南昌大学材料性能学重点第一章材料热学性能

第一章材料热学性能内容概要：本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容，并简述其物理本质。主要内容和学时安排如下：第一节材料的热容重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容；理解温度、相变等对热容的影响；了解热容的几种测量方法，对热分析法的原理和应用要重点理解。第二节材料的热膨胀重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质；了解热膨胀的测量方法；理解热膨胀分析方法在材料中的应用。第三节材料的热传导掌握热传导定律；热传导的物理本质；理解热传导的影响因素。（共6个学时）第一节材料的热容一、热容的定义：不同的物体升高相同的热量时其温度会不同，温度升高1K所需要的能量定义为热容：QC定容热容：如果在加热过程中，体积不变，则所提供的热量全部用于粒子动能（温度）的增加，用Cv表示()VVQC定压热容：如果在加热过程中保持压力不变，则物体的体积自由膨胀，这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度，一部分用于体系对外做功，用Cp表示()()VVVQUPVUCT()()()()()PPPPPPQUPVUVHCPTTTTcmHc为0-TK时平均比热容，即质量为1Kg的物质在没有化学反应条件下，温度升高1K时所需的热量，单位为J/（Kg.K）定压热容定容热容，一般实验测得的是恒压热容CpTQmCP1即在TTT温度范围内的平均热容：当0T时，PC即可认为是TK时的热容dTdQmCP1摩尔恒压热容：1mol物质在没有化学反应和相改变条件下，升高1K所需的能量，用Cpm表示摩尔恒容热容：KTVvCCmVmPm2MCCPPm（M为摩尔质量）二、热容理论实验发现：在不发生相变条件下，多数物质的热容Cv在高温下，逐于一恒定值；低温区3VCT；0T时，0VC。1经典的热容理论：（杜隆—珀替定律）体系的能量包括动能和热能，动能与温度有关，给体系提供能量一部分用于增加体系的动能—升高温度；一部分用于增加体系的热能TKmV23212动能和热能近似认为相等，则在TK时温度升高T所需的热量为3KTKTTKCTP3)3((3)()()33VVVENkTCNkRTT摩尔热容为Cpm=3R经典热容理论认为热容是一个恒定值为3R，与温度无关。缺陷：不能解释实验的热容与温度的变化关系。2热容的量子理论普朗克在研究黑体辐射时，提出了振子能量量子化，以hv为最小单位wwhhv2频率为w的谐振子的能量具有统计性，按照统计热力学原理，在温度为T，频率为w时，所具有的能量为wn值的几率与kTwne成正比。00nwkTniwkTiiiNeNe00nwkTnnwkTnnweEe1KTwewE1mol固体有N个原子，每个原子的振动自由度为3，所以1mol固体的振动可看成3N个振子的合振动33111NNiwiiKTwEEe3212()(1)wNkTVwiVkTEweCkTkTe但要计算Cv很困难，必须简化处理。A：爱因斯坦模型：爱因斯坦模型理论认为：各原子的振动是独立的，而且都是以相同的频率振动。223()3()(1)wkTVewkTwewCNkNkfkTkTe当1wkT时：23()wkTVwCNkekT当1wkT时：3VCNk00TV当时,C不足：热容偏离实验曲线偏大Why：爱因斯坦认为各原子振动互不相关，且以同一频率振动，模型过于简单。B：德拜模型：德拜考虑了晶体中原子间的相互作用，把原子振动看成是弹性波，晶体看作为连续介质存在一频率分布。432033()(1)DxTVxDTexCNkdxewxkTmaxDwk()DDfT,3DVTCR时4312,()5DVDTTCR时3VCT德拜定律0,0VTC时三、无机材料的热容四、金属材料的热容（1）自由电子对热容贡献。金属态物质存在大量的自由电子eVCT即热量用于提高自由电子的动能，在常温下自由电子热容与点阵振动热容相比微不足道。但在极高温和低温下，电子热容不可忽视。在极低温下，电子热容起主导作用。（2）合金的热容（奈曼考普定律）设合金成成分为A、B、C……其热容为CA，CB，CC……所占的摩尔比为XA，XB……Xn则C=XACA+XBCB+XCCC（3）相变对热容的变化A：熔化与凝固：熔化时，所提供的热量全部用于提高体系的内能。液态金属的热容比固态的大。B：一级相变与二级相变一级相变：相变时温度不变，相变完成后出现跃变。二级相变，相变时温度逐渐变化。五、热容的测量方法（1）量热计法：为了确定温度为T时的金属热容，把试样加热到此温度，经保温后，放入装有水和其他液体的量热计中，测量平衡后的最终温度Tf，从试样转移到量热计中的热量区，及试样质量m1PfQCTTm)(122TTmRTICP（2）撒克司法：sPdTdQcmdTdtPssdQWdtCdTdTmmdtdtdtdQ为热量的变化速度；sdTdt为试样温度的变化速度；m为试样的质量，C为定压热容。IVdtdQV是螺旋丝加热的电压；I是电流如果试样处于平衡状态Ts=TB，TB为箱子的温度如果先加热箱子，用箱子温度变化速度来代替试样温度)(BsBsTTdtddtdTdtdT关键是如何确定dtdTs如果用炉子加热箱子，然后通过箱子再加热试样，试样的温度必落后于箱子即不能满足Ts=TB，在试样中加入一个电阴丝，电阻丝交流通电或断电，使Ts=TB，则可用)(BsBsTTdtddtdTdtdT（3）热分析测量法热分析法分为普通热分析，示差分析和微分热分析为了得到热分析曲线，分析固态转变要准确测定试样的温度，一般采用试样与标准试样放在一起加热或冷却。对标样：在加热冷却的温度范围内不发生内部转变。试样及标样常制作成圆形，试样之间用石棉垫，记录下时间和温度。示差热分析法是利用示差热电偶测定待测试样和标准和温差而得到的。示差热电偶的两端分别处于待测试样1和标样口，当升（降）温过程没有相变时，T1=T2，T=0，若试样发生相变热效应，改变了试样的升（降温），T0微分热分析法：主要是测定试样温度随时间的变化率dtdT，把热电势场放大后输入微分器，即得到dtdT，微分信号可以十分灵敏地探知变温过程的相变。六、热分析应用（1）建立合金相图：建立相图首先要确定合金的液相线、固相线、共晶线及包晶线等，再确定相区。为建立一相图，取某一成分的合金，试样从液相开始冷却用差热分析法测定DTA曲线，试样从液相开始冷却，当到达x处便开始凝固，由于放出熔化热，曲线向上拐折，拐折逐渐减小，到接近共晶温度时，DTA曲线接近基线。在共晶温度，试样集中放出热量，出现了一个陡直的放热峰，共晶转变完成后，DTA曲线又回到基线。把各组份的第一峰（宽峰的起始点）和第二峰的峰值对应的温度分别连成光滑的曲线，即可获得液相线和共晶线。（2）研究有序—无序转变以CuZn合金为例，铜锌合金，当其万分接近CuZn时，形成具有体心立方点阵的固溶体，这个合金是有序状态，随温度升高逐渐转变为无序状态，这是一个吸热过程。AE是如果不有点转变的热容曲线H=SCdT当CuZn发生合金有序—无序转变，沿ABCD变化（3）钢的淬火转变对淬火钢回火，在不同溶度区间产生了三种不同的热效应，这三种热效应对应于不同的组织结构变化过程热效应I：由淬火马氏体转变成回火马氏体引起，马氏体的正方性减小，并从固溶体中析出碳化物。热效应Ⅱ：残余奥氏体分解成回火马氏体和析出碳化物。热效应Ⅲ：马氏体分解完毕后碳化物转变为Fe3C引起。如果在250℃预先回火后，再加热回火，此时残余奥氏体已全部分解，其组织为回火马氏体和碳化物，如果加热马氏体分解转变为铁素体和FeXC的混合物。第二节热膨胀物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。温度升高，体积增大：温度降低，体积缩小—热胀冷缩理论。不同物质温度变化，体积的变化不同，同一种物质，由于晶体结构不同，也有不同的热膨胀性能。一、热膨胀系数设物体原来的长度为0l，温度升高T后长度增加量为l，则01llTll称为线膨胀系数物体在温度T时的长度为00(1)TlllllTl并不是一个常数，而是随温度的变化而变化。温度0T时长度为0l，升高到温度T时，长度变为l01lllTl为T0—TK时平均线膨胀系数0T当时,1ltdlldt物体体积随温度增加可表示为)1(0TVVVt如果物体是立方体：333300(1)(1)ttllVllTVt0,(13)tllVVT很小lV3如果是各向异性晶体，各晶轴的线膨胀系数不同，分别为,,,abc则000(1)(1)(1)tatbtctabcabcVllllllTTT])(1[0TVcbacbaV1VVVt物体在加热或冷却时如发生相变会发生异常热膨胀效应。因此可利用这种异常现象研究相变。二、热膨胀的物理本质当温度为T0K时，平衡位置在0温度升高到T1时，平衡位置在1温度升高到T2时，平衡位置在2温度升高，平衡位置变大，导致原子间距变大，体积变大。三、热膨胀与其他物理性能关系：（1）膨胀系数与热容关系：格林纳森根据晶格热振动理论导出了热膨胀系数与热容关系：0VVrcKV03VlrcKVCV为定容热容，r为格林纳森常数，K0为体弹性模量，V为体积这表明体膨胀系数，线膨胀系数与定容有相似的温度关系，在低温下随温度升高急剧增大，到高温则趋于平缓。（2）膨胀系数与熔点关系：随温度升高，晶格的振动激烈，物体的体积膨胀，到熔点时，热运动突破原子间的结合力，晶体结构瓦解，物体从固态到液态。格林纳森给出了热膨胀的极限方程，一般纯金属从0K到熔点Tm，相对膨胀量为6%00mTmVVVTVTm熔点温度，VTm熔点温度固态金属的体积，V0为0K时的体积，熔点高的金属具有较低的膨胀系数，0.022lmT/2231lDCVArθD为德拜温度金属的德拜温度越高，膨胀系数越小。原子间结合力越大，膨胀系数越小。四、影响膨胀系数的因素（1）相变的影响相变时，金属由一种结构转变成另一种结构，金属的性能将会发生突变。根据相变时性能变化情况，可以将相变分为一级相变和二级相变。一级相变特征是体积发生突变，有相变潜热。金属中有少部分相变（同素异构体转变，三转变）。在相变点，V—T曲线不连续，二级相变无体积突变和相变潜热，但比热容和膨胀系数发生突变。同素异构转变时，点阵结构重排，金属比热容发生突变，由此导致膨胀系数不连续变化将纯铁加热到910℃时，相相，相比热容比相小，故试样的比热容在A3处急剧变小，温度连续升高，由相时的比热容急剧增大。有序无序转变在膨胀曲线也会出现拐点，有序无序转变是一个区间完成的，例如Cu-Au合金在300℃时，有序结构被破坏，在480℃时合金结构转变为完全无序状态，膨胀曲线出现明显的拐折，拐折对应于有序—无序转变的上临界温度，称为有序—无序转变温度。（2）成分和组织的影响A：形成固溶体固溶体的膨胀系数处于两组元的膨胀系数之间，其膨胀系数大多低于按直线规律计算的值，也也些如Ag-Au合金与成分之间呈直线关系。B：不同结构的物质相同的物质，结构不同，膨胀系数也不同，一般说来，结构紧密的晶体的膨胀系数大，例如无定形玻璃则往往具有较小的膨胀系数。C：多相体的影响//ivmiiiivmiiiiwkwk//ilmiiiilmiiiiwkwk（3）各向异性影响单晶体的线膨胀系数是各向异性的。不同的晶向有不同的热膨胀系数。因此单晶体的膨胀特性不能以单一值业测量。在各向同性情况下，物体的膨胀系数可表示为0llTl各向异性情况，热膨胀引起的变形以六个变量（),,,,,(xzyzxyzyx