第二章-材料的熱膨脹性能課件

§2-1熱膨脹系數(shù)一、線膨脹系數(shù)設(shè)一物體在TK溫度下的真實(shí)長度為l，當(dāng)溫度升高ΔTK后，其長度變?yōu)閘+Δl，則有下列關(guān)系式成立：這里α為材料的線膨脹系數(shù)。一般來說α并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度變化而改變。一般固體材料的α=10-6—10-2K-1量級(jí)，合金和金屬的α=10-5—10-6K-1量級(jí)，陶瓷材料α=10-5—10-6K-1

。7/31/20231二、體膨脹系數(shù)7/31/20232§2-2固體材料熱膨脹機(jī)理固體材料熱膨脹的本質(zhì)是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)間的平均距離隨溫度升高而增大，這種增大是由于原子熱振動(dòng)造成的。在熱容理論的推導(dǎo)過程中，近似認(rèn)為晶格振動(dòng)是一種簡諧振動(dòng)，那么隨溫度升高，會(huì)增大振幅，但卻不會(huì)改變其平均平衡位置間的距離，即不會(huì)發(fā)生熱膨脹，這樣顯然與實(shí)際結(jié)果不符。實(shí)際上原子的熱振動(dòng)并不是簡諧振動(dòng)，因?yàn)樵娱g的作用力不是一彈性力，即受力不對(duì)稱，這可用下述的雙原子模型加以解釋。7/31/20233無論從位（勢(shì)）能曲線或力的曲線，均可解釋熱膨脹現(xiàn)象。由于溫度升高，原子的熱振動(dòng)加劇，U上升，其平衡位置r>ro，并A~B軌跡變化，溫度越高，偏離程度越大，從而引起材料的熱膨脹。結(jié)論：熱膨脹來源于原子的非簡諧振動(dòng)7/31/20234§2-3熱膨脹和其他物理性能的關(guān)系一、熱膨脹和結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系由上述的位能理論可知，熱膨脹與位能曲線的形狀密切相關(guān)。而位能曲線形狀與質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力和熔點(diǎn)有關(guān)。結(jié)合能（力）越大，熔點(diǎn)越高，位能曲線變得深而窄，升高同樣的溫度ΔT，質(zhì)點(diǎn)的振幅增加得較少，平均平衡位置的位移量亦較少，因此熱膨脹系數(shù)較小。格留奈申（Gruneisen）給出了固態(tài)金屬膨脹的極限方程：7/31/20235熱膨脹與熔點(diǎn)的關(guān)系：P234圖5.26熱膨脹與元素序數(shù)的關(guān)系：P234圖5.27熱膨脹與純金屬材料硬度的關(guān)系：P235表5.77/31/20236二、熱膨脹與熱容的關(guān)系顯然，熱容與熱膨脹密切相關(guān)。如下圖所示。熱容晶格振動(dòng)熱膨脹7/31/20237cP(cV)~T曲線與α~T曲線極其相似，表明兩者間的密切關(guān)系，當(dāng)T>ΘD時(shí)，cP趨于定值，而α卻連續(xù)升高。這是由于空位等缺陷的增加對(duì)熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)。格留奈申從晶格振動(dòng)的熱容理論推導(dǎo)出立方晶系金屬熱膨脹系數(shù)和熱熔間的關(guān)系式：7/31/20238三、熱膨脹與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系對(duì)于相同組成的物質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)不同，膨脹系數(shù)也不同。通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)都較大；而類似于無定形的玻璃，則往往有較小的膨脹系數(shù)。對(duì)于非等軸晶系，各晶軸方向的膨脹系數(shù)不同。在某個(gè)方向上甚至出現(xiàn)負(fù)值。對(duì)于β-鋰霞石，甚至出現(xiàn)負(fù)的體積膨脹系數(shù)。例如，SiO2:多晶石英：α=12×10-6K-1石英玻璃：α=0.5×10-6K-1鐵素體：a=0.2861nm(常溫)

α=14.5×10-6K-1奧氏體：a=0.35586-0.36034nm(C%=0.0-1.4%)

α=23.0×10-6K-1石墨:垂直于C軸方向（層間）：α=1×10-6K-1平行于C軸方向（層內(nèi)）：α=27×10-6K-1Al2TiO5:垂直于C軸方向（層間）：α=-2.6×10-6K-1平行于C軸方向（層內(nèi)）：α=11.5×10-6K-17/31/202391、多型性轉(zhuǎn)變的影響屬于一級(jí)相變，Δl或ΔV有突變，α產(chǎn)生明顯變化，若相變?yōu)榈葴剞D(zhuǎn)變，則α在轉(zhuǎn)變點(diǎn)趨近于無窮大。2、有序—無序轉(zhuǎn)變屬于二級(jí)相變，相變時(shí)體積無突變，但α在相變溫度區(qū)間有變化。7/31/2023103、磁性轉(zhuǎn)變屬于二級(jí)相變，轉(zhuǎn)變是在接近居里點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于某些鐵磁材料，在轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，α?xí)霈F(xiàn)明顯的尖峰。這是由于自發(fā)磁化過程中產(chǎn)生的體積磁致伸縮效應(yīng)引起的，在居里點(diǎn)附近，這種效應(yīng)自動(dòng)消失，因而產(chǎn)生α突變。7/31/202311四、合金化的影響1、固溶體合金絕大多數(shù)金屬形成單相固溶體時(shí)，其膨脹系數(shù)介于組元的膨脹系數(shù)之間。如Cu-Au,Cu-Ni,Ag-Au等。在有些系統(tǒng)中膨脹系數(shù)并不主要決定于溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)，而是決定于溶質(zhì)元素的價(jià)數(shù)。如Ag-Cd,In,Sn,Sb。2、形成化合物一般來說，由于原子間相互作用的加強(qiáng)，導(dǎo)致其膨脹系數(shù)比固溶體有較大的下降。7/31/2023123、多相材料及復(fù)合材料多相材料的膨脹系數(shù)取決于組成相的膨脹性能及組成相的體積相對(duì)量。并近似地符合直線相加定律：

αA+B=αAVA+αBVB若兩相的膨脹性能差別特別大，則可用下式計(jì)算：αC=αm-A.Vd

(αm-αd)式中：αC--復(fù)合材料的膨脹系數(shù)，αm、αd--基體相和增強(qiáng)相的膨脹系數(shù)。Vd

--增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)，A—與單性常數(shù)有關(guān)的常數(shù)。7/31/202313對(duì)于多相（復(fù)合）材料，當(dāng)組成相的膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在冷卻和加熱過程中，由于不能靠塑性變形來協(xié)調(diào)，則有可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這種微觀內(nèi)應(yīng)力的存在，會(huì)對(duì)材料的熱膨脹產(chǎn)生牽制作用。若認(rèn)為組成相為各向同性的，且微觀內(nèi)應(yīng)力為正應(yīng)力（拉、壓），則有下列關(guān)系式：7/31/202314對(duì)于復(fù)合體中不同相間或晶粒的不同方向上膨脹系數(shù)差別很大時(shí)，則內(nèi)應(yīng)力甚至?xí)l(fā)展到使坯體產(chǎn)生內(nèi)裂紋。由于微裂紋的存在，導(dǎo)致復(fù)合體出現(xiàn)熱膨脹的滯后，或在較低溫度下出現(xiàn)反常低的熱膨脹系數(shù)。例如：石墨：單晶垂直于C軸α=1×10-6K-1；平行于C軸α=27×10-6K-1

。而多晶體在較低溫度下α=（1-3)×10-6K-1

。7/31/202315五、材料設(shè)計(jì)中膨脹系數(shù)匹配性原則對(duì)于多相復(fù)合材料，當(dāng)組成相的膨脹系數(shù)差別較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力、甚至開裂。所以在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮膨脹性能的匹配。電子管生產(chǎn)：最常見的是金屬與陶瓷（玻璃）的封接。為了封接得嚴(yán)密可靠，除了必須考慮陶瓷材料與焊料的結(jié)合性能外，還應(yīng)該使陶瓷和金屬的膨脹系數(shù)盡可能接近。陶瓷（日用、建筑）制品：陶瓷坯體與表面釉層的膨脹系數(shù)一般選擇使釉的膨脹系數(shù)適當(dāng)小于坯的膨脹系數(shù)。這樣，在燒成后的冷卻過程中，由于表面釉層的收縮比坯小，使釉層產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，從而提高脆性材料的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)，也抑制了釉層微裂紋的形成和發(fā)展，從而進(jìn)一步提高強(qiáng)度。反之，則在釉層中形成張應(yīng)力，對(duì)強(qiáng)度不利，應(yīng)力過大甚至引起釉層開裂。同樣，釉的膨脹系數(shù)也不能太小，否則會(huì)使釉層剝落。7/31/202316工藝美術(shù)陶瓷：一般情況與上述日用陶瓷一致，但對(duì)于某些特殊陶瓷恰好相反。復(fù)合材料：增強(qiáng)相與基體的膨脹系數(shù)一般相差較大，一般要對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行表面預(yù)處理。預(yù)處理主要考慮：界面結(jié)合力、彈性匹配、膨脹系數(shù)匹配。梯度功能材料：ZrO2+Mo雙金屬控溫裝置、日光燈啟輝器（雙金屬片）。7/31/202317§2-5熱膨脹的測(cè)量（P244）一、千分表簡易膨脹儀二、光學(xué)膨脹儀三、差動(dòng)變壓器式膨脹儀7/31/202318§2-6膨脹法在材料研究中的應(yīng)用（P247）一、相變臨界點(diǎn)（固態(tài)下）的測(cè)定二、膨脹系數(shù)的測(cè)定三、測(cè)定鋼過冷