材料物理性能-熱1

材料物理性能主講教師：朱鼎電子郵件：zd-0118@163.com辦公地址：5號(hào)樓329室考核方式本課程采用筆試方式考核。課程總評(píng)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（占30%）和期末考試成績(jī)兩部分構(gòu)成，平時(shí)成績(jī)中實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%，出勤、作業(yè)、課堂測(cè)驗(yàn)、學(xué)習(xí)主動(dòng)性等占20%。課堂三定律第一定律，手機(jī)不能響第二定律，后排不能坐第三定律，作業(yè)不能抄參考教材《材料物理性能》，田蒔編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2004年?！恫牧衔锢硇阅堋罚癯绍娭骶帲枮I工業(yè)大學(xué)出版社，2007年?！恫牧衔锢硇阅堋?，鄭冀等編著，天津大學(xué)出版社，2008年?！恫牧系男阅堋?，趙新兵等著，高等教育出版社，2006年。材料（material）：材料是人類(lèi)用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。20世紀(jì)70年：信息、材料和能源（文明的三大支柱）80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。分類(lèi)：金屬材料，無(wú)機(jī)非金屬材料，高分子材料結(jié)構(gòu)材料與功能材料第1章緒論材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下的行為的參量。材料使用中表現(xiàn)有多少行為，就對(duì)應(yīng)有多少性能。外界條件不同，相同的材料也會(huì)有不同的性能。多數(shù)的性能都有量綱。為了便于學(xué)習(xí)、測(cè)試和研究，常采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分性能

第1章緒論物理性能：電，介電，熱，光，磁，彈性和內(nèi)耗力學(xué)性能：強(qiáng)度耐壓抗折韌性剛性化學(xué)性能：抗氧化性能耐腐蝕性能抗酸、抗堿工藝性能：可塑性、流動(dòng)性等使用性能：耐磨性等

第1章緒論第1章緒論意義：1.制造和發(fā)展功能材料的基礎(chǔ)2.對(duì)要求綜合性能的結(jié)構(gòu)材料而言，物理性能也是極為重要的。（航天飛機(jī)，熱障涂層）3.利用材料的物理性質(zhì)變化探討材料內(nèi)部的微觀情況是一個(gè)重要的研究方法。4.非組織敏感：彈性模量，熱膨脹系數(shù)，居里點(diǎn)（成分）組織敏感性：內(nèi)耗，電阻率，磁導(dǎo)率（成分及組織），研究與組織的關(guān)系，為合理制定生產(chǎn)工藝提供規(guī)律性的指導(dǎo)5.為確定產(chǎn)品的可靠性分析模型提供必要的物理性能用途和應(yīng)用領(lǐng)域微處理器的蓋和散熱片：

第2章材料的熱性能2.1材料的熱容2.2材料的熱膨脹2.3材料的熱傳導(dǎo)2.4材料的熱電效應(yīng)2.1材料的熱容1.固體熱容理論簡(jiǎn)介熱容（Heatcapacity）：一定量的物質(zhì)在一定條件下溫度升高1K所需要的熱，是用以衡量物質(zhì)所包含的熱量的物理量，用符號(hào)C表示，單位是J·K-1。定壓熱容和定容熱容：等壓條件下的熱容稱(chēng)定壓熱容，用符號(hào)Cp表示；等容條件下的熱容稱(chēng)定容熱容，用符號(hào)CV表示。

比熱容：1千克物質(zhì)的熱容，用c表示，單位是J·kg-1·K-1。摩爾熱容：1摩爾物質(zhì)的熱容，用Cm表示，單位是J·mol-1·K-1。對(duì)于固體和液體來(lái)說(shuō)，Cp和CV近似相等，但是在要求較高的計(jì)算中不能忽略。對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，Cp,m?CV,m=R，其中R是理想氣體常數(shù)

2.1材料的熱容1.固體熱容理論簡(jiǎn)介1)杜隆-珀替定律：

氣體分子的熱容理論用于固體，用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理，晶體有N個(gè)原子，總的平均級(jí)能量3NkBT,N=NA,摩爾熱容為：

熱容是一個(gè)固定不變的與溫度無(wú)關(guān)的物理量，只用于除Si,C,B以外的一部分單原子金屬。2.1材料的熱容2)愛(ài)因斯坦熱容模型：

前提：晶格中每個(gè)分子獨(dú)立地振動(dòng)，振動(dòng)的頻率為v,把原子的振動(dòng)視為諧振子，諧振子具有0點(diǎn)能，諧振子的能量為：En為頻率為v的諧振子振動(dòng)能，n為聲子量子數(shù)，取0，1，2，3…

具有能量為En的諧振子數(shù)目為：2.1材料的熱容2)愛(ài)因斯坦熱容模型：溫度為T(mén)，振動(dòng)頻率為v的諧振子平均能量為：

一摩爾晶體有NA個(gè)原子，每個(gè)原子有3個(gè)自由度，共有3NA個(gè)自由度，每個(gè)自由度相當(dāng)于有一個(gè)諧振子在振動(dòng)：晶體振動(dòng)的平均能量為：2.1材料的熱容2)愛(ài)因斯坦熱容模型：由等容熱容定義得：

討論：（1）晶體處于較高溫度時(shí)，kT>>hv,hv/kT<<1,愛(ài)因斯坦函數(shù)趨向于1，此時(shí)：CV,m=3R=24.91J/mol/k,與杜隆-珀替定律是一致的，在溫度較高時(shí)，比較準(zhǔn)確。（2）溫度很低時(shí)，hv>>kT，則有：

實(shí)驗(yàn)表明：在低溫時(shí)，熱容和T3成正比，上式比實(shí)驗(yàn)值更快的趨于0.2.1材料的熱容3)德拜熱容模型：

模型：晶體中各原子間存在彈性斥力和引力，這種力使原子的熱振動(dòng)相互受牽連和制約，相鄰原子間協(xié)調(diào)齊步地振動(dòng)。

2.1材料的熱容3)德拜熱容模型：

為頻率態(tài)密度2.1材料的熱容3)德拜熱容模型：式中，為德拜特征溫度，當(dāng)當(dāng)2.1材料的熱容2.金屬和合金的熱容1）金屬的熱容Ⅰ區(qū)Cm∝TⅡ區(qū)Cm∝T3

Ⅲ區(qū)Cm>3R對(duì)于金屬：其載流子主要是聲子和電子。低溫時(shí)有：2.1材料的熱容2）德拜溫度

是反映固體的許多特性的重要標(biāo)志。

在熔點(diǎn)時(shí)，原子振幅達(dá)到使晶格破壞的數(shù)值，

和熔點(diǎn)Ts有：

林德曼公式A:相對(duì)原子質(zhì)量，V:原子體積，Ts熔點(diǎn)物理意義：反映原子結(jié)合力物理量，越高，其結(jié)合力越大2.1材料的熱容3）合金的熱容對(duì)于金屬間化合物：近似有：C=pC1+qC2Neumann-Koppp,q為化合物中分子各組成原子的百分?jǐn)?shù)。

對(duì)于多相混合組織，固溶體或化合物也有相同的規(guī)律：Ca為組元B在固溶體中的原子濃度改變合金組織的熱處理實(shí)際上不影響高溫下的熱容。低溫下奈曼-柯普定律不再適用。2.1材料的熱容3.無(wú)機(jī)材料的熱容氣孔率的影響：多孔材料因質(zhì)量輕，熱容小，所需的熱量要小于耐熱材料。加熱窯多用硅藻土，泡沫剛玉等。在較高溫度下，固體的摩爾熱容等于構(gòu)成化合物各元素原子熱容的總和對(duì)于復(fù)相：2.1材料的熱容4.相變對(duì)熱容的影響

對(duì)于一級(jí)相變：在相變點(diǎn)，熱容發(fā)生突變，熱容為無(wú)限大，有體積效應(yīng)及熱效應(yīng)

對(duì)于二級(jí)相變：比熱也有變化，但為有限值，無(wú)體積效應(yīng)及熱效應(yīng)2.2材料的熱膨脹1.熱膨脹本質(zhì)

1）唯象解釋?zhuān)簾崤蛎浀谋举|(zhì)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度的升高而增大。在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r0兩側(cè)：r<r0斜率大，斥力隨位移增大很快；r>r0斜率小，引力隨位移增加慢。因此，在一定溫度下，平衡位置不在ro處，而是向右偏移，溫度高，則偏移大；導(dǎo)致宏觀上晶體膨脹。2.2材料的熱膨脹2）兩原子模型：由于熱運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)原子運(yùn)動(dòng)以一個(gè)為參照物，另一個(gè)偏離平衡位置x,

r=r0+xU=U(r)=

U(r)=U(r0)+cx2-gx3根據(jù)玻爾茲曼分布：可以算出2.2材料的熱膨脹2.膨脹系數(shù)

1）概念：用來(lái)描述溫度變化時(shí)材料發(fā)生膨脹或收縮程度的物理量為al

平均線(xiàn)膨脹系數(shù)：平均體膨脹系數(shù)：

對(duì)于立方晶系：2.2材料的熱膨脹例：一個(gè)籃球場(chǎng)，籃球框由一個(gè)金屬支承系統(tǒng)掛于天花板上，21度下籃框高出地板3.048m,自地板起，天花板高15.25m,在一場(chǎng)比賽中，溫度可升高15度，設(shè)懸持系統(tǒng)的熱學(xué)性質(zhì)可用單根纜繩模擬。用鋁和鎢哪一種制造該系統(tǒng)？（aAl:25×10-6℃

,W:4.5×10-6℃

)

2.2材料的熱膨脹2）膨脹系數(shù)與其它物理量的關(guān)系：

a)體膨脹系數(shù)與熱容存在關(guān)系：b)膨脹系數(shù)與金屬熔點(diǎn)關(guān)系：

c)膨脹系數(shù)和德拜特征溫度：d)硬度2.2材料的熱膨脹3）影響熱膨脹系的因素：

a)合金成分和相變

組成合金的溶質(zhì)元素及含量對(duì)合金的熱膨脹有明顯影響，如合金形成均一的單相固溶體，則符合相加律。（混合定律）相變處有膨脹量的變化：一級(jí)相變，相變點(diǎn)有不連續(xù)變化，（突變）二級(jí)相變，相變點(diǎn)膨脹系數(shù)曲線(xiàn)上有拐點(diǎn)。

2.2材料的熱膨脹3）影響熱膨脹系的因素：

b)晶體缺陷：

由空位引起的晶體附加體積變化：

由輻照空位而增加的體積為：

c)晶體和各向異性：彈性模量較高的方向?qū)⒂休^小的膨脹系數(shù)2.2材料的熱膨脹3）影響熱膨脹系的因素：

d)鐵磁性合金的鐵磁轉(zhuǎn)變

出現(xiàn)反常的原因：磁致收縮抵消了合金正常的熱膨脹。e)加工及熱處理對(duì)材料的熱膨脹性能也有影響。2.2材料的熱膨脹可伐合金，英文：KOVARFe-Ni(29%wt)-Co(17%wt)因瓦合金，英文：INVARFe-Ni(36%wt)2.3材料的導(dǎo)熱性1.熱傳導(dǎo)宏觀規(guī)律和微觀機(jī)制

1）傅里葉定律

熱傳導(dǎo)：一塊材料溫度不均勻或兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸，熱量便會(huì)自動(dòng)的從高溫度區(qū)向低溫度區(qū)傳播。q:熱流密度；

k：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）W/(mk)—單位面積上的熱量正比于溫度梯度，其比例系數(shù)為熱導(dǎo)率。反映材料導(dǎo)熱的能力。2.3材料的導(dǎo)熱性2）熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）和熱阻對(duì)于材料各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化時(shí)，溫度是x和t的函數(shù)，當(dāng)不與外界交換熱量時(shí)有：

令

a：熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）物理意義：標(biāo)志溫度變化的速度，將熱量傳導(dǎo)變化與溫度變化聯(lián)系在一起。在相同加熱條件下，a愈大，物體各處溫差小。熱阻：熱量傳遞受到的阻力例：判斷鋁合金和中碳鋼哪個(gè)具有更高的淬火速度？2.3材料的導(dǎo)熱性2）導(dǎo)熱的微觀機(jī)制固體中的導(dǎo)熱主要靠晶格振動(dòng)的格波（聲子）和自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

kph:聲子熱導(dǎo)率，ke：電子的熱導(dǎo)率除金屬外，一般固體特別是離子或共價(jià)鍵晶體中自由電子很少。2.3材料的導(dǎo)熱性2.金屬的熱傳導(dǎo)：

對(duì)于純金屬，導(dǎo)熱主要靠自由電子，合金導(dǎo)熱要考慮聲子導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)。將金屬中大量的自由電子看作是自由電子氣，用理想氣體的熱導(dǎo)率公式描述：

k：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）;C單位體積氣體的熱容；v分子運(yùn)動(dòng)的平均速度，l分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程。2.3材料的導(dǎo)熱性1）熱傳導(dǎo)和電導(dǎo)率的關(guān)系：

對(duì)由自由電子理論可知：L0為洛倫茲數(shù)（Lorenznumber)條件：不太低的溫度下，低溫下不成立Widemann-FranzL0=2.45×10-8V2/K2

2.3材料的導(dǎo)熱性2）熱導(dǎo)率及其影響因素：

純金屬

a)溫度對(duì)于純銅，分為三個(gè)區(qū)Ⅰ區(qū)T增大，k增大Ⅱ區(qū)T增大，k不變Ⅲ區(qū)T增大，k減小

鉍，銻金屬熔化時(shí)，熱導(dǎo)率上升一倍，共價(jià)鍵減弱，金屬鍵加強(qiáng)。b)晶粒大?。壕Я４执螅瑹釋?dǎo)率高c)各向異性：立方晶系與晶向無(wú)關(guān)，非立方各向?qū)?。d)雜質(zhì)：強(qiáng)烈影響表銅合金的性能

Propertiesofcopperalloy2.3材料的導(dǎo)熱性2）熱導(dǎo)率及其影響因素：

合金

a)無(wú)序固溶體：濃度增加，熱導(dǎo)率減小，最小值一般在50%處。b)有序固溶體：熱導(dǎo)率提高，最大值對(duì)應(yīng)于有序固溶體的成分。c)鋼中的合金無(wú)元素，雜質(zhì)及組織狀態(tài)都影響其熱導(dǎo)率。奧氏體<淬火馬氏體<回火馬氏體<珠光體2.3材料的導(dǎo)熱性3.無(wú)機(jī)非金屬的熱傳導(dǎo)：

1）傳導(dǎo)機(jī)制：導(dǎo)熱主要靠聲子，還有光子導(dǎo)熱。2）熱導(dǎo)率的影響因素：

a)溫度：?jiǎn)尉l2O3分為四個(gè)溫度區(qū)間迅速上升區(qū)極大值區(qū)迅速下降區(qū)緩慢下降區(qū)

b)化學(xué)組成：對(duì)于無(wú)機(jī)非金屬材料：材料結(jié)構(gòu)相同，相對(duì)原子質(zhì)量小，密度小，彈性模量大，德拜溫度越高，熱導(dǎo)率越大。輕元素的固體和結(jié)合能大的固體熱導(dǎo)率大。對(duì)于固溶體：降低熱導(dǎo)率2.3材料的導(dǎo)熱性c)晶體結(jié)構(gòu)的影響：晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則熱導(dǎo)率下降。d)非晶熱傳導(dǎo)有其特殊性：①不考慮光子導(dǎo)熱，在所有溫度下，非晶導(dǎo)熱低于晶體；②在較高溫度下熱導(dǎo)率比較接近③非晶熱導(dǎo)隨溫度變化沒(méi)有出現(xiàn)極值。2.4熱電性（thermoelectricity)1.熱電效應(yīng)

1）塞貝克Seebeck效應(yīng)：兩種不同材料AB組成回路，且兩端溫度不同，則在回路中存在電動(dòng)勢(shì)。其電動(dòng)勢(shì)的大小與材料和溫度有關(guān)。在溫差較小時(shí)，有：

SAB:A,B的相對(duì)塞貝克系數(shù)由于電動(dòng)勢(shì)有方向性，所以SAB也有方向性2.4熱電性2.熱電性的應(yīng)用及熱電材料1）通過(guò)熱電性的測(cè)試，分析金屬材料組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，（合金時(shí)效，馬氏體回火）2）熱電偶測(cè)溫（seebeck)熱電極：a)熱電勢(shì)與溫度有良好的線(xiàn)性關(guān)系b)具有大的熱電系數(shù)c)具有復(fù)制性和溫度-熱電勢(shì)關(guān)系的穩(wěn)定性熱電偶回路定律：a)同質(zhì)電極構(gòu)成熱電回路，則熱電勢(shì)為0b)均勻?qū)w二端沒(méi)有溫度差時(shí)，導(dǎo)體有溫度梯度時(shí)其熱電勢(shì)也為0高溫：鉑銠-鉑中溫，低溫：銅-康銅或鐵-康銅3）溫差發(fā)電（seebeck)4）電致冷（Peltier)

2.5材料的熱穩(wěn)定性1.表征：

熱穩(wěn)定性：材料承受溫度急驟變化而不致破壞的能力.(抗熱震性）日用瓷器：200K的溫差火箭噴嘴：瞬時(shí)承受3000-4000K溫差的熱沖擊，同時(shí)還要經(jīng)受高速氣流和化學(xué)腐蝕作用。

熱沖擊損壞類(lèi)型：1）抗熱沖擊斷裂性：抵抗材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂的能力2）抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂，剝落并不斷發(fā)展，最終失效或斷裂；材料抵抗這類(lèi)破壞的能力。紅外窗口的抗壓ZnS，165度保溫1小時(shí)，投入19度的水中，不能有微裂紋；日用瓷：不斷升溫，投到水中，直至裂紋出現(xiàn)，其前一次溫度來(lái)表征其熱穩(wěn)定性耐火材料：加熱850度，保溫，水中3分鐘或空氣中5-10分鐘，重復(fù)到失重20%為止2.5材料的熱穩(wěn)定性2.熱應(yīng)力：

熱應(yīng)力：僅由材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致：斷裂破壞或者塑性變形熱應(yīng)力的來(lái)源：1）因熱脹冷縮受到限制而產(chǎn)生的熱應(yīng)力當(dāng)這根桿的溫度從T0改變到T1時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：T0T1T1T1>T0時(shí)，σ<0，桿受壓應(yīng)力

T1<T0時(shí)，σ>0，桿受拉應(yīng)力2.5材料的熱穩(wěn)定性2）因溫度梯度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力

物體迅速加熱時(shí)，外表面溫度比內(nèi)部高，則外表膨脹比內(nèi)部大，但相鄰的內(nèi)部的材料限制其自由膨脹，因此表面受壓應(yīng)力，而相鄰內(nèi)部材料受拉應(yīng)力。同理，迅速冷卻時(shí)（如淬火），表面受拉應(yīng)力，相鄰內(nèi)部材料受壓縮應(yīng)力。3）多相復(fù)合材料因各向膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力ABABAB2.5材料的熱穩(wěn)定性3.抗熱沖擊斷裂性能：

1）第一熱應(yīng)力抵抗因子R：

當(dāng)最大熱應(yīng)力值σmax<σf(強(qiáng)度極限），材料就不會(huì)