材料的热膨胀

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3.晶体缺陷对热膨胀的影响
实际晶体中总是含有某些缺陷, 它们在室温处于“ 冻结” 状态, 但 它们可明显地影响晶体的物理性能。 Timmesfeld等人研究了空位对固体热膨胀的影响。由空位引起的晶 体附加体积变化为:
△ V = BV0exp[-Q/kT]
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2.相变对热膨胀的影响
当金属和合金发生一级或二级相变时, 其膨胀
量和膨胀系数都会发生变化。
一级相变：金属与合金中的大多数相变都属于
一级相变, 一级相变的特征是能量、体积和晶
体结构的不连续变化, 即是转变将伴随比容的
突变, 相应的膨胀系数将有不连续的变化, 其转
αl /10-6 K-1 24.9 9.2 10.60 16.7 17.1 17.18 5.19 0~2 10.5 ~ 12 18.5 ~ 21 6.95 8.8 4.7 2.7 0.5
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温度范围 303 ~ 573 153 ~ 1133 523 ~ 753 303 ~ 1123 693 ~ 1263
373 1573 293 ~ 373 273 ~ 473 293 ~ 573 273 ~ 373 273 ~1273 273 ~1273 273 ~1273 273 ~1273
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材料的热膨胀
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一、 热膨胀的本质
定义：通常是指外压强不变的 情况下，大多数物质在温度升 高时，其体积增大，温度降低 时体积缩小的现象。
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材料热膨胀的本质: 在于晶格点阵实际上在作非 简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际 上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。
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无机材料的线膨胀 系数一般都不大
某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系
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三、 影响热膨胀的因素
1. 合金成分对热膨胀的影响
组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀 的影响极为明显。固溶体中加人膨胀系数大
的溶质元素时, 膨胀系数增大; 反 之, 加人溶质元素的膨胀系数较 小时, 固溶体的膨胀系数减小。
αl
Cu-Au合金
膨胀系数
rE / %
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部分材料的线性膨胀系数
材料名称
Al Ti Cr Fe Ni Cu W Invar合金6Ni-Fe 铸铁 黄铜
Si Al2O3 SiC Si3N4 石英玻璃
变点处a 将为无限大。
来自百度文库
二级相变：相变时两相的化学势相等, 相变时
虽然没有体积的不连续变化, 但仍存在膨胀系
数的不连续变化。属于二级相变的磁性转变和
有序无序转变,在其相变处膨胀系数温度曲线上
有折点。 Copyright © Sino-i Technology Limited All rights reserved
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4.晶体各向异性对热膨胀的影响
由于晶体结构的不对称性, 在不同的晶轴上产生 不相等的热膨胀, 所以晶体的热膨胀量也需要用六 个独立的参数来表征。
固体中热膨胀的各向异性可以定性地从原子间结 合力的强弱来说明。在非立方晶系中, 特别是在具 有一次轴对称的晶系中，平行于轴向和垂直于轴向 的原子间结合力差别甚大。若在某一个方向上结合 力较其它方向为小，则晶体首先在该方向上受到热 激发，因此在该方向上的热膨胀迅速增加，与此同 时往往伴随着垂直于该方向上的收缩，因此出现膨 胀系数的负值。
式中，Q 是空位形成能，B 是常数， V0是晶体0k时的体积，k 是玻 耳兹曼常数，T 是温度( K )。这里的空位可以由辐射或高温淬火产 生。
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原子间相互作用的势能 曲线
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二、 热膨胀系数
定义：在等压(p一定)下，单位 温度变化所导致的体积变化， 即热膨胀系数。
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线膨胀系数α：α=ΔL/(L*ΔT)
面膨胀系数β：β=ΔS/(S*ΔT) 体膨胀系数γ：γ=ΔV/(V*ΔT)
式中ΔL为所给长度变化ΔT下物体温度的改变，L为初始长度；ΔS 为所给面积变化ΔT下物体温度的改变，S为初始面积；ΔV为所给 体积变化ΔT下物体温度的改变，V为初始体积。