第八章_材料的热学性能.ppt

1、第八章 材料的热学性能,第一节 热学性能的物理基础 第二节 热容 第三节 热膨胀 第四节 热传导 第五节 热稳定性,热学性能：包括热容（thermal content），热膨胀（thermal expansion），热传导（heat conductivity），热稳定性（thermal stability）等。本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础。,第一节 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、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

2、线性振动,第一节 热学性能的物理基础,式中： = 微观弹性模量（ micro-elastic- modulus ）， = 质点质量（mass）， = 质点在x方向上位移（displacement）。,热性能的物理本质：晶格热振动（lattice heat vibration），根据牛顿第二定律，简谐振动方程（simple harmonic vibration equation）为：,第一节 热学性能的物理基础,2、热量 各质点热运动时动能的总和,即：各质点热运动时动能总和就是该物体的热量。弹性波（格波）：包括振动频率低的声频支和振动频率高的光频支。,第二节 热容,一、热容的基本概念 1、热容

3、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)称做该材料的热容，单位为J/K 热容表达式为：,不同材料，热容量不同,第二节 热容,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) 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:,第二节 热容,T1一T2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,加热过程在恒压条件下进行，所测定的比热容称为比定压热容(Cp) 加热过程在容积不变的条件下进行

4、时，所测定的热容称为比定容热容(Cv),恒压加热过程中，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,第二节 热容,CpCv 根据热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：,式中：V0摩尔容积， 体膨胀系数 （expansion coefficient）， 压缩系数（compression coefficient）。,对于固体材料CP与CV差异很小，见图3.2。,第二节 热容,2 固体材料的热容两个经验定律,（2）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”,（1）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25J(K mo

5、l)”,经典热容理论: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,恒压下元素的原子热容为 表3.1 部分轻元素的原子热容:,根据经典理论，1mol 固体中有 个原子，总能量为 = 6.0231023 / mol 阿佛加德罗常数， = R/N = 1.38110-23 J/K 玻尔茨曼常数， = 8.314 J/ (kmol)，T热力学温度（K）。,由上式可知，热容是与温度T无关的常数（constant），这就是杜隆一珀替定律。 对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2N，

6、故摩尔热容为,按热容定义：,第二节 热容,对于双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m 2x 25J（Kmol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3x 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,第二节 热容,二、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，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。,第二节 热容,(1) 当温度较高时，,(2) 当T趋于零

7、时，Cv、m逐渐变小，当T=0时，Cv、m=0： 在低温下,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,第二节 热容,2德拜模型,晶体中原子是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,热容为：,(1)当温度较高时，即,(2)当温度很低时，即,著名的德拜立方定律，它和实验结果十分符合 德拜热容理论中，不同材料的 是不同的,第二节 热容,三、影响材料热容的因素,对于固体材料，热容与材料的组织结构关系不大 相变时，由于热量的不连续变化，热容也出现了突变

8、,固体材料CP与温度T的关系应由实验精确测定，大多数材料经验公式： 式中CP的单位为4.18 J/ (kmol)，见表3.1。,第二节 热容,1 固态的多型性转变属一级相变 2 二级相变是在一定温度范围逐步完成,第二节 热容,对于不可逆转变，伴随转变产生的热效应也是不可逆的,4 材料热容与温度关系可由实验精确测定，经验公式 Cpa十bT十cT十 ,5 在较高温度下固体的热容具有加和性，即物质的摩尔热容等于构成该化合物各元素原子热容的总和,第二节 热容,四、热容的测量,1、混合法测量固体材料的比热容,2、电热法测固体的比热容,通常采用混合法和电热法,五、热分析方法的应用 1、热分析方法 是根据材

9、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。,DTA是在程序控制温度下，测量处于同一条件下样品与参比样品的温度差与温度之间的关系的一种技术。参比样品(标准样品)，往往是稳定的物质，其导热、比热容等物理性

10、质与试样接近，但在试验的温度范围内不发生组织结构变化。试样和参比样品在相同的条件下加热和冷却，两个样品之间就存在一个温差(特别是发生组织结构转变时)，DTA就是测量这种温差随温度的变化。DTA技术的特点：快速、样品用量少、适用范围广。但要进行精确的定量分析相当困难。所用的实验仪器，升温速率，气氛，样品用量，粒度等都会对实验结果有所影响。 DSC是通过调整试样的加热功率P，使两者之间的温差为零。通过补偿的功率可以直接计算热流率，即：,所得到的曲线为热流率dH/dt与温度的关系。它能够克服DTA的定量难的问题。,差热分析(DTA)是在试样与参比物处于控制速率下进行加热或冷却的环境中，在相同的温度条

11、件时，记录两者之间的温度差随时间或温度的变化，差示扫描量热分析(DSC)记录的则是在二者之间建立零温度差所需的能量随时间或温度的变化。,典型的DTA曲线和DSC曲线,DSC(或DTA)反映的是所测试样在不同的温度范围内发生的一系列伴随着热现象的物理或化学变化，换言之，凡是有热量变化的物理和化学现象(见下表)都可以借助于DTA或DSC的方法来进行精确的分析，并能定量地加以描述。,2热分析的应用 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

12、分析方法也有广泛的用途,一 热膨胀的概念及热膨胀系数 热膨胀的概念物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。 式中，l线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的相对伸长。 物体在温度 T 时的长度lT为：,第三节 热膨胀,2 平均线性膨胀系数,3 真线性膨胀系数 固体材料真线性膨胀系数，通常随温度升高而加大 无机非金属材料的线膨胀系数一般较小,4 体膨胀 物体体积随温度升高而增长的现象,各向同性的立方体材料 各向异性的晶体,二 热膨胀机理 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ro的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当r ro 时，曲线斜率较大，rro时，斜率较小，质点振动时的平

13、均位置就不在ro处而要向右移动因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在ro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,三 热膨胀与其他性能的关系 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,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

14、小 格留乃申晶体热膨胀极限方程 Tm (V Tm Vo)VoC,四 影响材料热膨胀系数的因素 1 化学成分 成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同。 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 影响金属材料热膨胀系数的其他因素 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

15、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,五 热膨胀系数的测定及应用 1 热膨胀系数的测定 (1) 望远镜直读法 (2) 顶杆式间接法 (3) 金属线膨胀系数的测量 2 热膨胀的应用 (1) 陶瓷 热膨胀系数是材料的一项重要热学性能 普通陶瓷坯和釉的膨胀系数相适应，当釉的膨胀系数适当地小于坯的膨胀系数时，压应力抑制了釉层的微裂纹产生及发展。 若釉层的膨胀系数比坯的大，在釉层中形成拉应力，对强度不利，而且过

16、大的拉应力还会使釉层龟裂 釉层的膨胀系数不能比坯的小得过多，否则会使釉层剥落而造成缺陷。 (2) 膨胀分析用于材料研究 钢组织转变产生的体积效应要引起材料膨胀、收缩，并叠加在加热或冷却过程中单纯因温度改变引起的膨胀和收缩上，导致膨胀曲线偏离一般规律 。,一、材料的热传导 1 热传导的概念 固体材料热量从热端自动地传向冷端 2 热传导定律 3 热传率 一定的温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量,第四节 热传导,二、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 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，

17、热振动能量就增加，热量就能转移和传递 。 1 声子和声子热导 温度不太高时，主要考虑声频支格波的作用,（1）声子 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 晶格振动中的能量是量子化的 声频波的“量子”称为“声子” 能量是h (2) 理想气体的导热公式,(3) 晶体材料 晶体热传导是声子碰撞的结果 声子间的碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源 晶格热振动是非线性的，格波间有一定的耦合作用 格波间相互作用愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低,2 光子热导 （1）光子热导概念 固体具有能量辐射出电磁波 （热辐射）光子的导热 （2）单位体积绝对黑体的辐射能量,（3）辐射传热中容

18、积热容 （4）辐射能的传导率,对于辐射线是透明的介质，lr较大，热阻很小；对于辐射线不透明的介质，lr就很小；对于完全不透明的介质，lr=0 材料的辐射导热性能取决于材料的光学性能,式中， 斯蒂芬波尔兹曼常数，n折射率， 光速。,三 影响材料热传导性能的因素 温度的影响 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,金属材料当其温度超过一定值后热导率随温度的升高而下降,2 晶体结构的影响 晶体结构愈复杂，热导率

19、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。,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,4 复相材料的热导率,5 气孔的影响 随着气孔率的增大，热导率按比例减小 粉末和纤维材料，其热导率比烧结状态时又低很多 金属和合金，自由电子对热传导起支配因素,四 热导率的测量及应用 1 热导率的测量 热导率测量是在导热系数测定仪上进行的 2 导热系数的应用 多相材料的导热系数可降低，且气体的导热系

20、数比固体材料要低得多，气孔率高的多孔轻质耐火材料比一般的耐火材料的导热系数低，这是隔热耐火材料生产应用的基础,第四节 材料的热稳定性（thermal stability） 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。热冲击损坏类型： 1一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。 2一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性。,一、热稳定性的表示方法 一般采用比较直观的测定方法。 二、热应力 式中：内应力（thermal stress），E弹性模量（elastic modulus），热膨胀系数（hea

21、t expansion coefficient）， 弹性应变（elastic strain）。 这种由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。若上述情况是发生在冷却过程中，即T0 T，则材料中内应力为张应力（正值），这种应力才会杆件断裂。,例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的冰水溶中，假设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋于的收缩，然而，此时内层还保留在373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中热应力逐渐减小，见图3.14。,当平板表面以恒定速率冷却时，温度分布呈抛物线，表面Ts比平均温度Ta低，表面产生张应力+，中心温度Tc比Ta高，所以中心是压应力。假如样品处于加热过程，则情况正好相反。,实际无机材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩，而且互相影响，下面分析一陶瓷薄板的热应力状态，见图3.15。,在t=0的瞬间， ，如果此时达到材料的极限抗拉强度f，则前后二表面将开裂破坏，代入上式：,根据广义虎克定律：,解得：,式中：S形状因子（shape factor），泊松比。 三、抗热冲击断裂性能 1第一热应力断裂抵抗因子R 由上式可知， 值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即热稳