序无序转变 l属于二级相变，相 变时体积无突变， 但在相变温度区 间有变化。 *12 l3、磁性转变 l属于二级相变，转变是在接近居里点的温度范围内 进行，对于某些铁磁材料，在转变温度范围内， 会出现明显的尖峰。这是由于自发磁化过程中产生 的体积磁致伸缩效应引起的，在居里点附近，这种 效应自动消失，因而产生突变。 *13 四、合金化的影响 1、固溶体合金 l绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介 于组元的膨胀系数之间。如Cu-Au,Cu-Ni,Ag-Au 等。 l在有些系统中膨胀系数并不主要决定于溶质元素 的膨胀系数，而是决定于溶质元素的价数。如Ag- Cd,In,Sn,Sb。 2、形成化合物 l一般来说，由于原子间相互作用的加强，导致其 膨胀系数比固溶体有较大的下降。 *14 3、多相材料及复合材料 l多相材料的膨胀系数取决于组成相的膨胀性能及组 成相的体积相对量。并近似地符合直线相加定律： l A+B=AVA+BVB l若两相的膨胀性能差别特别大，则可用下式计算： C=m-A.Vd (m-d) l式中：C-复合材料的膨胀系数， m、d -基 体相和增强相的膨胀系数。Vd -增强相的体积百分 数，A与单性常数有关的常数。 *15 l对于多相（复合）材料，当组成相的膨胀系数相差较大时，在冷 却和加热过程中，由于不能靠塑性变形来协调，则有可能产生内 应力，这种微观内应力的存在，会对材料的热膨胀产生牵制作用 。 l若认为组成相为各向同性的，且微观内应力为正应力（拉、压） ，则有下列关系式： *16 l对于复合体中不同相间或晶粒的不同方向上膨胀 系数差别很大时，则内应力甚至会发展到使坯体 产生内裂纹。 l由于微裂纹的存在，导致复合体出现热膨胀的滞 后，或在较低温度下出现反常低的热膨胀系数。 l例如：石墨：单晶垂直于C轴=110-6K-1；平 行于C轴=2710-6K-1 。而多晶体在较低温度下 =（1-3)10-6K-1 。 *17 五、材料设计中膨胀系数匹配性原则 对于多相复合材料，当组成相的膨胀系数差别较大时，会 产生较大的内应力、甚至开裂。所以在进行材料设计时必 须考虑膨胀性能的匹配。 l电子管生产：最常见的是金属与陶瓷（玻璃）的封接。为 了封接得严密可靠，除了必须考虑陶瓷材料与焊料的结合 性能外，还应该使陶瓷和金属的膨胀系数尽可能接近。 l陶瓷（日用、建筑）制品：陶瓷坯体与表面釉层的膨胀系 数一般选择使釉的膨胀系数适当小于坯的膨胀系数。这样 ，在烧成后的冷却过程中，由于表面釉层的收缩比坯小， 使釉层产生一个压应力，从而提高脆性材料的机械强度， 同时，也抑制了釉层微裂纹的形成和发展，从而进一步提 高强度。反之，则在釉层 中形成张应力，对强度不利， 应力过大甚至引起釉层开裂。同样，釉的膨胀系数也不能 太小，否则会使釉层剥落。 *18 l工艺美术陶瓷：一般情况与上述日用陶瓷一致 ，但对于某些特殊陶瓷恰好相反。 l复合材料：增强相与基体的膨胀系数一般相差 较大，一般要对增强相进行表面预处理。预处 理主要考虑：界面结合力、弹性匹配、膨胀系 数匹配。 l梯度功能材料：ZrO2+Mo l双金属控温装置、日光灯启辉器（双金属片） 。 *19 2-5 热热膨胀胀的测测量（P244） l一、千分表简易膨胀仪 l二、光学膨胀仪 l三、差动变压器式膨胀仪 *20 2-6 膨胀胀法在材料研究中的