第八章材料的热学性能.pptVIP

第一节 热学性能的物理基础 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，r＞ro时，斜率较小，质点振动时的平均位置就不在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、膨胀系数小 格留乃申晶体热膨胀极限方程 Tmα ＝(V Tm —Vo)／Vo＝C 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，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hυ (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