材料物理性能热.pptx

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1、考核方式本课程采用笔试方式考核。课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考试成绩两部分构成，平时成绩中实验成绩占10%，出勤、作业、课堂测验、学习主动性等占20%。第1页/共58页课堂三定律第一定律，手机不能响第二定律，后排不能坐第三定律，作业不能抄第2页/共58页参考教材材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，20042004年。材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，20072007年。材料物理性能，郑冀等编著，天津大学出版社，20082008年。材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，20062006年。第3页/共58页材料（material）：材料是人类用于制造物品、器

2、件、构件、机器或其他产品的那些物质。20世纪70年：信息、材料和能源 （文明的三大支柱）80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料 结构材料与功能材料第1章 绪论第4页/共58页材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究，常采用不同的标准来划分性能 第1章 绪论第5页/共58页物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗力学性能：强度 耐压 抗折 韧性 刚性

3、化学性能：抗氧化性能 耐腐蚀性能 抗酸、抗碱工艺性能：可塑性、流动性等 使用性能：耐磨性等 第1章 绪论第6页/共58页第1章 绪论意义：1.制造和发展功能材料的基础 2.对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）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个重要的研究方法。4.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），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.为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能第7页/共58页用途和应用领域用途和应用领域微处理器的盖和散热微处理器的盖和散热

4、片：片：第8页/共58页第2章 材料的热性能2.1 材料的热容2.2 材料的热膨胀2.3 材料的热传导2.4 材料的热电效应第9页/共58页2.1 材料的热容1.固体热容理论简介固体热容理论简介 热容（热容（Heat 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1K所所需要需要 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C 表示，表示，单位是单位是JK-1。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Cp表示；表示；等容条件下的热容称

5、定容热容，用符号等容条件下的热容称定容热容，用符号CV表示。表示。比热容：比热容：1千克物质的热容，用千克物质的热容，用c表示，单位是表示，单位是Jkg-1K-1。摩尔热容：摩尔热容：1摩尔物质的热容，用摩尔物质的热容，用Cm表示，单位是表示，单位是Jmol-1K-1。对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，Cp和和CV近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。略。对于理想气体来说，对于理想气体来说，Cp,m CV,m=R，其中，其中R是理想气体常数是理想气体常数 第10页/共58页2.1 材料的热容1.固体热容理论简介固体热容理论简介 1)杜隆杜隆-珀替

6、定律：珀替定律：气气体体分分子子的的热热容容理理论论用用于于固固体体，用用经经典典的的统统计计力力学学处处理理，晶体有晶体有N个原子，总的平均级能量个原子，总的平均级能量3NkBT,N=NA,摩尔热容为：摩尔热容为：热容是一个热容是一个固定不变固定不变的与的与温度无关温度无关的物理量，只用于除的物理量，只用于除Si,C,B以外的一部分以外的一部分单原子金属单原子金属。第11页/共58页2.1 材料的热容 2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：前前提提：晶晶格格中中每每个个分分子子独独立立地地振振动动，振振动动的的频频率率为为v,把把原原子子的的振振动动视视为为谐谐振振子子，谐谐振振子子具具有

7、有0点点能能，谐谐振子的能量为振子的能量为：En为为频频率率为为v的的谐谐振振子子振振动动能能，n为为声声子子量量子子数数，取取 0，1，2，3 具有能量为具有能量为En的谐振子数目为：的谐振子数目为：第12页/共58页2.1 材料的热容 2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型：温度为温度为T，振动频率为，振动频率为v的谐振子平均能量为的谐振子平均能量为：一一摩摩尔尔晶晶体体有有NA个个原原子子，每每个个原原子子有有3个个自自由由度度，共共有有3 NA 个个自自由由度度，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：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：第13页

8、/共58页2.1 材料的热容 2)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：讨论：讨论：（1）晶晶体体处处于于较较高高温温度度时时，kThv,hv/kTkT，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T3成正比，上式比实验值更快的趋于成正比，上式比实验值更快的趋于0.第14页/共58页2.1 材料的热容 3)德拜热容模型：德拜热容模型：模模型型：晶晶体体中中各各原原子子间间存存在在弹弹性性斥斥力力和和引引力力，这这种种力力使使原原子子的的热热振振动动相相互互受受牵牵连连和和制制约约，相相邻邻原原子间协调齐步地振动。子间协调齐步地振动。第15

9、页/共58页2.1 材料的热容 3)德拜热容模型：德拜热容模型：为频率态密度第16页/共58页2.1 材料的热容 3)德拜热容模型：德拜热容模型：式中，为德拜特征温度，第17页/共58页当当第18页/共58页2.1 材料的热容2.金属和合金的热容金属和合金的热容 1）金属的热容金属的热容 区区 CmT 区区 CmT3 区区 Cm3R 对于金属：其载流子主要是对于金属：其载流子主要是声子和电子。低温时有：声子和电子。低温时有：第19页/共58页2.1 材料的热容 2）德拜温度德拜温度 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

10、，原子振幅达到使晶格破坏的数值，和熔点和熔点Ts有：有：林德曼公式林德曼公式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20页/共58页2.1 材料的热容 3）合金的热容合金的热容 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 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。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为组元为组元B在固溶

11、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。低温下奈曼-柯普定律不再适用。第21页/共58页2.1 材料的热容3.无机材料的热容无机材料的热容 气气孔孔率率的的影影响响：多多孔孔材材料料因因质质量量轻轻，热热容容小小，所所需需的的热热量量要要小小于于耐耐热热材材料料。加加热热窑窑多用硅藻土，泡沫刚玉等。多用硅藻土，泡沫刚玉等。在在较较高高温温度度下下，固固体体的的摩摩尔尔热热容容等等于于构构成成化化合合物物各各元元素原子热容的总和素原子热容的总和对于复相：对于复相：第22页/共58页2.1 材料的热容4.相变对热容的影响相变对热容的影响 对对于于一一级级相相

12、变变：在在相相变变点点，热热容容发发生生突突变变，热热容容为为无无限限大，有体积效应及热效应大，有体积效应及热效应 对对于于二二级级相相变变：比比热热也也有有变变化化，但但为为有有限限值值，无无体体积积效应及热效应效应及热效应第23页/共58页2.2 材料的热膨胀1.热膨胀本质热膨胀本质 1）唯唯象象解解释释：热热膨膨胀胀的的本本质质为为点点阵阵结结构构中中的的质点间平均距离随温度的升高而增大。质点间平均距离随温度的升高而增大。在质点平衡位置在质点平衡位置r0两侧：两侧：rr0 斜率小，引力随位移增加慢。斜率小，引力随位移增加慢。因因此此，在在一一定定温温度度下下，平平衡衡位位置置不不在在ro

13、处处，而而是是向向右右偏偏移移，温温度度高高，则则偏偏移移大大；导导致致宏宏观上晶体膨胀。观上晶体膨胀。第24页/共58页2.2 材料的热膨胀2）两原子模型：）两原子模型：由由于于热热运运动动，两两个个原原子子运运动动以以一一个个为为参参照照物物，另另一一个个偏偏离平衡位置离平衡位置x,r=r0+x U=U(r)=U(r)=U(r0)+cx2-gx3根据玻尔兹曼分布：可以算出第25页/共58页2.2 材料的热膨胀2.膨胀系数膨胀系数 1）概概念念：用用来来描描述述温温度度变变化化时时材材料料发发生生膨膨胀胀或收缩程度的物理量为或收缩程度的物理量为al 平均线膨胀系数：平均线膨胀系数：平均体膨胀

14、系数：平均体膨胀系数：对于立方晶系：对于立方晶系：第26页/共58页2.2 材料的热膨胀例例：一一个个篮篮球球场场，篮篮球球框框由由一一个个金金属属支支承承系系统统挂挂于于天天花花板板上上，21度度下下篮篮框框高高出出地地板板3.048m,自自地地板板起起，天天花花板板高高15.25m,在在一一场场比比赛赛中中，温温度度可可升升高高15度度，设设悬悬持持系系统统的的热热学学性性质质可可用用单单根根缆缆绳绳模模拟拟。用用铝铝和和钨钨哪哪一一种种制制造造该该系统？（系统？（aAl:2510-6,W:4.5 10-6)第27页/共58页2.2 材料的热膨胀2）膨胀系数与其它物理量的关系：）膨胀系数与

15、其它物理量的关系：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：b)膨胀系数与金属熔点关系：膨胀系数与金属熔点关系：c)膨胀系数和德拜特征温度：膨胀系数和德拜特征温度：d)硬度硬度第28页/共58页2.2 材料的热膨胀3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：a)合金成分和相变合金成分和相变 组组成成合合金金的的溶溶质质元元素素及及含含量量对对合合金金的的热热膨膨胀胀有有明明显显影影响响，如如合合金形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）金形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）相相变变处处有有膨膨胀胀量量的的变变化化：一一级级相相变变，相相变变点点有有不不连连续

16、续变变化化，（突变）（突变）二二级级相相变变，相相变变点点膨膨胀胀系系数数曲曲线线上有拐点。上有拐点。第29页/共58页2.2 材料的热膨胀3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：b)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：由辐照空位而增加的体积为：由辐照空位而增加的体积为：c)晶晶体体和和各各向向异异性性：弹弹性性模模量量较较高高的的方方向向将将有有较较小小的的膨膨胀胀系数系数第30页/共58页2.2 材料的热膨胀3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素：d)铁磁性合金的铁磁转变铁磁性合金的铁磁转变 出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热

17、膨胀。出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。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。第31页/共58页2.2 材料的热膨胀可伐合金，英文：可伐合金，英文：KOVAR Fe-Ni(29%wt)-Co(17%wt)因瓦合金，英文：因瓦合金，英文：INVAR Fe-Ni(36%wt)第32页/共58页2.3 材料的导热性1.热传导宏观规律和微观机制热传导宏观规律和微观机制 1）傅里叶定律）傅里叶定律 热热传传导导：一一块块材材料料温温度度不不均均匀匀或或两两个个温温度度不不同同的的物物体体相相互互接接触触，热热量量便便会会自自动动的的从高温度区向

18、低温度区传播。从高温度区向低温度区传播。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)单位面积上的热量正比于温度梯单位面积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。度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。第33页/共58页2.3 材料的导热性 2）热扩散率（导温系数）和热阻）热扩散率（导温系数）和热阻 对于材料各点温度随时间变化时，温度是对于材料各点温度随时间变化时，温度是x和和t的函数，的函数，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：标志物理意义：标志温度变化的速度温

19、度变化的速度，将热量传导变化与温度变化联系在一起。，将热量传导变化与温度变化联系在一起。在相同加热条件下，在相同加热条件下，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34页/共58页例：判断铝合金和中碳钢哪例：判断铝合金和中碳钢哪 个具有更高的淬火速度？个具有更高的淬火速度？第35页/共58页2.3 材料的导热性 2）导热的微观机制）导热的微观机制 固体中的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电固体中的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运动来实现：子的运动来实现：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

20、金属外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。除金属外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。第36页/共58页2.3 材料的导热性2.金属的热传导：金属的热传导：对于纯金属，导热主要靠对于纯金属，导热主要靠自由电子自由电子，合金导热要考虑，合金导热要考虑声子导热声子导热的贡献。的贡献。将将金金属属中中大大量量的的自自由由电电子子看看作作是是自自由由电电子子气气，用用理理想想气气体体的的热热导导率率公公式式描述：描述：k：热导率（导热系数）：热导率（导热系数）;C单位体积气体的热容；单位体积气体的热容；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

21、的平均自由程。第37页/共58页2.3 材料的导热性1）热传导和电导率的关系：）热传导和电导率的关系：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：不太低的温度下，低温下不成立条件：不太低的温度下，低温下不成立Widemann-FranzL0=2.4510-8V2/K2 第38页/共58页2.3 材料的导热性2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：纯金属纯金属 a)温度温度 对于纯铜，对于纯铜，分为三个区分为三个区 区区 T增大，增大，k增大增大 区区 T增大，增大，k不变不变 区区 T增大，增大，k减小减小 铋，锑金属熔化时，

22、热导率上升一倍，共铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键减弱，金属键加强。价键减弱，金属键加强。b)晶粒大小：晶粒大小：晶粒粗大，热导率高晶粒粗大，热导率高 c)各向异性：各向异性：立方晶系与晶向无关，非立方立方晶系与晶向无关，非立方各向导性。各向导性。d)杂质：杂质：强烈影响强烈影响 第39页/共58页表铜合金的性能 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.

23、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40页/共58页2.3 材料的导热性2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素：合金合金 a)无无序序固固溶溶体体：浓浓度度增增加加，热热导导率率减减小，最小值一般在小，最小值一般在50%处。处。b)有序固溶体有序固溶体：热导率提高，最大值：热导率提高，最大值对应于有序固溶体的成分。对应于有序固溶体的成分。c)钢中的合金无元素，杂质及组织状态钢中的合金无元素，杂质及

24、组织状态都影响其热导率。都影响其热导率。奥氏体奥氏体淬火马氏体淬火马氏体 回火马氏体回火马氏体T0 时，0，杆受压应力 T10，杆受拉应力第47页/共58页2.5 材料的热稳定性 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 物物体体迅迅速速加加热热时时，外外表表面面温温度度比比内内部部高高，则则外外表表膨膨胀胀比比内内部部大大，但但相相邻邻的的内内部部的的材材料料限限制制其其自自由由膨膨胀胀，因因此此表表面面受受压压应应力力，而而相相邻邻内内部部材材料料受受拉拉应应力力。同同理理，迅迅速速冷冷却却时时（如如淬淬火火），表面受拉应力表面受拉应力，相邻，相邻内部材料受压缩应力内部材料受压

25、缩应力。3）多多相相复复合合材材料料因因各各向向膨膨胀胀系系数数不不同同而而产产生生的的热热应力应力A B A B A B第48页/共58页2.5 材料的热稳定性3.抗热冲击断裂性能：抗热冲击断裂性能：1）第一热应力抵抗因子第一热应力抵抗因子R：当当最最大大热热应应力力值值max f (强强度度极极限限），材材料料就就不不会会断断裂裂，材材料料所所能能承承受的温差越大，材料的热稳定性就越好。受的温差越大，材料的热稳定性就越好。R：第一热应力因子；：泊松比；al:热膨胀系数；E：弹性模量 第49页/共58页2.5 材料的热稳定性3.抗热冲击性能：抗热冲击性能：2）第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗

26、因子R：热稳定性除与热稳定性除与Tmax相关外，还与下列因素有关：相关外，还与下列因素有关：a)材料热导率材料热导率k：k增加，其热应力小增加，其热应力小 b)传热的途径：传热的途径：材料愈薄，愈易达到温度均匀材料愈薄，愈易达到温度均匀 c)材料表面散热率：材料表面散热率：表面热传递系数表面热传递系数h,h越大，其热稳定性越差。越大，其热稳定性越差。如材料样品的厚度为如材料样品的厚度为rm,则有毕奥模数则有毕奥模数 显然，大，对热稳定性不利 第50页/共58页2.5 材料的热稳定性3.抗热冲击性能：抗热冲击性能：2）第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗因子R：单位：单位：(J/cm/S),如考虑样

27、品的形状则有：如考虑样品的形状则有：S为非平板样品的形状因子。讨论：具有高的热导率k,高的断裂强度，低的热膨胀系数和弹性模E，则具有高热冲击断 裂性能。3）第三热应力抵抗因子R（明确最大冷却速率）第51页/共58页用途和应用领域用途和应用领域微处理器的盖和散热微处理器的盖和散热片：片：第52页/共58页用途和应用领域用途和应用领域印刷电路板的芯：印刷电路板的芯：通过减少热循环失配和通过减少热循环失配和振动疲劳、提供优异的热振动疲劳、提供优异的热性能，提高表面组装的可性能，提高表面组装的可靠性减少重量。靠性减少重量。第53页/共58页用途和应用领域用途和应用领域电子器件底座和外壳：电子器件底座和

28、外壳：如整流管、晶闸管、如整流管、晶闸管、稳压管等螺栓型分立器稳压管等螺栓型分立器件外壳，圆饼形功率元件外壳，圆饼形功率元器件外壳，功率半导体器件外壳，功率半导体集成电路外壳，混合集集成电路外壳，混合集成电路外壳和整流桥外成电路外壳和整流桥外壳等。壳等。开关三极管第54页/共58页用途和应用领域用途和应用领域SMD系列晶体管F系列晶体管第55页/共58页用途和应用领域用途和应用领域TO系列晶体管第56页/共58页用途和应用领域用途和应用领域功率器件的底座和热功率器件的底座和热沉：沉：高性能高性能IGBTIGBT（绝缘栅双（绝缘栅双极型晶体管）和极型晶体管）和MOSFET MOSFET（金属氧化物半导体场效（金属氧化物半导体场效应晶体管）功率器件底座应晶体管）功率器件底座中代替大膨胀系数的无氧中代替大膨胀系数的无氧铜，提高可靠性。铜，提高可靠性。第57页/共58页感谢您的观看。第58页/共58页