第一章 材料的热学性能课件.ppt

引言 引言 引言 第一章 材料的热学性能 材料的热学性能： 主要包括热容，热膨胀，热传导，热稳定性等。 教学内容： 1.1 概述 1.2 材料的热容 1.3 材料的热膨胀 1.4 材料的热传导 1.5 材料的热稳定性 1.1 概述 根据振动频率的高低，分为声频支振动和光频支振动（红外光区）。 1、第一热应力断裂抵抗因子R 2、第二热应力断裂抵抗因子R 热应力引起的材料断裂破坏，还涉及到材料的散热问题，散热使热应力得以缓解。与此有关的因素包括： （1）材料的热导率λ愈快，热应力持续一定时间后 很快缓解，所以对热稳定有利。 （2）传热的途径，即材料或制品的厚薄，薄的传热 通道短，容易很快使温度均匀。 （3）材料表面散热速率。如果材料表面向外散热外 （例如吹风），材料内、外温差变大，热应力也 大，如窑内进风会使降温度的制品炸裂。所以引 入表面热传递系数h，h定义为：如果材料表面温 度比周围环境高1k，在单位表面积上，单位时间 带走的热量。 不改变外力作用状态，材料仅因热冲击造成开裂和断裂而损坏，这是由于材料在温度作用下产生的内应力超过了材料的力学强度极限所致。 材料的内应力(热应力)： 1.5.1 热稳定的表示方式（热稳定因子） 1.5.2 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 弹性模量 线性膨胀系数 1.5 材料的热稳定性 1.5 材料的热稳定性 值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即热稳定性愈好，定义： μ为泊松系数。R表示材料热稳定性的因子，称为第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子。 1.5 材料的热稳定性 材料是否出现热应力断裂，因然与热应力 密切相关，但还与材料中应力的分布，产生的速率和持续时间、材料特性（如塑性、均匀性、驰豫性）以及原先存在的裂纹、缺陷等有关。 R`表示材料热稳定性的因子，单位J/(cm.s)，称为第二热应力断裂抵抗因子或第二热应力因子。μ为泊松系数。 1.5 材料的热稳定性 1.5 材料的热稳定性 以上讨论的抗热冲击断裂是从热弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹形成就会导致材料的完全破坏。但对于一些含有微孔的材料和非均匀的金属陶瓷等却不适用。发现这些材料在热冲击下产生裂纹时，即使裂纹从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不致引起材料的完全断裂。无机材料中气孔率10-20%时具有最好的抗热冲击损伤性，而气孔的存在是会降低材料的强度和热导率。因此，R和R`值都要减小，这一现象按强度-应力理论就不能解释。实际上，几是以热冲击损伤为主的热冲击破坏都是如此。对抗热震性问题就发展了第二种处理方式，这就是从断裂力学观点出发，以应变能-断裂能为判据的理论。 1.5 材料的热稳定性 提高抗热冲击断裂性能的措施 具体措施（可用方程式解释）有： 1．提高材料强度 ，减小弹性模量E，使 提高。 2．提高材料的热导率 ，使 提高。 3．减小材料的热膨胀系数 。 4．减小表面热传递系数 h。 5．减小产品的有效厚度。 1.5 材料的热稳定性 热容是随温度而变化的，在不发生相变的条件下，多数物质的摩尔热容测量表明，定容热容C和温度的关系与定压热容有相似的规律。 (1) 在高温区 Cv的变化平缓 (2) 低温区 Cv ～ T3 (3) 温度接近0K时， Cv ～ T (4) 0K时， Cv ～ 0 热容来源： 受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功，此外还和电子贡献有关，后者在温度极高（接近熔点）或极低（接近0K）的范围内影响较大，在一般温度下则影响很小。 1.2 材料的热容 1.3.1 热膨胀系数 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，αl＝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： 1.3 材料的热膨胀 无机材料的 ,αl通常随T升高而加大。同理，物体体积随温度的增加可表示为： 式中，αV体膨胀系数，相当于温度升高1k时物体体积相对增长值。 对于物体是立方晶体 由于αl 值很小，可略 以上的高次项，则： 1.3 材料