材料的热学性能

第二节
热膨胀的物理本质
热膨胀和原子的热振动有关。 根据波恩(Born)的双原子模型:
E mA nB F( r ) m1 n1 r r r
A B E( r ) m n r r
得到原子位能与间距的关系曲线，如图5-3实线所示。 P96。随着温度升高，原子能量增大，原子将偏离r0的位 置而发生振动。当温度为T1时，振动原子总能量为E1，振 动位置从a到b，位能沿ab变化。
热膨胀是原子热振动加剧引起的振幅加大和振动能量 增大的结果。 一、与热容的关系 V CV ,m KVm 格留耐申式： V ：体膨胀系数； Cv,m ：定容摩尔热容； K ：体积模量； N / m 2 Vm：摩尔体积 格留耐申常数, =1.5~2.5. 以铝为例，如图5-4，P97，热膨胀曲线与热容曲 线不同之处在于：热膨胀曲线在 T D 时， V 仍在增 大，这是由于空位等热缺陷的增加对 V 有较大影响 注意：在格留耐申式中，摩尔体积Vm越小， V 越大， -Fe 比 -Fe膨胀系数大。
二、爱因斯坦量子热容理论
晶格中每个原子都在其格点做振动，各个原子的振动是独立而 互不依赖的；每个原子都具有相同的周围环境，因而其振动频率 是相同的；原子振动的能量是不连续量子化的。即把原子的振动 当作谐振子的振动。 E 为爱因斯坦特征温度。 E
E 2 CV 3R( ) T
exp(
E [exp( ) 1]2 T
二、示差热分析法
如图3-15、3-16、3-17 P81。
当试样与标样温度相同时，两对热电偶中无电流通过；
当试样与标样温度不同时，有热电势出现，有电流流过。可以 测得两条曲线： 温差—时间曲线； 温度—时间曲线。
第六节
热学性能分析的应用
一、测定钢的临界点 图3-18，P82为对共析钢测定的例子。图中abc峰为 珠光体向A氏体转变的吸热造成。同理，在冷却时有一 个负峰a1,b1,c1。 二、测定钢的转变曲线（自学） 图3-20，P83： 1为试样； 2为标样； 3为热电偶丝； 4为热电偶丝； 5为耐热管。 冷却时以冷却介质使冷却速度变化。
材料物理性能
绪
论
作为一门学科，材料科学与工程的形成是金属 材料、无机材料、有机高分子材料各学科发展 过程的殊途同归。如果说以往机械工业的发展 长期来追求材料的高强度、高韧性、耐高温、 抗腐蚀等主要后材料结构抗力的话，在人类进 入“信息社会”的今天，许多新兴企业正在替 代原有的传统工业，音像市场已渗透到社会生 活的各个角落，电子计算机和机器人正在努力 实现智能化，人类对太空、海洋和人体自身的 探索日益深入，这一切对材料提出的则是更高 的功能性指标。
Vm：摩尔体积。
dV K VdP
研究方法：定容过程材料无膨胀，则易于讨论， 但测量很难。故用定压热容来换算定容热容。 材料无相变时的热容随温度变化：如图3-1，3-2 。 溶解特征温度：材料在高于此温度时，摩尔热容接近于 一个常数25J/mol k。 图中： 第一阶段：热容变化是由自由电子运动贡献。 第二、三阶段：热容变化是由晶格振动贡献； 有相变时，其内部结构状态需要吸收或者放出一 部分热量，使焓和热容有突变。据此可以作为研究相 变的依据。
第二章
材Hale Waihona Puke Baidu的热膨胀
第一节 材料的热膨胀系数 线膨胀系数定义：温度每升高1度的相对伸长量。
L2 L1 L L1 (T2 T1 )
体膨胀系数： V2 V1 1 V
V1
T2 T1
在各向同性时， V 3 L 在0~1000C范围内，各种金属的线膨胀系数如表 5-1所示。P95。
(1)可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精 确地判断材科中发生相变的温度、时间、数量和限度； (2)可以灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性 能的影响； (3)所得结果反映材料的整体效应，可以避免局部 微观区域观察或测量可能造成的错觉。
本课的基本要求：
1.了解各种材料物理性能的基本概念和物理 本质； 2.掌握材料成分、结构、组织及温度、应力 等内外因素对金属物理性能的影响规律； 3.初步掌握研究材料中的物理性能分析方法； 4.了解各种物理性能的测试方法和原理及主
e T 1
D
]
第三节 合金的热容
一、合金相的热容
Cm x1C1m x2C2m
x1,x2化合物中各个组元的摩尔分数 C1m,C2m各个组元的摩尔热容。 该定律不适合于低温条件及铁磁性合金。 二、合金相形成热 形成热的大小：稳定化合物 不稳定化合物 中间相 固溶体。具体数值见表3-5。P73
热容量反映了材料中原子热振动能量状态改变时 需要的热量。加热时，材料吸收的热能主要为点阵 吸收，增加了材料离子的振动能量。其次为自由电 子吸收，增加了电子的动能。所以，热振动为主要 贡献。自由电子运动为次要贡献。 定容和定压时的不同： 定容时，吸收的热量增加其内能，提高了温度； 定压时：吸收的热量大部分增加内能，小部分做 对外膨胀功。
据此：
Cv (
Q
dt
)V (
u )V t
由于在定压时材料需要对外做膨胀功，其温度升 高1K需吸收更多热量，故Cp>Cv。 Q h C 据定压与定容摩尔热容间的关系： P ( dt ) P ( t )
V ：体膨胀系数 K：压缩系数 ；
dV ；V VdT
2 V VM T C P CV K
CV T 3 的关系，这是因为忽略了振 问题：这不符合实验的
三、德拜(Debye)量子热容理论
晶体中各个原子间存在着弹性的斥力和引力。这种力使原 子的振动相互受着牵连而达到相邻原子间协调地振动。
T 3 T x3 CV 3R[12 ( ) dx 0 ex 1 D
d
3
D
T
（1）、高温 T D 时，则 ex 1 x 代入后：CV=3R 与前面两个理论一致； 12 4 T 3 （2）、低温时, T D CV R( ) 5 D 即 CV与T3成正比。 反映了材料温度升高所吸收的热量主要用来加强晶格的振动； （3）、当T=0时，CV=0. 在接近于0K的范围内，该理论与实验规律存在着偏差，是由 于未考虑自由电子的动能。
.
固体材料的热运动既具有动能，又有位能。摩尔材料 的总内能： 3 3
u m N A ( KT KT ) 3N A KT 3RT 2 2
材料的定容摩尔热容为： V ,m (u )V 3R 25 J C T mol k 结论：所有材料的摩尔热容是一个与温度无关的常数，其 值接近于3R。 不足：在高温时与实验相符合，在低温时与实验不符合。 问题在于把原子振动的能量认为是连续的。
当r=r0时，位能最小，动能最大。
当r=a或r=b时，位能最大，动能为零。a,b是振动的极 限位置。a,b不对称于r0. a,b的几何中心r1在的r0右侧位 置，即原子间距增大了。同理，在T2时，平均原子间距为 r2。温度越高，原子间距位移越大。在宏观上体现出体积 或者长度的变化。
第三节
膨胀系数与其他物理量的关系
第一节 焓和热容 一、基本知识 在等压时，物体吸收或者放出的热量在数值上 等于焓的变化： Q dH 定义：在等压时，1克物体从0K到T时所需热量 Q为该物体的焓。 Q=CmT C是0K到TK区间的平均比例数。 将m克物体升高1K所需热量定义为热容C,单位 质量为c，单位为：J/K.
二、物理意义：
第二节 材料的热容理论
一、杜隆—柏替定律 假设：固体中的原子是彼此孤立地做热运动，且原 子振动的能量是连续的。认为与气体分子的热运动相类 似。 1摩尔气体的总能量为： R：气体常数； 3 3 NA ：阿伏加得罗常数； E KN AT RT 2 2 K：波尔兹曼常数。
u ) 3 R C 气体定容摩尔热容： V ,m ( T V 2
物理性能
材料发展中受到特别关注的领域之一。它的进展
凝聚着物理、化学、冶金、陶瓷和聚合物等领域科学工作者的成 果，在人类科技发展史上已作出了醒目的记载。譬如，在第二次 世界大战期间，德国以其首先研制成功的高保真录音磁带深夜里 在电台播放时，曾经使英美的谍报人员迷惑不解，而今录音、录 像的磁带或光盘己成为全世界普通人日常的生活用品。在40年代 半导体材科尚未问世之前，世界上第一台电子计算机曾经是一座 两层楼高的庞然大物，而今功能比它强得多的一台 “nlinkpaid—600笔记本电脑全都集成在一个厚度仅35mm的 盒子里，整机重量仅2．5kg。由于磁记录材料的进步，今天可 以把联邦百科全书都贮存在计算机中一个小小的硬盘里，供全世 界的读者通过计算机国际互联网随时查阅。
T
)
讨论：（1）、高温时，T>> E ， E exp( E ) 1 E ,C =3R. 则 T 1 ， V T T 说明：在高温时与杜隆—柏替定律相一致。 （2）、低温时，T<< E ，则 E 1 ，将上式中1忽略， T 得： E 2 E CV 3R( ) exp( ) T T 子振动频率的差别。
工程材料
结构材料 通常指那些具有特定物理、 化学或生物学特性的材料。材料的结构 性以原子尺度内部不发生变化为特征， 功能材料。功能材料涉及的范围很广， 它可以作为一种将输入能量传递或转换 成其他能量的功能元件。材料的功能性 通常为原子内部的电子以至原于核间的 交互作用而表现出来的特性。
举例
导电性 电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差 异，因而有良导体、半导体、电介质和超导体之分。 磁性 决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之 间因“交换作用”产生不同原子取向的结果，因而有抗 磁体、顺磁体和铁磁体之别。 光学性 材料在“非平衡”的情况下能够发光(如彩色显 像管中那样的荧光)，则是材料的透明基质中渗入微量杂 质的电子被激发到高能态，从而成为发光中心的缘故.激 光器可以输出1012--1014w的脉冲功率。同样，正是由 于高透明光导纤维玻璃的研制成功，才使远距离光通信 成为现实
第四节
相变对焓和热容的影响
一、一级相变 一级相变时熵与体积呈现不连续变化，即相变进行时有相 变潜热和体积突变。如图3-7，P75。在固—液转变时，使焓 突然增大，即为材料熔化时所吸收的熔化潜热。 图中虚线为自液态快速冷却时获得非晶态材料时的变化曲 线，此时无潜热释放。
二、纯铁的热容曲线
如图3-9，P76。
三、测定钢的回火 图3-26，P85。
如
曲线a中有三个放热反应： （1）、淬火M氏体向回 火M体转变析出ε 碳化 物； （2）、残余A氏体转变， 析出 ε 碳化物； （3）、回火M体向回火 屈氏体转变， ε 碳化物为 Fe3C。
曲线b：先经过2500 C 回 火后再加热得到此曲线。 与a相比，第一阶段已经 没有，只有第二、三阶段。
实线为实验测定曲线，虚线为若无A3,A4点相变时的曲线。
第五节 热容和热效应的测量
一、撒克司(sykes)法 测比热容。 如图3-10， P77。 1 dQ 1 pd
P CP dTS m dTS m dTS m( ) d
P为电功率,P=IV；
dTS d
为试样升温速度。
关键点：必须保持Tb-Ts的动态为零。
要使用的仪器与设备
。
第一章 材料的热学性能
热学性能：热容、热膨胀、热传导。 这些都与材料中原子的热振动有关，即直接决 定于晶格振动。 研究热容和焓的目的：材料在相变时有热的释放或者 吸收。可以依据焓、热容的变化特征，来： （1）判定相变类型； （2）确定相变临界点； （3）研究相的析出和固溶过程； （4）冷加工后的回复和再结晶过程
物理性能测试
作为材料研究的一种方法，即通过各种状态下所测得的材料参数， 取得固体内部微观结构组态的信息，以阐明材料的纯度、状态、 相组成，精确判断相变过程的性质、数量和限度。这种方法在许 多方面有独特的效果，称为“材料物理性能分析”。与金相分析、 x—射线分析和电子显微分析相比，物理性能分析的特点是：