材料物理（热学）2.ppt

1、材料物理（材料热学部分）,3 热膨胀,3.1 概念 定义：物体的体积或长度随温度的变化而变化的现象称为热膨胀。,线胀系数L：温度升高1K时，物体长度的相对变化率。 LT = L0 + L = L0 (1 + LT) 体胀系数V：温度升高1K时，物体体积的相对变化率。 VT = V0 + V = V0 (1 + VT),热膨胀系数,体胀系数与线胀系数的关系,各向同性 V 3 L 各向异性 V a+ b+ c,3.2 热膨胀的物理本质,热膨胀的双原子模型,热膨胀的物理本质,原子间作用力与原子间距的关系,原子相互作用的势能曲线,热膨胀的物理本质,当温度升高时，原子在平衡位置附近的振动会发生改变，由于

2、引力和斥力作用方式的不同，使得原子在平衡位置两侧的变化幅度不同，从而使得平衡位置偏离原来的位置，微观上表现为两原子距离的拉长，宏观上表现为材料在该方向上的膨胀。,3.3 热膨胀与其它物理性能的关系,热膨胀与热容 热膨胀与熔点 热膨胀与结构,热膨胀与热容的关系,体膨胀与质量定容热容成正比。有相似的温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。,铝的线胀系数与实测值的比较,氧化铝的热容与热膨胀系数在宽广范围内的平行变化,热膨胀与熔点的关系,熔点较高的金属具有较低的膨胀系数。,各元素线胀系数与熔点关系,热膨胀系数与结构的关系,对于组成相同的物质，结构紧密的晶体，膨胀系数较大，而类似于

3、无定形的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。 石英：1210-6 /K 石英玻璃：0.510-6 /K,陶瓷制品中的热膨胀系数,陶瓷材料与其它材料复合，应考虑膨胀系数的匹配。 陶瓷表面釉层的残余压应力（釉层的膨胀系数小于坯体）,3.4 负热膨胀系数材料,水的反常膨胀现象与机理,水：0-4oC,Si, Ge, GaAs, CdTe, CuCl, Cu2O, RbI, ZrP2O7, Zr(P1-xVx)2O7, ZrV2O7, ZrW2O8, ThP2O7, UP2O7, HfW2O8 ZrW2O8：0.3-1050K,立方晶型，由以O为顶点W在中间的WO4四面体和O为顶点Zr在中间的ZrO6八面体通

4、过O原子共顶点相连。每个WO4四面体中都有一个O原子不与其它单元相连接。 ZrW2O8：0.3-1050K,发现与负热膨胀机理,1996年，A.W.Sleight在Science上发表了0.3-1050K下ZrW2O8的负热膨胀性。 1997年，美国发现百项重大发现奖。 1998年，Physica B，横向振动，多面体刚性模式。,发现与负热膨胀机理,A Lexandra等，由于W-O和Zr-O键能非常大，使得多面体WO4和ZrO6能转动而不破坏各自的多面体结构，即多面体具有刚性结构模式（RUM）。 1998年，G. Ernst等，与能量低于10meV的声子振动有关系。 2002年，D. Cao

5、等，WO4四面体在温度为5-315K时为刚性模式而ZrO6八面体不是，Zr-O-W也不是，因此，Zr-O-W的横向振动不是负膨胀的根源。 2003年，D. Cao等，WO4四面体及其相连的三个ZrO6八面体的联系运动是引起负热膨胀的根源，且WO4四面体的刚度使其必须沿着方向振动。,ZrW2O8的合成,Glen R. Kowach等 按化学计量比将ZrO2和WO3混合后置于铂坩锅中，再在混合物上层铺适量WO3 升温速率：700 C/h升温至1573K，保温2h，再按0.5 C/h降温到1503K，再急冷到室温。 获得无色透明的ZrW2O8晶体。,负热膨胀系数的应用,Cu/ZrW2O8复合材料 A

6、l/ZrW2O8复合材料 ZrO2/ZrW2O8复合材料,3.5 影响热膨胀的因素,相变的影响：一级相变与二级相变 同素异构转变： 有序无序转变： 磁转变,发生有序无序转变的热膨胀曲线,Fe、Ni、Co在磁性转变区域的膨胀曲线,几种铁镍合金的系数和温度的关系曲线,3.6热膨胀系数的测量,示差法（顶杆法） 测微望远镜直接观察法 干涉仪法 X射线法 体积测定法,3.7 陶瓷材料的热膨胀行为,与金属材料相比，陶瓷材料热膨胀系数一般比较小； 陶瓷材料热膨胀系数随晶轴不同而不同；,（1）确定钢的组织转变温度 转变点的测定 （2）研究钢的等温转变 动力学曲线测定与TTT图的绘制,3.7 热膨胀分析的应用,在确定钢的组织转变临界点时，为了测试结果准确而有可比性，除对钢的成分有严格要求外，还对钢的原始组织、加热和冷却速率、奥氏体化温度及保温时间等有下列要求： （1）钢的原始组织应当相同，一般采用退火组