第五章 材料的热性能.ppt

一般固体材料的α=10-6 ～ 10-2K-1量级，合金和金属的α=10-2～10-6K-1量级，陶瓷材料α= 10-5～10-6K-1 。 热膨胀系数 类似有平均体膨胀系数和真体膨胀系数 （K-1）。 热膨胀和热容的关系 晶格振动加剧 温度升高 体积膨胀 热容（格波） 显然，热容与热膨胀密切相关。如图5.25所示 CP (CV)~T曲线与α~T曲线极其相似，表明两者间的密切关系，当TΘD时， CP趋于定值，而α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。 Cv↑→原子活性↑→振幅增长↑ 图? Al2O3的热膨胀系数、热容随温度变化的曲线 热膨胀和热容 热膨胀和热容 格律乃森（Gruneisen)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容间的关系式： 根据格律乃森公式可以大致估算体膨胀系数。 固态体膨胀极限方程 格律乃森（Gruneisen)还提出： 物体熔点越低，物质的膨胀系数越大，反之亦然。 1、原子结合力（键强） 原子结合力↑ →原子活性↓→振幅增长↓ ◇金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小； 热膨胀的影响因素 表 某些单质晶体的原子半径与结合能、熔点及膨胀系数的关系 5.3 232 301.7 5.3 锡 3.5 1 415 364.5 2.35 硅 2.5 3 500 712.3 1.54 金刚石 αL /（10-6·K-1） 熔点 /℃ 结合能 /（KJ·mol-1） （r0）min /10-10 m 单质材料 ? ◇聚合物材料的线膨胀系数则较大。 热膨胀的影响因素 2、温度 T↑→膨胀系数↑ 与热容与温度之间的关系类似。 3、相变 二级相变，膨胀系数曲线有拐点；如有序-无序转变见图5.33。 图 相变时α、△L与T关系 （a）一级相变? （b）二级相变 一级相变，膨胀系数曲线有突变；如纯铁加热见图5.30，5.31。 ? 有序-无序转变的热膨胀曲线 热膨胀的影响因素 4、晶体空位↑→αT↑ Q为空位形成能； V0是晶体0K时的体积。 5、晶体结构 对称晶体（立方晶体） 非对称晶体（六方晶体） 热膨胀系数有各向异性，见表5.8 对于非等轴晶系的晶体，其单晶体在不同晶轴方向上具有不同的热膨胀系数。其中最显著的是层状结构的材料。 譬如石墨：由于层内原子键的结合力强，垂直于c轴方向的线膨胀系数小，为1×10-6 K-1;而层间的结合力弱得多，在平行于c轴方向具有较大的线膨胀系数，为27×10-6K-1。 热膨胀的影响因素 7、磁性转变 如图5.34和图5.35所示，铁磁性金属及其合金在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰。 因瓦合金（Invar alloy） 可伐合金（Kovar alloy） 磁致伸缩抵消了正常热膨胀？ 6 、结构致密程度 结构紧密的晶体，膨胀系数较大；而类似于无定形的玻璃，往往有较小的膨胀系数。结构紧密的多晶二元化合物都具有比玻璃大的膨胀系数。原因是因为玻璃的结构较疏松，内部空隙多，这样当温度升高时，原子振幅加大，原子间距离增加时，部分地被结构内部的空隙所容纳，而整个物体宏观的膨胀量就少些。 如:石英晶体 12×10-6 /K ;石英玻璃0.5×10-6/K 8.成分对热膨胀的影响 a、固溶体合金 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。 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。 b、形成化合物 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。 热膨胀的影响因素 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。 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。 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。 。。。。。。 热膨胀的测量※ 一、千分表简易膨胀仪 二、光学膨胀仪 三、差动变压器式膨胀仪 膨胀测量在材料研究中的应用※ 1.测定钢的临界点 图5.37 ， 5.45 2.测定钢的过冷奥氏体等温转变曲线（TTT曲线） 图5.46 3.测定钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线） 图5.50 4.研究快速升温时金属相变及合金时效动力学 5.研究晶体缺陷 参看钢的热膨胀特性 膨胀合金※ 定膨胀合金※ 低膨胀合金※ 可伐合金（Kovar alloy） 热双金属材料※ ◇由膨胀系数不同的两种金属片沿层间焊