材料性能与测试材料的热性能PPT学习教案.pptx

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1、会计学1材料性能材料性能(xngnng)与测试材料的热性能与测试材料的热性能(xngnng)第一页，共48页。2引 言 材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导。也是材料物理性能的重要材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导。也是材料物理性能的重要(zhngyo)组成部分。热传导是热量传递的三种基本方式之一；热性能在材料相变研究有重要组成部分。热传导是热量传递的三种基本方式之一；热性能在材料相变研究有重要(zhngyo)的理论意义；工程上应用广泛，如航天耐热导热隔热材料，可抵御高热、保护人机安全，节约能源；冶金工业中耐火材料的设计；的理论意义；工程上应用广泛，如航天耐热导热隔热材料，可抵御高热、保

2、护人机安全，节约能源；冶金工业中耐火材料的设计；本章概括地介绍热学性能的物理概念、影响因素、测量方法以及在材料研究中的应用。本章概括地介绍热学性能的物理概念、影响因素、测量方法以及在材料研究中的应用。第1页/共48页第二页，共48页。3目 录 11.1 热学性能(xngnng)的物理基础11.2 热容(r rn)11.3 热膨胀热膨胀11.4 热传导热传导第2页/共48页第三页，共48页。411.1 热学(rxu)性能的物理基础1.晶格(jn)热振动 固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(原子、离子)热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动。晶格热振动是三维的，

3、3个方向的线性振动 简谐振动方程(fngchng)：振动频率随Em(微观弹性模量)的增大而提高m质量，x质点的位移量第3页/共48页第四页，共48页。5弹性波(又称晶格波，其能量量子称为声子)多频率振动的组合波(1)声频支振动:如果振动着的质点中包含(bohn)频率很低的格波，质点彼此之间的位相差不大（2）光频支振动:格波中频率很高的振动波，质点间的位相差很大，频率往往在红外光区，（3）声频支可以看成是相邻原子具有相同的振动方向；光频支可以看成相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、频率很高的振动2.弹性(tnxng)波第4页/共48页第五页，共48页。6在没有相变或化学反应的条件下，材料(c

4、ilio)温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料(cilio)的热容，单位为J/K，不同材料(cilio)，热容量不同 热容表达式为：单位质量材料(cilio)的热容又称之为“比热容”或“质量热容”,单位为J(kgK)；1 mol材料(cilio)的热容则称为“摩尔热容”，单位为J(mol K)11.2 热容(r rn)1.基本概念第5页/共48页第六页，共48页。7 同一种材料在不同温度时的比热容也往往不同，通常工程上所用(su yn)的平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所吸收的热量的平均值:T1T2的范围愈大，精确性愈差当温度T2无限趋近于T1时，材料的比热容，即Q-热量；E

5、内能；H焓加热过程恒压条件，所测定的比热容称为(chn wi)比定压热容(Cp)加热过程容积不变时，所测定的热容称为(chn wi)比定容热容(Cv)第6页/共48页第七页，共48页。8恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功)，每提高1K温度需要吸收更多的热量CpCv根据(gnj)热力学第二定律导出Cp和Cv的关系：VdV/VdT,容积热膨胀系数(png zhng xsh)；Vm:摩尔容积；-dV/Vdp，三向静力压缩系数;第7页/共48页第八页，共48页。9a.元素的热容定律(dngl)杜隆珀替定律(dngl)：“恒压下元素的原子热容等于24.9J(K mol)”b.化合物

6、热容定律(dngl)柯普定律(dngl)：“化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和”固体材料的热容(r rn)两个经验定律第8页/共48页第九页，共48页。10能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能都为(1/2)kT，一个原子(yunz)有3个振动自由度，平均动能和位能的总和就等于3kT，一摩尔固体中有NA个原子(yunz)总能量1 mol单原子(yunz)固体物质的摩尔定容热容为经典(jngdin)热容理论NA阿伏加德罗常数(chngsh)6.021023/mol；k波尔兹曼常数(chngsh)1.3811023J/K；R气体常数(chngsh)8.314 J/Kmol

7、；认为：热容是与温度无关的常数认为：热容是与温度无关的常数，杜隆杜隆珀替定律的实质珀替定律的实质第9页/共48页第十页，共48页。11对于(duy)双原子的固态化合物，摩尔定容热容为Cv、m 2 25J（Kmol)，三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv、m=3 25J(K mol)；杜隆杜隆珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温珀替定律在高温时与实验结果是很符合的，但在低温(dwn)下时却相差较大，实验结果表明材料的摩尔热容，是随温度而变化的下时却相差较大，实验结果表明材料的摩尔热容，是随温度而变化的第10页/共48页第十一页，共48页。122.固体热容(r rn)的量子理论同一温度下

8、，物质中不同质点的热振动频率(pnl)不同，同一质点振动的能量在不同时刻，大小不同，而且振动能量是量子化的。1)爱因斯坦模型 爱因斯坦模型认为：晶体中每一个原子都是一个独立的振子原子都以相同的频率(pnl)振动。式中fE称为爱因斯坦函数，RNAk，Ehv/k，爱因斯坦温度；T很大时，CVm3R24.9J/molK,和杜-铂定律符合第11页/共48页第十二页，共48页。13T很低时，依指数规律随温度很低时，依指数规律随温度(wnd)而变化，而不是从试验中得出的按而变化，而不是从试验中得出的按T变化的规律变化的规律忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因忽略振动之间频率的差别是此模型在低

9、温时不准确的原因2)德拜(Debye)模型 晶体中原子存在弹性斥力和引力，相互作用的对热容的主要贡献是弹性波的振动，即声频支，在低温(dwn)下占主导地位晶体近似视为连续介质，声频支的振动近似地看作是连续的第12页/共48页第十三页，共48页。14 式中fD称为德拜比热(br)函数，x D/T,RNAk，Dhv/k，德拜温度；T很大时，CVm3R24.9J/molK,和杜-铂定律符合;温度很低时，符合实验T立方规律金属(jnsh)德拜温度是金属(jnsh)本征物理量，可间接反映原子间得结合力强弱，熔点高，结合力强，德拜温度高；Ar元素相对原子量，Vm摩尔体积第13页/共48页第十四页，共48页

10、。15 德拜模型虽比爱因斯坦模型进步，能解释部分金属德实验现象(xinxing)，但不完全适合其它化合物，因为把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高部分不适用，因此金属在很高温度(大于1000K)、极低温度(小于5K)不符合。另外，实际材料多相，杂质晶界影响，误差大；忽略了电子运动能量对热容的贡献；符合得比较好得是陶瓷材料(离子键共价键，室温下几乎没有自由电子)第14页/共48页第十五页，共48页。163.热容的影响(yngxing)因素(自学)a.合金(hjn)成分 b.相变，一级相变、二级相变；纯铁的热容(r rn)变化，既有一级相变，也有二级相变第15页/共48页第十六页，共48页。1

11、74.热容(r rn)的测量第16页/共48页第十七页，共48页。18第17页/共48页第十八页，共48页。19第18页/共48页第十九页，共48页。205.热分析法的应用(yngyng)根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分析研究。根据材料在不同温度下发生的热量、质量、体积等物理参数与材料结构之间的关系，对材料进行分析研究。1）差热分析（）差热分析（DTA）：在程序温度控制下，测量试样和参照物的温度差随温度（）：在程序温度控制下，测量试样和参照物的温度差随温度（T）或时间）或时间(shjin)(t)的变化关系的变化关系 2)差示扫描量热法差示扫

12、描量热法(DSC)：在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间：在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间(shjin)的关系的分析技术的关系的分析技术。3)热重法热重法(简称简称TG)：在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术。：在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术。第19页/共48页第二十页，共48页。21通过物质在加热或冷却过程中出现通过物质在加热或冷却过程中出现(chxin)(chxin)各种的热效应，如脱水、固态相变、熔化、凝

13、固、分解、氧化、聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴定各种的热效应，如脱水、固态相变、熔化、凝固、分解、氧化、聚合等过程中产生放热或吸热效应来进行物质鉴定 在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制订烧成制度在陶瓷生产中可帮助确定各种原料配入量和制订烧成制度 在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用途在金属材料研究中，热分析方法也有广泛的用途第20页/共48页第二十一页，共48页。2211.3 热膨胀1.基本概念物体物体(wt)的体积或长度随温度升高而增大的现象的体积或长度随温度升高而增大的现象第21页/共48页第二十二页，共48页。23 质点在平衡位置两侧时受力的情况并不对称，在质点平衡

14、位置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r0的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当的两侧，合力曲线的斜率是不等的，当 r r0 时，曲线斜率较大，时，曲线斜率较大，rr0时，斜率较小，质点振动时，斜率较小，质点振动(zhndng)时的平均位置就不在时的平均位置就不在 r0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r0两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。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

15、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2.热膨胀机理(j l)第22页/共48页第二十三页，共48页。243.热膨胀和其它(qt)性能关系1)1)热膨胀和热容的关系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(离子离子)热运动能量的增大，升高单位热运动能量的增大，升高单位(dnwi)(dnwi)温度时能

16、量的增量正是热容。两者的比值接近于恒值温度时能量的增量正是热容。两者的比值接近于恒值第23页/共48页第二十四页，共48页。252)2)热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结合能、熔点的关系 结合力越强的材料结合力越强的材料(cilio)(cilio)，热膨胀系数越小，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；结合能大的熔点较高，通常熔点高、膨胀系数小；第24页/共48页第二十五页，共48页。261)1)、化学成分、化学成分:碱金属高，过渡族低；合金碱金属高，过渡族低；合金2)2)、键强度、键强度 键强度高的材料，有低的热膨胀系数键强度高的材料，有低的热膨胀系数3)3)、晶体结

17、构、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。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，各晶铀方向非等轴晶系的晶体，各晶铀方向(fngxing)(fngxing)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。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。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。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.热

18、膨胀的影响(yngxing)因素(自学)第25页/共48页第二十六页，共48页。274)4)其他因素其他因素 相变、合金成分和组织、晶体结构及钢中组成相相变、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导致线膨胀系数发生不连续变化 有序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组成合金的溶质元素(yun s)(yun s)对合金热膨胀有明显影响对合金热膨胀有明显影响 多相合金的膨胀系数仅

19、取决于组成相性质和数量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钢的热膨胀特性取决于组成相特性 第26页/共48页第二十七页，共48页。28第27页/共48页第二十八页，共48页。295.热膨胀系数(png zhng xsh)的测量1)1)简易简易(jiny)(jiny)热膨胀仪热膨胀仪第28页/共48页第二十九页，共48页。302)2)光学光学(gungxu)(gungxu)热膨胀仪热膨胀仪标样和试样，光杠杆放大标样和试样，光杠杆放大(fngd)(fngd)膨胀量；膨胀量；3)3)电膨胀电膨胀(png zhng)(png zhng)仪仪电感式、电容式等；目前应

20、用最多电感式、电容式等；目前应用最多第29页/共48页第三十页，共48页。316.热膨胀的应用(yngyng)(自学)a.a.钢的相变点和连续转变曲线；钢的相变点和连续转变曲线；b.b.膨胀合金：低膨胀合金、定膨胀合金、高膨胀合金、复合材料膨胀匹配设计膨胀合金：低膨胀合金、定膨胀合金、高膨胀合金、复合材料膨胀匹配设计(shj)(shj)热沉材料热沉材料第30页/共48页第三十一页，共48页。3211.4 热传导a.定义定义(dngy)：当固体两端存在温差时，热量从热端自动地传向冷端的现象：当固体两端存在温差时，热量从热端自动地传向冷端的现象b.导热系数导热系数:稳定传热条件下，单位时间通过单位

21、垂直截面积上的热流密度，稳定传热条件下，单位时间通过单位垂直截面积上的热流密度，W/(mK)1.热传导的概念(ginin)第31页/共48页第三十二页，共48页。33c.导温系数导温系数:又称热扩散率，又称热扩散率，单位单位m2/s；若材料棒各点的温度随时间变化；若材料棒各点的温度随时间变化(binhu)，截面上各点温度变化，截面上各点温度变化(binhu)率：率：式中cp为比定压热容，为材料密度，t为时间，不稳定导热，既有热量(rling)传导变化，又有温度变化；越大，物体各处的温差越小；第32页/共48页第三十三页，共48页。342.热传导的微观(wigun)机理 固体导热主要是由晶格振动

22、的格波和自由电子的运动来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，此外还有部分光子实现，此外还有部分光子(gungz)辐射；辐射；某一质点处于较高的温度状态，它的热振动就较为强烈，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剧，热振动能量就增加，热量就能转移和传递。第33页/共48页第三十四页，共48页。35声子概念(ginin)量子理论量子理论(lln)认为：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，一个量子具有认为：

23、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，一个量子具有h(普朗克常数乘以振动频率普朗克常数乘以振动频率)能量能量，晶格振动中的能量是量子化的，晶格振动中的能量是量子化的 声频波看成弹性波，类似在固体中的声波，把声频波的声频波看成弹性波，类似在固体中的声波，把声频波的“量子量子”称为称为“声子声子”；把格波传播看成声子后，就可以把格波与物质的作用理解为声子和物质的碰撞，可以用气体传热概念处理；把格波传播看成声子后，就可以把格波与物质的作用理解为声子和物质的碰撞，可以用气体传热概念处理；第34页/共48页第三十五页，共48页。36纯金属纯金属(jnsh)合金合金(hjn)半导体半

24、导体绝缘体绝缘体电子电子(dinz)导热为主导热为主声子作用加大声子作用加大电子、声子导热各半电子、声子导热各半声子导热为主声子导热为主只有在极高温度下，才有光子导热只有在极高温度下，才有光子导热第35页/共48页第三十六页，共48页。37 式中ci为声子热容，v为气体分子速度(sd)，l气体分子平均自由程第36页/共48页第三十七页，共48页。38第37页/共48页第三十八页，共48页。39保温材料：国家标准规定保温材料：国家标准规定(gudng)(gudng)，温度低于，温度低于350350度时导热系数小于度时导热系数小于 0.12W/(mK)0.12W/(mK)的材料（绝热材料）的材料（

25、绝热材料）第38页/共48页第三十九页，共48页。403.热传导的影响(yngxing)因素(自学)1)1)温度的影响温度的影响 热容热容CvCv在低温下与温度的在低温下与温度的 3 3次方成正比，随着温度的升高，次方成正比，随着温度的升高，迅速增加迅速增加;低温处低温处(约约40 K)40 K)值出现了极大值值出现了极大值;在德拜温度以后，在德拜温度以后，CvCv已趋于一恒定值，而已趋于一恒定值，而 l l值因温度升高而减小值因温度升高而减小,随温度升高而迅速减小随温度升高而迅速减小;晶体晶体(jngt)(jngt)材料，在常用温度范围热导率随温度的上升而下降材料，在常用温度范围热导率随温度

26、的上升而下降;第39页/共48页第四十页，共48页。412)2)晶体结构的影响晶体结构的影响(yngxing)(yngxing)晶体结构愈复杂，热导率愈低；晶体结构愈复杂，热导率愈低；非等轴晶系的晶体，热导率存在着各向异性的性质非等轴晶系的晶体，热导率存在着各向异性的性质 同一种材料，多晶体的热导率总是比单晶体小同一种材料，多晶体的热导率总是比单晶体小 非晶态材料的热导率较小。非晶态材料的热导率较小。第40页/共48页第四十一页，共48页。423)3)化学化学(huxu)(huxu)组成的影响组成的影响 原子质量越小，德拜温度越高，热导率越原子质量越小，德拜温度越高，热导率越大大 晶体中存在缺

27、陷和杂质，使热导率变小晶体中存在缺陷和杂质，使热导率变小 固溶体的形成降低热导率固溶体的形成降低热导率 固溶体热导率与组成的关系杂质含量很固溶体热导率与组成的关系杂质含量很低时，低时，杂质影响十分显著杂质影响十分显著第41页/共48页第四十二页，共48页。434)4)复合化的影响复合化的影响(yngxing)(yngxing)5)5)孔隙的影响孔隙的影响(yngxing)(yngxing)第42页/共48页第四十三页，共48页。444.热导率的测量(cling)第43页/共48页第四十四页，共48页。45第44页/共48页第四十五页，共48页。46第45页/共48页第四十六页，共48页。47第46页/共48页第四十七页，共48页。48第47页/共48页第四十八页，共48页。