第七章 金属及合金的热膨胀.ppt

* * 第七章 金属与合金的热膨胀 金属在加热或冷却时，其体积发生热涨冷缩的现象称为热膨胀。 第一节 金属的热膨胀系数 金属的热膨胀系数有线膨胀系数和体膨胀系数。 金属的线膨胀系数?l是表示金属试样在加热时，温度每升高一度的相对伸长量。金属加热时，当试样温度从T1升高至T2, 长度相应由L1变化至L2，其伸长量与温度的关系符合下列半经验公式： 式中 便是T1至T2温度区间内金属的平均线膨胀系数，其单位为?C-1或K-1 金属的体膨胀系数?V 表示温度升高一度时体积的相对变化量。平均和真实体膨胀系数的表达式为 可证明体膨胀系数与线膨胀系数近似地为 第二节 金属热膨胀的物理本质 波恩(Born)的双原子模型中两个原子间相互作用的位能E(r)与原子间距r的关系式： 式中第一项为吸引力能，第二项为排斥力能，A和B为正值常数, 指数mn。对于金属，m约等于3，而n对不同金属可在较宽范围内变化。两原子间相互作用力可写成： 式中第一项为吸引力，第二项为排斥力。由于nm，故如图所示， 当r＝r0时，位能最小，动能最大，当r=ra和r＝rb时，位能最大，动能变为零。a,b两点是振动的极限位置，a,b不对称于ro。 第三节 膨胀系数和其他物理性能的关系 1、膨胀系数与热熔 —体膨胀系数，K—1； Cr,m—定容摩尔热容，J／(mol，K)； K——体积模量，N／m3； Vm——摩尔体积，m3／mol； γ——格留奈申常数，对于一般材料γ＝1.5—2.5 2、膨胀系数与熔点：金属膨胀系数?和熔点TM间的直接关系有如下经验公式： 3、德拜温度： 反映原子结合力的大小，所以它和膨胀系数也存在一定关系。 式中: A—常数； V—原子体积； Ar—元素的相对原子质量。 4、纯金属的硬度越高，其膨胀系数也越小，这也和原子结合力有关。金属原子的结合力越大，其切变弹性模量也越大，位错运动的派—纳力增大，塑性变形抗力越大，导致硬度增高 第四节 影响膨胀性能的因素 一、相变的影响 1、多晶型转变 纯金属的多型性转变属于一级相变。这类相变伴随着比容的突变，或增大、或减小，因而其膨胀系数也相应地有极明显的变化。平衡转变时，膨胀系数趋于无穷大 有序—无序转变属于二级相变，相变时体积无突变，而膨胀系数在相变温度区间有改变 2．有序—无序转变 3. 磁性转变 金属与合金的磁性转变也属于二级相变。转变是在接近居里点的温度范围内进行。 其中镍和钴具有正膨胀峰，称为正反常，铁具有负膨胀峰，称为负反常。 Fe-Ni合金，它们在居里点以下，膨胀系数随温度变化曲线上都存在不同程度的负反常现象，并具有共同的特点，即在各自的居里点附近膨胀系数都急剧上升 可以获得低膨胀合金或定膨胀合金。例如，因瓦(Invar)合金Ni36室温下膨胀系数只有1．2X10-6?C-1。超因瓦合金Ni31Co5室温膨胀系数趋近于零 某些铁磁金属及合金出现热膨胀的反常现象是由于自发磁化过程中产生的体积磁致伸缩效应引起的。 例如?—Fe处在曲线峰值的左侧，当它在顺磁状态下，设其交换积分值为A1，对应的原子间距为a1。当它发生自发磁化过程后，交换积分增高至A2, 原子间距增大至a2，所以在铁磁状态下，铁产生正的体积磁致伸缩效应。对于镍和钴，它们处在曲线峰值的右侧，自发磁化过程使交换积分A值升高，而相应的原子间距要缩小，因此它们在铁磁状态下产生了负的体积磁致伸缩效应。 以上这种体积磁致伸缩效应，在加热到接近居里点时会逐渐消失，从而导致热膨胀的反常现象。 二、合金化的影响 1．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。 溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时，固溶体的膨胀系数降低，反之则升高。固溶体膨胀系数随组元浓度变化的规律，比按算术相加规律的计算值要低，故呈凹形曲线有些合金系中，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。固溶体的膨胀系数随溶质金属的价数增加而增大，这是由于溶质金属的作用使点阵常数增大之故。 2．形成化合物 两元素形成化合物时，因原子呈严格的规则排列，其相互作用比固溶体原子间的作用要大得多。因此，化合物的膨胀系数比固溶体有较大的下降。 3．多相合金及复合材料 多相合金的膨胀性能取决于组成相的膨胀性能及组成相的体积相对量。其膨胀系数一般介于组成相的膨胀系数之间，并近似地符合直线相加规律。如两相合金的膨胀系数可由下式估算： 4．铁和钢中的合金元素