材料的热膨胀

中国矿业大学材料科学与工程学院,第一章材料的热学性能,本章内容,热容热膨胀热传导热稳定性,第二节材料的热膨胀,热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用,1.热膨胀的物理本质,什么是热膨胀？热膨胀系数热膨胀的物理本质,热膨胀系数,温度每平均升高1个单位，长度的相对变化量。,平均线膨胀系数,微分线膨胀系数,体膨胀系数,各向同性,各向异性,部分材料的线性膨胀系数,某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系,无机材料的线膨胀系数一般都不大,物理本质（作用力曲线解释）,原子热振动是非线性的！,温度升高，原子振动激烈。,原子向右移动的幅度更大一些，导致振动中心右移。,0K时，原子处在平衡位置。,物理本质（势能曲线解释）,势能曲线是不对称的！,0K时，原子的势能最低。,温度升高，原子的势能增加。,势能曲线的不对称，使振动中心右移。,材料热膨胀的本质:在于晶格点阵实际上在作非简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。,理想状态,实际状态,第二节材料的热膨胀,热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用,2.与其他物理性能的关系,体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。,1、与热容的关系,格律乃森定律,Al2O3的热容和膨胀系数随温度的变化,金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。,2、与结合能、熔点的关系,对所有的纯金属,（a、b是常数）,几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点,3、与结构的关系,对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。,而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。,温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系数的改变。,ZrO2陶瓷的热膨胀曲线,1000时,单斜晶型,四方晶型,发生体积收缩4%,4.与相变的关系,一级,二级,第二节材料的热膨胀,热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用,3.影响热膨胀性能的因素,相变的影响成分和组织的影响各向异性的影响,相变的影响,一级相变：体积突变，有相变潜热。二级相变：无体积突变和相变潜热；但膨胀系数和比热容有突变。,直接用热膨胀实验分析,用热膨胀实验可以研究二级相变,二级相变,同素异构体转变有序无序转变温度变化时发生的晶型转变,Fe：相相,Cu-Au合金,化学成分的影响,固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。,CuAu合金固溶体的膨胀系数,0,20,40,60,80,100,rE/%,l,CuAu合金膨胀系数,两相材料热膨胀系数计算值的比较,多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量,内应力抑制了热膨胀,第二节材料的热膨胀,热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用,4.热膨胀的测量,光学膨胀仪电测试膨胀仪机械式膨胀仪,光杠杆膨胀仪光干涉法,电感式膨胀仪电容式膨胀仪,千分表式膨胀仪杠杆式膨胀仪,光杠杆式膨胀仪原理图,热膨胀测试仪（德国耐驰公司）,测试原理：将样品放入炉体内，施一定温度程序，此时样品长度的变化通过推杆传递到左侧的检测单元，并由位移传感器测量得到结果。,材料学院A306室,一、技术参数：1.升降温速率：0-50K/min2.测量范围：5005000m3.样品长度：最大50mm样品直径：最大12mm4.L分辨率：0.125nm/1.25nm5.样品支架：石英支架（1100），氧化铝支架（1700），石墨支架（2000）二、主要特点：1.DIL提供多种类型的样品支架与炉体配置。2.提供各种配件使测试更灵活方便。3.提供速率控制烧结软件（RCS）。4.提供c-DTA功能，可通过图谱分析计算得到差热DTA曲线。三、应用领域：可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、复合材料等领域。,德国耐驰DIL402C热膨胀仪,热膨胀仪典型图谱,第二节材料的热膨胀,热膨胀的本质与其他物理性能的关系影响因素热膨胀测量方法热膨胀的工程应用,5.热膨胀的工程应用,1、热膨胀的工程意义,陶瓷工业,薄膜生长,航天器的设计,金属的表面改性,施釉,要求釉层的膨胀系数比坯体要小,为什么？,结合后面涉及到的热应力知识进行解释。,烤瓷牙,微机械（MENS）领域,中国矿业大学材料科学与工程学院,热膨胀在工程中的意义热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。1)是决定材料抗热震性的主要因素。2)陶瓷坯上釉，二者应匹配。釉适当小于坯，烧结冷却过程中，釉层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小的太多也不行，会使釉层脱落。3)集成电路、电子管、特种灯生产中。4)复合材料制备。5)精密仪器仪表。,材料的种类（依据热膨胀系数）,高热膨胀材料零热膨胀材料负热膨胀材料,金属材料、高分子材料，具有较高的弹性和塑性。,形状记忆合金、智能材料、微型机械等,合金材料、陶瓷材料,航空航天、精密仪表等领域,航空航天、光电子精密仪器制造等领域,陶瓷材料,2、热膨胀分析的应用,膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火过程中的转变非常有效。,确定钢的组织转变点,研究加热转变,小结,热膨胀系数物理本质与其他物理性能的关