第三讲 材料的热膨胀

本章内容,材料的热容,材料的热膨胀,材料的热传导,材料的热稳定性,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章 材料的热学性能,顾修全,本章内容,热容,热膨胀,热传导,热稳定性,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质,与其他物理性能的关系,影响因素,热膨胀测量方法,热膨胀的工程应用,1.,热膨胀的物理本质,什么是热膨胀？,热膨胀系数,热膨胀的物理本质,热膨胀系数,温度每平均升高,1,个单位，长度的相对变化量。,平均线膨胀系数,微分线膨胀系数,体膨胀系数,t,t,t,1,t,2,各向同性,各向异性,部分材料的线性膨胀系数,材料名称,l,/10,-6,K,-1,温度范围,Al,Ti,Cr,Fe,Ni,Cu,W,Invar,合金,6Ni-Fe,铸铁,黄铜,Si,Al,2,O,3,SiC,Si,3,N,4,石英玻璃,24.9,9.2,10.60,16.7,17.1,17.18,5.19,0 2,10.5 12,18.5 21,6.95,8.8,4.7,2.7,0.5,303 573,153 1133,523 753,303 1123,693 1263,373,1573,293 373,273 473,293 573,273 373,273 1273,273 1273,273 1273,273 1273,某些无机材料的热膨胀系数与,温度之间的关系,无机材料的线膨胀系数,一般都不大,物理本质,（作用力曲线解释）,原子热振动是,非线性,的！,温度升高，原子振动激烈。,原子向右移动的幅度更大一些，,导致振动中心右移。,0 K,时，原子处在平衡位置。,物理本质,（势能曲线解释）,势能曲线是,不对称,的！,0 K,时，原子的势能最低。,温度升高，原子的势能增加。,势能曲线的不对称，使振动,中心右移。,材料热膨胀的本质,:,在于晶格点阵实际上在作,非简谐振动,，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是,非线性的,，,点阵能曲线也是非对称的,。,理想状态,实际状态,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质,与其他物理性能的关系,影响因素,热膨胀测量方法,热膨胀的工程应用,2.,与其他物理性能的关系,体膨胀与定容热容成正比，并且它们有相似依赖关系。,1,、与热容的关系,格律乃森定律,Al,2,O,3,的热容和膨胀系数随温度的变化,金属的结合能越大，熔点越高，其膨胀系数越小。,2,、与结合能、熔点的关系,对所有的纯金属,（,a,、,b,是常数）,几种材料的线膨胀系数、结合能与熔点,3,、与结构的关系,对结构紧密的晶体，膨胀系数较大。,而对无定形的玻璃，膨胀系数较小。,温度升高时发生的晶型转变，也会引起膨胀系,数的改变。,ZrO,2,陶瓷的热膨胀曲线,1000,时,单斜晶型,四方晶型,发生体积收缩,4 %,4.,与相变的关系,一级,二级,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质,与其他物理性能的关系,影响因素,热膨胀测量方法,热膨胀的工程应用,3.,影响热膨胀性能的因素,相变的影响,成分和组织的影响,各向异性的影响,相变的影响,一级相变：体积突变，有相变潜热。,二级相变：无体积突变和相变潜热；,但膨胀系数和比热容有突变。,直接用热膨胀实验分析,用热膨胀实验可以研究二级相变,二级相变,同素异构体转变,有序,无序转变,温度变化时发生的晶型转变,Fe,：,相,相,Cu-Au,合金,化学成分的影响,固溶体的热膨胀系数略低于按直线规律计算的值。,Cu,Au,合金固溶体的膨胀系数,0,20,40,60,80,100,r,E,/,%,l,Cu Au,合金,膨胀系数,两相材料热膨胀系数计算值的比较,多相合金体的膨胀系数主要取决于组成相的性质和数量,内应力抑制了热膨胀,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质,与其他物理性能的关系,影响因素,热膨胀测量方法,热膨胀的工程应用,4.,热膨胀的测量,光学膨胀仪,电测试膨胀仪,机械式膨胀仪,光杠杆膨胀仪,光干涉法,电感式膨胀仪,电容式膨胀仪,千分表式膨胀仪,杠杆式膨胀仪,光杠杆式膨胀仪原理图,光,底片,标准试样,待测试样,热膨胀测试仪（,德国耐驰公司）,测试原理：,将样品放入炉体内，施一定,温度程序，此时样品长度的变化,通过推杆传递到左侧的检测单元，,并由位移传感器测量得到结果。,材料学院,A306,室,一、技术参数：,1.,升降温速率：,0-50 K/min2.,测量范围：,500,5000,m,3.,样品长度：最大,50 mm,样品直径：最大,12 mm4. L,分辨率：,0.125 nm / 1.25 nm5.,样品支架：石英支架（, 1100,），氧化铝支架（, 1700,），,石墨支架（,2000,）二、主要特点：,1. DIL,提供多种类型的样品支架与炉体配置。,2.,提供各种配件使测试更灵活方便。,3.,提供速率控制烧结软件（,RCS,）。,4.,提供,c-DTA,功能，可通过图谱分析计算得到差热,DTA,曲线。三、 应用领域： 可测量固体、熔融金属、粉末、涂料等各类样品，广泛应用于无机,陶瓷、金属材料、塑胶聚合物、建筑材料、涂层材料、耐火材料、,复合材料等领域。,德国耐驰,DIL402C,热膨胀仪,热膨胀仪典型图谱,第二节 材料的热膨胀,热膨胀的本质,与其他物理性能的关系,影响因素,热膨胀测量方法,热膨胀的工程应用,5.,热膨胀的工程应用,1,、热膨胀的工程意义,陶瓷工业,薄膜生长,航天器的设计,金属的表面改性,施釉,要求釉层的膨胀系数比坯体要小,为什么？,结合后面涉及到的热应力知识,进行解释。,烤瓷牙,微机械（,MENS,）领域,热膨胀在工程中的意义,热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。,1),是决定材料抗热震性的主要因素。,2),陶瓷坯上釉， 二者,应匹配。釉,适当小于坯，烧结冷却过程中，釉层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小的太多也不行，会使釉层脱落。,3),集成电路、电子管、特种灯生产中。,4),复合材料制备。,5),精密仪器仪表。,材料的种类（依据热膨胀系数）,高热膨胀材料,零热膨胀材料,负热膨胀材料,金属材料、高分子材料，具有较高的弹性和塑性。,形状记忆合金、智能材料、微型机械等,合金材料、陶瓷材料,航空航天、精密仪表等领域,航空航天、光电子精密仪器制造等领域,陶瓷材料,2,、热膨胀分析的应用,膨胀分析对研究钢在加热、等温、连续冷却和回火,过程中的转变非常有效。,确定钢的组织转变点,研究加热转变,小结,热膨胀系数,物理本质,与其他物理性能的关系,影响因素,测量方法,热膨胀的工程应用,思考题,1-3,试结合热膨胀机理分析，即使在相同的室温条件下，不同的固体材料也往往具有不同的热膨胀系数的原因。,1-4,试分析应如何选择陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数，可以使制品的力学强度得以提高,。,