材料科学材料物理性能热PPT学习教案.pptx

会计学1材料材料(cilio)科学材料科学材料(cilio)物理性能物理性能热热第一页，共57页。课堂课堂(ktng)三定律三定律n n第一定律，手机不能响n n第二定律，后排(hu pi)不能坐n n第三定律，作业不能抄第1页/共57页第二页，共57页。参考参考(cnko)教材教材n n材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，2004200420042004年。年。年。年。n n材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，2007200720072007年。年。年。年。n n材料物理性能，郑冀等编著，天津大学材料物理性能，郑冀等编著，天津大学材料物理性能，郑冀等编著，天津大学材料物理性能，郑冀等编著，天津大学(tin jn d xu)(tin jn d xu)(tin jn d xu)(tin jn d xu)出版社，出版社，出版社，出版社，2008200820082008年。年。年。年。n n材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，2006200620062006年。年。年。年。第2页/共57页第三页，共57页。n n材材材材料料料料（materialmaterial）：材材材材料料料料是是是是人人人人类类类类用用用用于于于于制制制制造造造造物物物物品品品品、器器器器件件件件、构构构构件件件件、机机机机器器器器或其他产品的那些物质。或其他产品的那些物质。或其他产品的那些物质。或其他产品的那些物质。n n2020世纪世纪世纪世纪7070年：信息、材料和能源年：信息、材料和能源年：信息、材料和能源年：信息、材料和能源 （文明的三大（文明的三大（文明的三大（文明的三大(sn d)(sn d)支柱）支柱）支柱）支柱）n n8080年年年年代代代代以以以以高高高高技技技技术术术术群群群群为为为为代代代代表表表表的的的的新新新新技技技技术术术术革革革革命命命命，又又又又把把把把新新新新材材材材料料料料、信信信信息息息息技技技技术术术术和和和和生物技术并列为新技术革命的重要标志。生物技术并列为新技术革命的重要标志。生物技术并列为新技术革命的重要标志。生物技术并列为新技术革命的重要标志。n n分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料n n 结构材料与功能材料结构材料与功能材料结构材料与功能材料结构材料与功能材料第1章 绪论(xln)第3页/共57页第四页，共57页。n n材料性能是一种材料性能是一种材料性能是一种材料性能是一种(y zh(y zh n n)用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。n n材材材材料料料料使使使使用用用用中中中中表表表表现现现现有有有有多多多多少少少少行行行行为为为为，就就就就对对对对应应应应有有有有多多多多少少少少性性性性能能能能。外外外外界界界界条条条条件件件件不不不不同同同同，相相相相同同同同的的的的材材材材料料料料也也也也会会会会有有有有不不不不同同同同的的的的性性性性能能能能。多多多多数数数数的的的的性性性性能能能能都都都都有有有有量量量量纲纲纲纲。为为为为了了了了便便便便于于于于学学学学习习习习、测测测测试试试试和和和和研研研研究究究究，常常常常采采采采用用用用不不不不同同同同的的的的标标标标准准准准来划分性能来划分性能来划分性能来划分性能 第1章 绪论(xln)第4页/共57页第五页，共57页。n n物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗n n力学性能：强度力学性能：强度力学性能：强度力学性能：强度 耐压耐压耐压耐压 抗折抗折抗折抗折 韧性韧性韧性韧性 刚性刚性刚性刚性n n化学化学化学化学(huxu)(huxu)性能：抗氧化性能性能：抗氧化性能性能：抗氧化性能性能：抗氧化性能 耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能 抗酸、抗碱抗酸、抗碱抗酸、抗碱抗酸、抗碱n n工艺性能：可塑性、流动性等工艺性能：可塑性、流动性等工艺性能：可塑性、流动性等工艺性能：可塑性、流动性等 n n使用性能：耐磨性等使用性能：耐磨性等使用性能：耐磨性等使用性能：耐磨性等 第第1章章 绪论绪论(xln)第5页/共57页第六页，共57页。第第1章章 绪论绪论(xln)意义：意义：意义：意义：1.1.制造和发展功能材料的基础制造和发展功能材料的基础制造和发展功能材料的基础制造和发展功能材料的基础 2.2.对要求综合性能的结构对要求综合性能的结构对要求综合性能的结构对要求综合性能的结构(jigu)(jigu)材料而言，物理性能也材料而言，物理性能也材料而言，物理性能也材料而言，物理性能也是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）3.3.利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的研究方法。个重要的研究方法。个重要的研究方法。个重要的研究方法。4.4.非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导 5.5.为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能第6页/共57页第七页，共57页。用途用途用途用途(yngt)(yngt)和应用领域和应用领域和应用领域和应用领域n n微处理器的盖和散热微处理器的盖和散热微处理器的盖和散热微处理器的盖和散热片：片：片：片：第7页/共57页第八页，共57页。第第2章章 材料材料(cilio)的热性能的热性能2.1 2.1 材料的热容材料的热容材料的热容材料的热容(r rn(r rn)2.2 2.2 材料的热膨胀材料的热膨胀材料的热膨胀材料的热膨胀2.3 2.3 材料的热传导材料的热传导材料的热传导材料的热传导2.4 2.4 材料的热电效应材料的热电效应材料的热电效应材料的热电效应第8页/共57页第九页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容1.1.固体热容理论简介固体热容理论简介固体热容理论简介固体热容理论简介 热容（热容（热容（热容（Heat capacityHeat capacity）：一定量的物质在一定条件下温度升高）：一定量的物质在一定条件下温度升高）：一定量的物质在一定条件下温度升高）：一定量的物质在一定条件下温度升高1K1K所所所所需要需要需要需要 的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号C C 表表表表示，单位是示，单位是示，单位是示，单位是JK-1JK-1。定压热容和定容热容：定压热容和定容热容：定压热容和定容热容：定压热容和定容热容：等压条件下的热容称定压热容，用符号等压条件下的热容称定压热容，用符号等压条件下的热容称定压热容，用符号等压条件下的热容称定压热容，用符号CpCp表示；表示；表示；表示；等容条件下的热容称定容热容，用符号等容条件下的热容称定容热容，用符号等容条件下的热容称定容热容，用符号等容条件下的热容称定容热容，用符号CVCV表示。表示。表示。表示。比热容：比热容：比热容：比热容：1 1千克物质的热容，用千克物质的热容，用千克物质的热容，用千克物质的热容，用c c表示，单位是表示，单位是表示，单位是表示，单位是Jkg-1K-1Jkg-1K-1。摩尔热容：摩尔热容：摩尔热容：摩尔热容：1 1摩尔物质的热容，用摩尔物质的热容，用摩尔物质的热容，用摩尔物质的热容，用CmCm表示，单位是表示，单位是表示，单位是表示，单位是Jmol-1K-1Jmol-1K-1。对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，CpCp和和和和CVCV近似近似近似近似(jn s)(jn s)相等，但是在要求较高的相等，但是在要求较高的相等，但是在要求较高的相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。计算中不能忽略。计算中不能忽略。计算中不能忽略。对于理想气体来说，对于理想气体来说，对于理想气体来说，对于理想气体来说，Cp,m CV,m=RCp,m CV,m=R，其中，其中，其中，其中R R是理想气体常数是理想气体常数是理想气体常数是理想气体常数 第9页/共57页第十页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容1.1.固体热容理论简介固体热容理论简介固体热容理论简介固体热容理论简介 1)1)杜隆杜隆杜隆杜隆-珀替定律：珀替定律：珀替定律：珀替定律：气体分子的热容理论用于固体，用经典的统计力气体分子的热容理论用于固体，用经典的统计力气体分子的热容理论用于固体，用经典的统计力气体分子的热容理论用于固体，用经典的统计力学处理，晶体有学处理，晶体有学处理，晶体有学处理，晶体有N N个原子，总的平均级能量个原子，总的平均级能量个原子，总的平均级能量个原子，总的平均级能量3NkBT,3NkBT,N=NA,N=NA,摩尔热容为：摩尔热容为：摩尔热容为：摩尔热容为：热容是一个热容是一个热容是一个热容是一个(y)(y)固定不变的与温度无关的物理量，固定不变的与温度无关的物理量，固定不变的与温度无关的物理量，固定不变的与温度无关的物理量，只用于除只用于除只用于除只用于除Si,C,BSi,C,B以外的一部分单原子金属。以外的一部分单原子金属。以外的一部分单原子金属。以外的一部分单原子金属。第10页/共57页第十一页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 2)2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：前提：晶格中每个分子独立地振动前提：晶格中每个分子独立地振动前提：晶格中每个分子独立地振动前提：晶格中每个分子独立地振动(zhndng)(zhndng)，振动，振动，振动，振动(zhndng)(zhndng)的频率为的频率为的频率为的频率为v,v,把原子的振动把原子的振动把原子的振动把原子的振动(zhndng)(zhndng)视为谐振视为谐振视为谐振视为谐振子，谐振子具有子，谐振子具有子，谐振子具有子，谐振子具有0 0点能，谐振子的能量为：点能，谐振子的能量为：点能，谐振子的能量为：点能，谐振子的能量为：En En为频率为为频率为为频率为为频率为v v的谐振子振动的谐振子振动的谐振子振动的谐振子振动(zhndng)(zhndng)能，能，能，能，n n为声子量子为声子量子为声子量子为声子量子数，取数，取数，取数，取 0 0，1 1，2 2，33 具有能量为具有能量为具有能量为具有能量为EnEn的谐振子数目为：的谐振子数目为：的谐振子数目为：的谐振子数目为：第11页/共57页第十二页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 2)2)爱因斯坦热容模型爱因斯坦热容模型爱因斯坦热容模型爱因斯坦热容模型(mxng)(mxng)：温度为温度为温度为温度为T T，振动频率为，振动频率为，振动频率为，振动频率为v v的谐振子平均能量为：的谐振子平均能量为：的谐振子平均能量为：的谐振子平均能量为：一摩尔晶体有一摩尔晶体有一摩尔晶体有一摩尔晶体有NANA个原子，每个原子有个原子，每个原子有个原子，每个原子有个原子，每个原子有3 3个自由度，个自由度，个自由度，个自由度，共有共有共有共有3 NA 3 NA 个自由度，每个自由度相当于有一个个自由度，每个自由度相当于有一个个自由度，每个自由度相当于有一个个自由度，每个自由度相当于有一个谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：第12页/共57页第十三页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 2)2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：由等容热容定义得：由等容热容定义得：由等容热容定义得：由等容热容定义得：讨论：讨论：讨论：讨论：（1 1）晶体处于较高温度时，晶体处于较高温度时，晶体处于较高温度时，晶体处于较高温度时，kThv,hv/kThv,hv/kTkThvkT，则有：，则有：，则有：，则有：实验表明：在低温时，热容和实验表明：在低温时，热容和实验表明：在低温时，热容和实验表明：在低温时，热容和T3T3成正比，上式成正比，上式成正比，上式成正比，上式比实验值更快的趋于比实验值更快的趋于比实验值更快的趋于比实验值更快的趋于0.0.第13页/共57页第十四页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 3)德拜热容德拜热容(r rn)模型：模型：模型：晶体模型：晶体中各原子间存在中各原子间存在弹性斥力和引力，弹性斥力和引力，这种力使原子的这种力使原子的热振动相互受牵热振动相互受牵连和制约，相邻连和制约，相邻原子间协调齐步原子间协调齐步地振动。地振动。第14页/共57页第十五页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 3)德拜热容德拜热容(r rn)模型：模型：为频率(pnl)态密度第15页/共57页第十六页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 3)德拜热容德拜热容(r rn)模型：模型：式中，为德拜特征(tzhng)温度，第16页/共57页第十七页，共57页。n n当当当第17页/共57页第十八页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容2.2.金属和合金的热容金属和合金的热容金属和合金的热容金属和合金的热容 1 1）金属的热容金属的热容金属的热容金属的热容 区区区区 Cm CmT T 区区区区 Cm CmT3 T3 区区区区 Cm3R Cm3R 对于金属：其载流子主对于金属：其载流子主对于金属：其载流子主对于金属：其载流子主要是声子和电子要是声子和电子要是声子和电子要是声子和电子(dinz)(dinz)。低温时有：低温时有：低温时有：低温时有：第18页/共57页第十九页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 2 2）德拜温度德拜温度德拜温度德拜温度(wnd)(wnd)是反映固体的许多特性的重要标志。是反映固体的许多特性的重要标志。是反映固体的许多特性的重要标志。是反映固体的许多特性的重要标志。在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值，在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值，在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值，在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值，和熔点和熔点和熔点和熔点TsTs有：有：有：有：林德曼公式林德曼公式(gngsh)A:相对原子质量，相对原子质量，V:原子体积，原子体积，Ts熔点熔点物理意义：反映原子结合力物理量，物理意义：反映原子结合力物理量，越高，其结合力越大越高，其结合力越大第19页/共57页第二十页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容 3 3）合金的热容合金的热容合金的热容合金的热容(r rn)(r rn)对于金属间化合物：近似有：对于金属间化合物：近似有：对于金属间化合物：近似有：对于金属间化合物：近似有：C=pC1+qC2 Neumann-Kopp C=pC1+qC2 Neumann-Kopp p,q p,q为化合物中分子各组成原子的百分数。为化合物中分子各组成原子的百分数。为化合物中分子各组成原子的百分数。为化合物中分子各组成原子的百分数。对于多相混合组织，固溶体或化合物也有相同的规律：对于多相混合组织，固溶体或化合物也有相同的规律：对于多相混合组织，固溶体或化合物也有相同的规律：对于多相混合组织，固溶体或化合物也有相同的规律：Ca Ca为组元为组元为组元为组元B B在固溶体中的原子浓度在固溶体中的原子浓度在固溶体中的原子浓度在固溶体中的原子浓度改变合金组织的热处理实际上不影响高温下的热容。低温(dwn)下奈曼-柯普定律不再适用。第20页/共57页第二十一页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容3.3.无机材料的热容无机材料的热容无机材料的热容无机材料的热容 气孔率的影响：多孔气孔率的影响：多孔气孔率的影响：多孔气孔率的影响：多孔材料因质量轻，热容材料因质量轻，热容材料因质量轻，热容材料因质量轻，热容小，所需的热量要小小，所需的热量要小小，所需的热量要小小，所需的热量要小于耐热材料。加热窑于耐热材料。加热窑于耐热材料。加热窑于耐热材料。加热窑多用硅藻土，泡沫刚多用硅藻土，泡沫刚多用硅藻土，泡沫刚多用硅藻土，泡沫刚玉等。玉等。玉等。玉等。在较高温度下，固在较高温度下，固在较高温度下，固在较高温度下，固体的摩尔热容等于构体的摩尔热容等于构体的摩尔热容等于构体的摩尔热容等于构成成成成(guchng)(guchng)化合物化合物化合物化合物各元素原子热容的总各元素原子热容的总各元素原子热容的总各元素原子热容的总和和和和对于对于(duy)复相：复相：第21页/共57页第二十二页，共57页。2.1 材料材料(cilio)的热容的热容4.4.相变对热容的影响相变对热容的影响相变对热容的影响相变对热容的影响 对于一级相变：在相变点，对于一级相变：在相变点，对于一级相变：在相变点，对于一级相变：在相变点，热容发生突变，热容为无热容发生突变，热容为无热容发生突变，热容为无热容发生突变，热容为无限大，有体积效应及热效限大，有体积效应及热效限大，有体积效应及热效限大，有体积效应及热效应应应应 对于二级相变：比热对于二级相变：比热对于二级相变：比热对于二级相变：比热(br)(br)也有变化，但为有也有变化，但为有也有变化，但为有也有变化，但为有限值，无体积效应及热效限值，无体积效应及热效限值，无体积效应及热效限值，无体积效应及热效应应应应第22页/共57页第二十三页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀1.1.热膨胀本质热膨胀本质热膨胀本质热膨胀本质 1 1）唯唯唯唯象象象象解解解解释释释释：热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀的的的的本本本本质质质质为为为为点点点点阵阵阵阵结结结结构构构构中中中中的的的的质质质质点点点点间间间间平平平平均均均均距距距距离离离离随随随随温温温温度度度度的的的的升升升升高高高高而增大。而增大。而增大。而增大。在质点平衡位置在质点平衡位置在质点平衡位置在质点平衡位置r0r0两侧：两侧：两侧：两侧：rr0 rr0 rr0 斜斜斜斜率率率率小小小小，引引引引力力力力随随随随位位位位移移移移增增增增加加加加慢。慢。慢。慢。因因因因此此此此，在在在在一一一一定定定定温温温温度度度度下下下下，平平平平衡衡衡衡位位位位置置置置不不不不在在在在roro处处处处，而而而而是是是是向向向向右右右右偏偏偏偏移移移移(pin(pin y)y)，温温温温度度度度高高高高，则则则则偏偏偏偏移移移移(pin(pin y)y)大大大大；导导导导致致致致宏宏宏宏观观观观上上上上晶晶晶晶体体体体膨膨膨膨胀。胀。胀。胀。第23页/共57页第二十四页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀2 2）两原子模型：）两原子模型：）两原子模型：）两原子模型：由由由由于于于于热热热热运运运运动动动动，两两两两个个个个原原原原子子子子运运运运动动动动以以以以一一一一个个个个(y(y)为为为为参参参参照照照照物物物物，另另另另一一一一个个个个(y(y)偏离平衡位置偏离平衡位置偏离平衡位置偏离平衡位置x,x,r=r0+x r=r0+x U=U(r)=U=U(r)=U(r)=U(r0)+cx2-gx3根据(gnj)玻尔兹曼分布：可以算出第24页/共57页第二十五页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀2.2.膨胀系数膨胀系数膨胀系数膨胀系数 1 1）概概概概念念念念：用用用用来来来来描描描描述述述述温温温温度度度度变变变变化化化化时时时时材材材材料料料料发发发发生生生生膨膨膨膨胀胀胀胀或或或或收收收收缩缩缩缩程程程程度度度度(chngd)(chngd)的的的的物物物物理理理理量量量量为为为为alal 平均线膨胀系数：平均线膨胀系数：平均线膨胀系数：平均线膨胀系数：平均体膨胀系数：平均体膨胀系数：平均体膨胀系数：平均体膨胀系数：对于立方晶系：对于立方晶系：对于立方晶系：对于立方晶系：第25页/共57页第二十六页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀例例例例：一一一一个个个个篮篮篮篮球球球球场场场场，篮篮篮篮球球球球框框框框由由由由一一一一个个个个金金金金属属属属(jnsh)(jnsh)支支支支承承承承系系系系统统统统挂挂挂挂于于于于天天天天花花花花板板板板上上上上，2121度度度度下下下下篮篮篮篮框框框框高高高高出出出出地地地地板板板板3.048m,3.048m,自自自自地地地地板板板板起起起起，天天天天花花花花板板板板高高高高15.25m,15.25m,在在在在一一一一场场场场比比比比赛赛赛赛中中中中，温温温温度度度度可可可可升升升升高高高高1515度度度度，设设设设悬悬悬悬持持持持系系系系统统统统的的的的热热热热学学学学性性性性质质质质可可可可用用用用单单单单根根根根缆缆缆缆绳绳绳绳模模模模拟拟拟拟。用用用用铝铝铝铝和和和和钨钨钨钨哪哪哪哪一一一一种种种种制制制制造造造造该该该该系统？（系统？（系统？（系统？（aAl:2510-6aAl:2510-6,W:4.5 10-6,W:4.5 10-6)第26页/共57页第二十七页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀2 2）膨胀系数与其它物理量的关系：）膨胀系数与其它物理量的关系：）膨胀系数与其它物理量的关系：）膨胀系数与其它物理量的关系：a)a)体膨胀系数与热容存在关系：体膨胀系数与热容存在关系：体膨胀系数与热容存在关系：体膨胀系数与热容存在关系：b)b)膨胀系数与金属膨胀系数与金属膨胀系数与金属膨胀系数与金属(jnsh)(jnsh)熔点关系：熔点关系：熔点关系：熔点关系：c)c)膨胀系数和德拜特征温度：膨胀系数和德拜特征温度：膨胀系数和德拜特征温度：膨胀系数和德拜特征温度：d)d)硬度硬度硬度硬度第27页/共57页第二十八页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀3 3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：a)a)合金合金合金合金(hjn)(hjn)成分和相变成分和相变成分和相变成分和相变 组组组组成成成成合合合合金金金金(hjn)(hjn)的的的的溶溶溶溶质质质质元元元元素素素素及及及及含含含含量量量量对对对对合合合合金金金金(hjn)(hjn)的的的的热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀有有有有明明明明显显显显影影影影响响响响，如如如如合合合合金金金金(hjn)(hjn)形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。第28页/共57页第二十九页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀3 3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：b)b)晶体缺陷：晶体缺陷：晶体缺陷：晶体缺陷：由空位引起的晶体附加体积变化：由空位引起的晶体附加体积变化：由空位引起的晶体附加体积变化：由空位引起的晶体附加体积变化：由辐照空位而增加由辐照空位而增加由辐照空位而增加由辐照空位而增加(zngji)(zngji)的体积为：的体积为：的体积为：的体积为：c)c)晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数第29页/共57页第三十页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀3 3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：d)d)铁磁性合金铁磁性合金铁磁性合金铁磁性合金(hjn)(hjn)的铁磁转变的铁磁转变的铁磁转变的铁磁转变 出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金(hjn)(hjn)正常的热膨胀。正常的热膨胀。正常的热膨胀。正常的热膨胀。e)e)加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。第30页/共57页第三十一页，共57页。2.2 材料材料(cilio)的热膨胀的热膨胀可伐合金可伐合金(hjn)，英文：，英文：KOVAR Fe-Ni(29%wt)-Co(17%wt)因瓦合金因瓦合金(hjn)，英文：，英文：INVAR Fe-Ni(36%wt)第31页/共57页第三十二页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性1.1.热热热热传传传传导导导导宏宏宏宏观观观观规规规规律律律律(gul)(gul)和和和和微微微微观观观观机机机机制制制制 1 1）傅里叶定律）傅里叶定律）傅里叶定律）傅里叶定律 热热热热传传传传导导导导：一一一一块块块块材材材材料料料料温温温温度度度度不不不不均均均均匀匀匀匀或或或或两两两两个个个个温温温温度度度度不不不不同同同同的的的的物物物物体体体体相相相相互互互互接接接接触触触触，热热热热量量量量便便便便会会会会自自自自动动动动的的的的从从从从高高高高温温温温度度度度区向低温度区传播。区向低温度区传播。区向低温度区传播。区向低温度区传播。q:热流密度热流密度；k：热导率（导热系数）：热导率（导热系数）W/(mk)单位面积单位面积(min j)上的热量正比上的热量正比于温度梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。于温度梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。第32页/共57页第三十三页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性 2 2）热扩散率（导温系数）和热阻）热扩散率（导温系数）和热阻）热扩散率（导温系数）和热阻）热扩散率（导温系数）和热阻 对对对对于于于于材材材材料料料料各各各各点点点点温温温温度度度度(wnd)(wnd)随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化时时时时，温温温温度度度度(wnd)(wnd)是是是是x x和和和和t t的的的的函函函函数数数数，当不与外界交换热量时有：当不与外界交换热量时有：当不与外界交换热量时有：当不与外界交换热量时有：令令 a：热扩散率（导温系数）：热扩散率（导温系数）物理意义：标志温度变化的速度，将热量传导变化与温度变化联系物理意义：标志温度变化的速度，将热量传导变化与温度变化联系在一起。在相同加热条件在一起。在相同加热条件(tiojin)下，下，a愈大，物体各处温差小。愈大，物体各处温差小。热阻：热量传递受到的阻力热阻：热量传递受到的阻力第33页/共57页第三十四页，共57页。n n例：判断铝合金和中碳钢哪例：判断铝合金和中碳钢哪例：判断铝合金和中碳钢哪例：判断铝合金和中碳钢哪 个具有个具有个具有个具有(jyu)(jyu)更高的淬火速度？更高的淬火速度？更高的淬火速度？更高的淬火速度？第34页/共57页第三十五页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性 2 2）导热的微观机制）导热的微观机制）导热的微观机制）导热的微观机制 固固固固体体体体(gt)(gt)中中中中的的的的导导导导热热热热主主主主要要要要靠靠靠靠晶晶晶晶格格格格振振振振动动动动的的的的格格格格波波波波（声声声声子子子子）和和和和自自自自由由由由电电电电子子子子的的的的运动来实现：运动来实现：运动来实现：运动来实现：kph:声子热导率，声子热导率，ke：电子的热导率：电子的热导率除金属除金属(jnsh)外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。第35页/共57页第三十六页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性2.2.金属的热传导：金属的热传导：金属的热传导：金属的热传导：对对对对于于于于纯纯纯纯金金金金属属属属，导导导导热热热热主主主主要要要要靠靠靠靠自自自自由由由由电电电电子子子子，合合合合金金金金导导导导热热热热要要要要考考考考虑虑虑虑声声声声子子子子导热的贡献。导热的贡献。导热的贡献。导热的贡献。将将将将金金金金属属属属中中中中大大大大量量量量的的的的自自自自由由由由电电电电子子子子看看看看作作作作是是是是自自自自由由由由电电电电子子子子气气气气，用用用用理理理理想想想想气气气气体体体体的热导率公式的热导率公式的热导率公式的热导率公式(gngsh)(gngsh)描述：描述：描述：描述：k：热导率（导热系数）：热导率（导热系数）;C单位体积气体单位体积气体(qt)的热容；的热容；v分子运动的平均速度，分子运动的平均速度，l 分子运动的平均自由程。分子运动的平均自由程。第36页/共57页第三十七页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性1 1）热传导和电导率的关系）热传导和电导率的关系）热传导和电导率的关系）热传导和电导率的关系(gun x)(gun x)：对由自由电子理论可知：对由自由电子理论可知：对由自由电子理论可知：对由自由电子理论可知：L0为洛伦兹数（为洛伦兹数（Lorenz number)条件条件(tiojin)：不太低的温度下，低温下不：不太低的温度下，低温下不成立成立Widemann-FranzL0=2.4510-8V2/K2 第37页/共57页第三十八页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性2 2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：纯金属纯金属纯金属纯金属 a)a)温度温度温度温度 对于纯铜，对于纯铜，对于纯铜，对于纯铜，分为三个区分为三个区分为三个区分为三个区 区区区区 T T增大，增大，增大，增大，k k增大增大增大增大 区区区区 T T增大，增大，增大，增大，k k不变不变不变不变 区区区区 T T增大，增大，增大，增大，k k减小减小减小减小 铋铋铋铋，锑锑锑锑金金金金属属属属熔熔熔熔化化化化时时时时，热热热热导导导导率率率率上上上上升升升升一一一一倍，共价键减弱，金属键加强。倍，共价键减弱，金属键加强。倍，共价键减弱，金属键加强。倍，共价键减弱，金属键加强。b)b)晶粒大小：晶粒粗大，热导率高晶粒大小：晶粒粗大，热导率高晶粒大小：晶粒粗大，热导率高晶粒大小：晶粒粗大，热导率高 c)c)各各各各向向向向异异异异性性性性：立立立立方方方方晶晶晶晶系系系系与与与与晶晶晶晶向向向向无无无无关关关关，非立方各向导性。非立方各向导性。非立方各向导性。非立方各向导性。d)d)杂质杂质杂质杂质(zzh)(zzh)：强烈影响：强烈影响：强烈影响：强烈影响 第38页/共57页第三十九页，共57页。表铜合金的性能(xngnng)Properties of copper alloy材材 料料组组 成成热膨胀系数热膨胀系数10-6/热导率热导率W/(mK)电导率电导率IACS纯铜纯铜Cu17.0388-39995-101黄铜黄铜Cu-Zn18.1-19.829-6030-57锡青铜锡青铜Cu-Sn17.5-19.112-209-18铝青铜铝青铜Cu-Al17.1-18.260-1008-17硅青铜硅青铜Cu-Si16.1-18.537-10410-28锰青铜锰青铜Cu-Mn20.41086-16白铜白铜Cu-Ni1713020第39页/共57页第四十页，共57页。2.3 材料材料(cilio)的导热性的导热性2 2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：合金合金合金合金 a)a)无无无无序序序序固固固固溶溶溶溶体体体体：浓浓浓浓度度度度增增增增加加加加，热热热热导导导导率率率率减减减减小小小小，最最最最小小小小值值值值一一一一般般般般在在在在50%50%处。处。处。处。b)b)有有有有序序序序固固固固溶溶溶溶体体体体：热热热热导导导导率率率率提提提提高高高高，最最最最大大大大值值值值对对对对应应应应于于于于有有有有序序序序固固固固溶溶溶溶体体体体的的的的成成成成分。分。分。分。c)c)钢钢钢钢 中中中中 的的的的 合合合合 金金金金 无无无无 元元元元 素素素素，杂杂杂杂 质质质质(zzh)(zzh)及及及及组组组组织织织织状状状状态态态态都都都都影影影影响响响响其其其其热热热热导率。导率。导率。导率。奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体 淬淬淬淬火火火火马马马马氏氏氏氏体体体体 回回回回火火火火马马马马氏氏氏氏体体体体 T0 时，0，杆受压应力(yngl)T10，杆受拉应力(yngl)第46页/共57页第四十七页，共57页。2.5 材料材料(cilio)的热稳定性的热稳定性 2 2）因温度梯度而产生的热应力因温度梯度而产生的热应力因温度梯度而产生的热应力因温度梯度而产生的热应力 物物物物体体体体迅迅迅迅速速速速加加加加热热热热时时时时，外外外外表表表表面面面面温温温温度度度度比比比比内内内内部部部部高高高高，则则则则外外外外表表表表膨膨膨膨胀胀胀胀比比比比内内内内部部部部大大大大，但但但但相相相相邻邻邻邻的的的的内内内内部部部部的的的的材材材材料料料料限限限限制制制制(xinzh)(xinzh)其其其其自自自自由由由由膨膨膨膨胀胀胀胀，因因因因此此此此表表表表面面面面受受受受压压压压应应应应力力力力，而而而而相相相相邻邻邻邻内内内内部部部部材材材材料料料料受受受受拉拉拉拉应应应应力力力力。同同同同理理理理，迅迅迅迅速速速速冷冷冷冷却却却却时时时时（如如如如淬淬淬淬火火火火），表表表表面面面面受受受受拉拉拉拉应应