1材料性能学(8)

1234,123,23,23,23,*,*,1234,123,23,23,23,*,*,1234,123,23,23,23,1234,123,23,23,23,*,*,1234,123,23,23,23,*,*,复 习,蠕变一般规律,：约比温度、蠕变三阶段,蠕变变形的三种机理,：,位错滑移、原子扩散、晶界滑动,蠕变断裂机理,：,晶间断裂、等强温度、断口特征,蠕变极限： 、,持久强度：,松弛稳定性：,sh,蠕变性能的影响因素,：,化学成分、组织结构、晶粒尺寸、外部因素,2024/9/22,1,第八章 材料的热学性能,河海大学机电工程学院,充分认识环境的作用，与优秀人士交往、向顶尖人士学习。,2,本章主要内容,介绍材料的热容、热膨胀和热传导机理、材料的热容、热膨胀和热传导性能的影响因素、材料的热容、热膨胀和热传导的测试方法以及在工程中的应用。,重点要掌握材料,热容,、,热膨胀,和,热传导,的测试和应用。,2024/9/22,3,热学性能的物理基础,晶格热振动,格波、弹性波,简谐振动方程,低频率,高频率,2024/9/22,4,第一节 热容,一、热容的基本概念,在没有相变，没有化学反应，没有对外热交换，物体温度升高,1K,所吸收的热量（,Q,）称做该物体的热容，单位为,J/K,，表示为：,C,T,=,Q,/,T,热容称为比热容或质量热容，单位,J/kgK,；摩尔热容，单位,J/molK,。,比热容是随温度而变化的，一般使用的是平均比热容，即,C,均,=,Q,/,m,(,T,2,-,T,1,),2024/9/22,5,平均比热容测量方便，但比较粗糙。,(,T,2,-,T,1,),范围越大，精度越差，超出范围，误差可能更大。,当,T,2,无限接近,T,1,时，为材料在,T,1,时的比热容：,恒压加热时，叫比定压热容，,C,p,表示；恒容加热时，叫比定容热容，,C,v,表示。表达式为：,式中：,Q,为热量，,E,为内能，,H,为焓。,2024/9/22,6,二、热容理论（固体材料、经验定律）,1,、杜隆,珀替定律（经典热容理论）,把气体分子热容理论用于晶体热容。原子在每一个振动自由度的平均动能和平均位能都是,(1/2),kT,，一个原子有,3,个振动自由度，平均动能和位能的总和是,3,kT,，,1mol,材料中有,N,A,个原子，则总能量为：,E =,3,N,A,kT =,3,RT,式中，,N,A,为阿佛加德罗常数，,T,为绝对温度，,k,为波尔茨曼常数，,R,为气体普适常数。,2024/9/22,7,1,mol,单原子固体物质的摩尔定容热容为：,对于双原子固体化合物，,1mol,物质中的原子数是,2,N,A,，则摩尔定容热容为,C,v.m,= 225 J/Kmol,三原子固态化合物的摩尔定容热容为,C,v.m,=325 J/Kmol,。,依次来推。（,柯普定律,）,化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。,2024/9/22,8,杜隆,珀替定律的特点,高温时，实验结果符合，低温时相差很大。,实际上材料的热容是随温度而变化的，定律没有反映热容与温度的关系。,热容随温度的变化只能用量子理论来解释。,2024/9/22,9,2,、爱因斯坦模型,爱因斯坦认为晶格中每个原子都在独立地振动，且振动频率都相同。引用量子化的概念，把原子振动看作谐振子，可以推导出热容与温度的关系式：,h,为普朗克常数；,i,为谐振子的振动频率,2024/9/22,10,爱因斯坦模型的优点：,C,v,，,m,与温度,T,有关。,T,趋于,0K,，,C,v,，,m,趋于,0,，与实验一致。,爱因斯坦模型的不足：,在低温时，,C,v,，,m,与温度,T,成指数关系，而实验结果是成,T,3,关系。,原因：原子振动有耦合作用,2024/9/22,11,3,、德拜理论,晶体中各原子间存在着斥力和吸力，这种力使原子的振动相互受到牵制，使相邻原子齐步协调地振动。,晶体是连续介质，原子振动谱为,0,max,（最大声频），高于,max,为光频范围，对热容的贡献很小，可以忽略不计。,2024/9/22,12,德拜理论导出的热容表达式：,式中：,D,4.810,11,max,为,德拜温度,；,为德拜比热函数，,x,=,h,/,kT,。,德拜理论导出的热容结论：,（,1,）,T,较高,D,，,C,v.m,3,R,，与杜隆,珀替定律一致,（,2,）当,T,很低时,D,，,C,v.m,与,T,3,关系，与实验结果非常相符。,德拜,T,立方定律,2024/9/22,13,德拜模型的不足：,在低温下与实际情况还不能完全相符；,德拜理论也解释不了超导现象；,产生差异的根源：,假设晶体是一个连续体；,除了晶格振动能外，电子运动能对热容也有贡献,在一般场合下，德拜理论的精度已经是足够了。,2024/9/22,14,三、热容的影响因素,1,、对固体材料，,热容与材料的构成形式关系不大,，如,CaO,和,SiO,2,1:1,的混合物与,CaSiO,3,(,硅石灰,),的热容,温度曲线基本相符。,2024/9/22,15,热容的影响因素,2,、一级相变（,-Fe,-Fe,）、二级相变（有序,无序）都影响热容。,在一级相变转变临界点,T,c,，热容发生突变。（,a,）,二级相变是在一个温度范围进行，热焓在相变区突然升高，热容也急剧增大。（,b,）,2024/9/22,16,热容的影响因素,3,、材料的,热容与温度有关,。,C,p,=,C,e,+,C,g,=,T,+,T,3,式中：,C,e,为电子热容；,C,g,为晶格热容；,和,是与材料热容有关的常数。,在温度较低时，电子热容较小，热容与温度成,T,3,的关系；当温度较高时，晶格热容很小，热容与温度呈线性关系。,2024/9/22,17,热容的影响因素,4,、,在较高温度下，固体热容具有加和性,，物质的摩尔热容等于构成该化合物各元素原子热容的总和,柯普定律,。,C,= ,n,i,C,i,式中：,n,i,、,C,i,为分别为化合物中元素,i,的原子数和摩尔热容。,该公式对于计算,573K,以上的大多数氧化物和硅酸盐化合物的热容具有较好的一致性。,把,n,i,作为组成相的质量分数，,C,i,作为组成相的热容，也可以计算,多相合金和复合材料,的热容。,2024/9/22,18,热容的影响因素：,材料构成形式关系不大；,一级相变、二级相变对材料热容的影响不同；,热容与温度有关；,高温下固体材料的热容具有加和性。,2024/9/22,19,四、热容的测量,1,、混合法,温度不同的物体混合，热量由高温物体传输给低温物体，最后达到一均匀的温度。如果外界没有参与热交换，则高温物体放出的热量应该等于低温物体所吸收的热量。,热平衡原理,2024/9/22,20,热容的测量,将质量为,m,、温度为,T,2,的物体投到量热器水中，量热器热容为,q,，水质量为,m,0,，比热容为,c,0,，量热器和水原来温度为,T,1,，达到热平衡后的温度为,T,3,。量热器与外界没有热交换：,2024/9/22,21,计算量热器热容,q,：,量热器和搅拌器用相同的材料，质量为,m,1,，比热容为,c,1,，温度计插入水中部分的体积为,V,，则：,q= m,1,c,1,+1.9V,1.9V,为温度计插入水中部分的热容，单位,J/K,。,混合法测量量热器热容,q,：,水的质量为,m,1,，量热器和水的温度为,T,1,，再加入质量为,m,2,、温度为,T,2,的水，搅拌均匀后的温度为,T,3,，则：,热容的测量,2024/9/22,22,2,、电热法,电加热产生的热量等于量热器、水及相关物体吸收的热量。,热容的测量,2024/9/22,23,2,、电热法,加热,秒后，物体和系统的温度从,T,1,升到,T,2,。热平衡公式为：,VI,= (mc+m,0,c,0,+ m,1,c,1,+q,1,+ q,2,) (T,2,-T,1,),转换可得：,式中：,I,为电流；,V,为电压；,m,、,c,为被测物体质量和比热容；,m,0,、,c,0,为量热器中水质量和比热容；,m,1,、,c,1,为量热器质量和比热容；,q,1,为量热器的热容；,q,2,温度计插入水中部分的热容。,热容的测量,2024/9/22,24,五、热容的应用,热分析：,根据材料在不同温度下发生热量、质量、体积等物理参数与材料组织结构之间的关系，分析研究材料的方法,根据材料热容的变化来推断材料的相变化。,温度曲线测定：测定材料在均衡加热或冷却条件下的加热或冷却曲线。,2024/9/22,25,热容的应用,差热分析,（,differential thermal ananlysis,，简称,DTA,）：将被测物体（试样）和参照物体（热惰性）在相同的条件下加热或冷却，测量试样与参照物体之间的温差（,T,）随温度（,T,）或时间（,t,）的关系。,2024/9/22,26,其他热分析方法：,差示扫描量热法（,DSC,）；,热重法（,TG,）；,2024/9/22,27,热分析的应用：,（,1,）建立合金状态图,（,2,）测定材料中发生的组织转变,相变、熔化、凝固、分解等,（,3,）用失重法可以分析含结晶水物质的脱水温度,2024/9/22,28,第二节 热膨胀,一、热膨胀系数,物体的伸长和温度存在以下关系：,式中：,L,1,、,L,2,分别代表,T,1,、,T,2,温度时物体的长度，,为物体在,T,1,T,2,温度区间的,平均线膨胀系数,，,不是一个常数，随温度而变化。一般是随温度升高而增大。,2024/9/22,29,2024/9/22,30,物体体积随温度的增长可表示为：,V,2,=V,1,1+ ,V,(T,2,-T,1,),设材料各向的线膨胀系数分别为：,a,、,b,、,c,，则得：,V,2,=L,a2,L,b2,L,c2,= L,a1,(1+ ,a,T)L,b1,(1+ ,b,T) L,c1,(1+ ,c,T),=V,1,(1+ ,a,T)(1+ ,b,T)(1+ ,c,T),忽略,二次方以上的项，得：,V,2,= V,1,1+ (,a,+,b,+,c,),T,对于各向同性的材料，,V,可以近似为,的,3,倍,。,V,2,=V,1,1+ ,V,(T,2,-T,1,)= V,1,1+ 3 T,2024/9/22,31,二、热膨胀的机理,晶格振动理论曾认为原子或离子等质点的振动：温度的升高只能增大振幅而不能改变其平衡位置，即质点间的距离不会因温度的变化而改变，即温度的改变不能改变物体的体积，亦即不会出现热膨胀。,2024/9/22,32,二、热膨胀的机理,晶格相邻质点间的作用力是,非线性的和非对称,的。,当,r,r,0,时，斥力随位移增大得很快；当,r,r,0,时，引力随位移的变化要慢一些。质点振动的中心,(,平均位置,),不在,r,0,，而是向右移。,随着温度的升高，质点的中心位置将沿,AB,变化。温度越高，质点间距离就越大，晶体的膨胀量就越大。,2024/9/22,33,热膨胀与其他性能的关系,热膨胀与热容的关系,热膨胀与结合能、熔点的关系,结合力越强，升高相同温度，质点振幅增加得越少，热膨胀系数也越小。,晶体热膨胀极限方程,2024/9/22,34,三、热膨胀系数的测定,（,1,）望远镜（放大镜）直读法：将试样在加热炉内按规定程序加热升温，用放大倍率大于,10,倍以上的望远镜直接读出试样的长度。,从室温至试验温度的线膨胀速率：,2024/9/22,35,（,2,）顶杆式间接法：将试样装在样管内，用顶杆将试样压住，顶杆与位移传感器或千分表连接。用精密温度控制仪器按规定的升温速率加热，并通过位移传感器或者千分表测量试样的线膨胀。,2024/9/22,36,（,3,）光杠杆法：将金属试样直立放在线膨胀测定仪的金属筒内，将光杠杆的后足置于金属试样的上端，二前足置于仪器的固定台上。,根据光杠杆原理可得试样的伸长量,：,2024/9/22,37,四、热膨胀的应用,双金属控温器,机械装配（过盈配合）,复合材料：,Al/,石墨纤维；,Al/70Si,；,Al/SiC,釉和陶瓷的膨胀系数。釉的膨胀系数比陶瓷要适当小一点，使陶瓷坯内产生一定的压应力。,不同材料组成的部件或系统，如铝合金齿轮箱，钢轴、铝箱体，易漏油；铸铁缸套,/,铝活塞，高温工作，配合间隙增大，运动过程中震动增加。,测定合金组织变化，利用相变产生体积变化现象，测定组织转变的开始和结束温度、转变率等。,2024/9/22,38,第三节 热传导,当固体材料的一端温度高于另一端时，热量就会自动地从高温端流向低温端。设热量的流动方向为,x,，垂直于,x,方向的截面积为,S,，则在,t,时间内沿,x,轴通过,S,截面的热量是：,式中：,dT/dx,为温度梯度；,为导热系数，单位为,W/(mK),或,J/(msK),；（,-,）号表示热量的传导方向与温度梯度（,dT/dx,）相反。,2024/9/22,39,一、热传导的微观机理,气体的传热主要是靠分子的相互碰撞来实现的，固体材料的质点不能像气体分子那样自由运动，不能靠质点间的直接碰撞来传递能量。,固体材料的导热方式：,自由电子的运动导热,晶格振动导热,光子辐射传热,2024/9/22,40,自由电子运动导热,高温度区域，原子和电子的能量高，但原子核和其大部分电子只能是在其平衡位置作振动，只有外层电子可以脱离原子核的束缚，成为自由电子，作较大范围的运动，把能量从高温区带到低温区。如果把自由电子设想成像气体一样在金属中自由运动，则得金属的电子导热率为：,e,=C,e,e,l,e,/3,式中：,C,e,为单位体积的电子热容；,e,为自由电子的平均运动速度；,l,e,为自由电子运动平均自由程。,e,为,自由电子运动导热率。,2024/9/22,41,晶格振动导热,原子振动不是完全自由的和独立的，相邻原子之间存在制约，原子振动能通过波的形式（称为格波）传输。物体各部位的温度不同，原子的振动能量就不等，那么这种原子振动引起的格波，将会使能量分布均匀化，即传热。这种能量的传输方式称为声子传热。,=C,l,/3,式中：,C,为单位体积的声子热容（晶格振动热容）；,为声子平均速度；,l,为声子运动平均自由程。,为,晶格振动导热或声子导热率。,2024/9/22,42,光子导热,固体材料除了自由电子和声子导热外，还有光子的导热。固体材料会辐射出频率较高的电磁波，其中波长在,0.440m,的可见光与部分红外线光称为热射线。热射线的传递称为热辐射，即光子的导热。,光子的导热率,为：,r,=16n,2,T,3,l,r,/3,式中：,为斯帝芬,-,波尔次曼常数；,n,为折射率；,T,为物体的温度；,l,r,为辐射线光子的平均自由程。,2024/9/22,43,材料的导热率为：,=,e,+,+,r,=,（,C,e,e,l,e,+C,l,+16n,2,T,3,l,r,）,/3,金属材料由于存在大量的自由电子，靠自由电子的运动能迅速地传递热能，,金属材料的导热主要靠自由电子的运动,，晶格的振动对其导热有一定的贡献，但起的作用较小。另外金属材料一般具有较高的导热率。一般金属材料的导热率为：,=,e,+,=,（,C,e,e,l,e,+C,l,）,/3,非金属材料，如一般离子晶体，晶格中的自由电子很少，,晶格振动是非金属材料的主要导热方式,。,2024/9/22,44,二、影响材料热传导性能的因素,1,、温度,：温度升高振动加剧，但阻力增加。,2,、晶体结构,：,结构越复杂，晶格振动的非谐性程度越大，格波散射愈大，声子平均自由程就越小，导热率就愈低,。,因晶格结构的方向性，导热率存在方向性。,3,、化学组成,：,溶质浓度增加，导热率降低,，如钢中合金元素含量越高，其导热率越低。当两合金组元形成连续互溶固溶体时，导热率在原子浓度,50%,处达到最低值。,4,、复相材料的导热率,2024/9/22,45,三、导热系数的应用,（,1,）保温材料。热工设备上应用到大量的保温材料，如多孔轻质耐火砖,（,2,）绝热发动机用材料,（,3,）导热材料。热交换器中的高导热系数材料。,（,4,）铸造生产中的冷铁,（,5,）航空航天中应用到的一些材料、核反应堆材料和电子信息材料等。,2024/9/22,46,作业,名词解释：杜隆,珀替定律，柯普定律，热容,叙述固体的三种导热方式。,叙述热膨胀的机理。,2024/9/22,47,四、热容的测量,1,、混合法,温度不同的物体混合，热量由高温物体传输给低温物体，最后达到一均匀的温度。如果外界没有参与热交换，则高温物体放出的热量应该等于低温物体所吸收的热量。,热平衡原理,2024/9/22,48,热容的测量,将质量为,m,、温度为,T,2,的物体投到量热器水中，量热器热容为,q,，水质量为,m,0,，比热容为,c,0,，量热器和水原来温度为,T,1,，达到热平衡后的温度为,T,3,。量热器与外界没有热交换：,2024/9/22,49,计算量热器热容,q,：,量热器和搅拌器用相同的材料，质量为,m,1,，比热容为,c,1,，温度计插入水中部分的体积为,V,，则：,q= m,1,c,1,+1.9V,1.9V,为温度计插入水中部分的热容，单位,J/K,。,混合法测量量热器热容,q,：,水的质量为,m,1,，量热器和水的温度为,T,1,，再加入质量为,m,2,、温度为,T,2,的水，搅拌均匀后的温度为,T,3,，则：,热容的测量,2024/9/22,50,2,、电热法,电加热产生的热量等于量热器、水及相关物体吸收的热量。,加热,秒后，物体和系统的温度从,T,1,升到,T,2,。热平衡公式为：,VI,=,（,mc+m,0,c,0,+ m,1,c,1,+q,1,+ q,2,）（,T,2,-T,1,）,转换可得：,式中：,I,为电流；,V,为电压；,m,、,c,为被测物体质量和比热容；,m,0,、,c,0,为量热器中水质量和比热容；,m,1,、,c,1,为量热器质量和比热容；,q,1,为量热器的热容；,q,2,温度计插入水中部分的热容。,热容的测量,2024/9/22,51,五、热容的应用,热分析：,根据材料热容的变化来推断材料的相变化。,温度曲线测定：测定材料在均衡加热或冷却条件下的加热或冷却曲线。,2024/9/22,52,热容的应用,差热分析（,differential thermal ananlysis,，简称,DTA,）：将被测物体（试样）和参照物体在相同的条件下加热或冷却，测量试样与参照物体之间的温差（,T,）随温度（,T,）或时间（,t,）的关系。,2024/9/22,53,热分析的应用：,（,1,）建立合金状态图,（,2,）测定材料中发生的组织转变,（,3,）用失重法可以分析含结晶水物质的脱水温度。,2024/9/22,54,第二节 热膨胀,一、热膨胀系数,物体的伸长和温度存在以下关系：,式中：,L,1,、,L,2,分别代表,T,1,、,T,2,温度时物体的长度，,为物体在,T,1,T,2,温度区间的平均线膨胀系数，,不是一个常数，随温度而变化。一般是随温度升高而加大。,2024/9/22,55,物体体积随温度的增长可表示为：,V,2,=V,1,1+ ,V,(T,2,-T,1,),设材料各向的线膨胀系数分别为：,a,、,b,、,c,，则得：,V,2,=L,a2,L,b2,L,c2,= L,a1,（,1+ ,a,T,）,L,b1,（,1+ ,b,T,）,L,c1,（,1+ ,c,T,）,=V,1,（,1+ ,a,T,）（,1+ ,b,T,）（,1+ ,c,T,）,忽略,二次方以上的项，得：,V,2,= V,1,1+,（,a,+,b,+,c,）,T,对于各向同性的材料，,V,可以近似为,的,3,倍。,V,2,=V,1,1+ ,V,(T,2,-T,1,)= V,1,1+ 3 T,2024/9/22,56,二、热膨胀的机理,晶格振动理论曾认为原子或离子等质点的振动：温度的升高只能增大振幅而不能改变其平衡位置，即质点间的距离不会因温度的变化而改变，即温度的改变不能改变物体的体积，亦即不会出现热膨胀。,2024/9/22,57,二、热膨胀的机理,晶格相邻质点间的作用力是非线性的和非对称的。,当,r,r,0,时，斥力随位移增大得很快；当,r,r,0,时，引力随位移的变化要慢一些。质点振动的中心不在,r,0,，而是向右移。,随着温度的升高，质点的中心位置将沿,AB,变化。温度越高，质点间距离就越大，晶体的膨胀量就越大。,2024/9/22,58,热膨胀与其他性能的关系,热膨胀与热容的关系,热膨胀与结合能、熔点的关系,结合力越强，升高相同温度，质点振幅增加得越少，热膨胀系数也越小。,2024/9/22,59,三、热膨胀系数的测定,（,1,）望远镜（放大镜）直读法：将试样在加热炉内按规定程序加热升温，用放大倍率大于,10,倍以上的望远镜直接读出试样的长度。,从室温至试验温度的线膨胀速率：,2024/9/22,60,（,2,）顶杆式间接法：将试样装在样管内，用顶杆将试样压住，顶杆与位移传感器或千分表连接。用精密温度控制仪器按规定的升温速率加热，并通过位移传感器或者千分表测量试样的线膨胀。,2024/9/22,61,（,3,）光杠杆法：将金属试样直立放在线膨胀测定仪的金属筒内，将光杠杆的后足置于金属试样的上端，二前足置于仪器的固定台上。,根据光杠杆原理可得试样的伸长量,：,2024/9/22,62,四、热膨胀的应用,双金属控温器,机械装配（过盈配合）,复合材料：,Al/,石墨纤维；,Al/70Si,；,Al/SiC,釉和陶瓷的膨胀系数。釉的膨胀系数比陶瓷要适当小一点，使陶瓷坯内产生一定的压应力。,不同材料组成的部件或系统，如铝合金齿轮箱，钢轴、铝箱体，易漏油；铸铁缸套,/,铝活塞，高温工作，配合间隙增大，运动过程中震动增加。,测定合金组织变化，利用相变产生体积变化现象，测定组织转变的开始和结束温度、转变率等。,2024/9/22,63,第三节 热传导,当固体材料的一端温度高于另一端时，热量就会自动地从高温端流向低温端。设热量的流动方向为,x,，垂直于,x,方向的截面积为,S,，则在,t,时间内沿,x,轴通过,S,截面的热量是：,式中：,dT/dx,为温度梯度；,为导热系数，单位为,W/(mK),或,J/(msK),；（,-,）号表示热量的传导方向与温度梯度（,dT/dx,）相反。,2024/9/22,64,一、热传导的微观机理,气体的传热主要是靠分子的相互碰撞来实现的，固体材料的质点不能像气体分子那样自由运动，不能靠质点间的直接碰撞来传递能量。,固体材料的导热方式：,自由电子的运动导热,晶格振动导热,光子辐射传热,2024/9/22,65,自由电子运动导热,高温度区域，原子和电子的能量高，但原子核和其大部分电子只能是在其平衡位置作振动，只有外层电子可以脱离原子核的束缚，成为自由电子，作较大范围的运动，把能量从高温区带到低温区。如果把自由电子设想成像气体一样在金属中自由运动，则得金属的电子导热率为：,e,=C,e,e,l,e,/3,式中：,C,e,为单位体积的电子热容；,e,为自由电子的平均运动速度；,l,e,为自由电子运动平均自由程。,e,为,自由电子运动导热率。,2024/9/22,66,晶格振动导热,原子振动不是完全自由的和独立的，相邻原子之间存在制约，原子振动能通过波的形式（称为格波）传输。物体各部位的温度不同，原子的振动能量就不等，那么这种原子振动引起的格波，将会使能量分布均匀化，即传热。这种能量的传输方式称为声子传热。,=C,l,/3,式中：,C,为单位体积的声子热容（晶格振动热容）；,为声子平均速度；,l,为声子运动平均自由程。,为,晶格振动导热或声子导热率。,2024/9/22,67,光子导热,固体材料除了自由电子和声子导热外，还有光子的导热。固体材料会辐射出频率较高的电磁波，其中波长在,0.440m,的可见光与部分红外线光称为热射线。热射线的传递称为热辐射，即光子的导热。,光子的导热率,为：,r,=16n,2,T,3,l,r,/3,式中：,为斯帝芬,-,波尔次曼常数；,n,为折射率；,T,为物体的温度；,l,r,为辐射线光子的平均自由程。,2024/9/22,68,材料的导热率为：,=,e,+,+,r,=,（,C,e,e,l,e,+C,l,+16n,2,T,3,l,r,）,/3,金属材料由于存在大量的自由电子，靠自由电子的运动能迅速地传递热能，,金属材料的导热主要靠自由电子的运动,，晶格的振动对其导热有一定的贡献，但起的作用较小。另外金属材料一般具有较高的导热率。一般金属材料的导热率为：,=,e,+,=,（,C,e,e,l,e,+C,l,）,/3,非金属材料，如一般离子晶体，晶格中的自由电子很少，,晶格振动是非金属材料的主要导热方式,。,2024/9/22,69,二、影响材料热传导性能的因素,1,、温度,：温度升高振动加剧，但阻力增加。,2,、晶体结构,：,结构越复杂，晶格振动的非谐性程度越大，格波散射愈大，声子平均自由程就越小，导热率就愈低,。,因晶格结构的方向性，导热率存在方向性。,3,、化学组成,：,溶质浓度增加，导热率降低,，如钢中合金元素含量越高，其导热率越低。当两合金组元形成连续互溶固溶体时，导热率在原子浓度,50%,处达到最低值。,4,、复相材料的导热率,2024/9/22,70,三、导热系数的应用,（,1,）保温材料。热工设备上应用到大量的保温材料，如多孔轻质耐火砖,（,2,）绝热发动机用材料,（,3,）导热材料。热交换器中的高导热系数材料。,（,4,）铸造生产中的冷铁,（,5,）航空航天中应用到的一些材料、核反应堆材料和电子信息材料等。,2024/9/22,71,作业,名词解释：杜隆,珀替定律，柯普定律，热容,叙述固体的三种导热方式。,叙述热膨胀的机理。,2024/9/22,72,四、热容的测量,1,、混合法,温度不同的物体混合，热量由高温物体传输给低温物体，最后达到一均匀的温度。如果外界没有参与热交换，则高温物体放出的热量应该等于低温物体所吸收的热量。,热平衡原理,2024/9/22,73,热容的测量,将质量为,m,、温度为,T,2,的物体投到量热器水中，量热器热容为,q,，水质量为,m,0,，比热容为,c,0,，量热器和水原来温度为,T,1,，达到热平衡后的温度为,T,3,。量热器与外界没有热交换：,2024/9/22,74,计算量热器热容,q,：,量热器和搅拌器用相同的材料，质量为,m,1,，比热容为,c,1,，温度计插入水中部分的体积为,V,，则：,q= m,1,c,1,+1.9V,1.9V,为温度计插入水中部分的热容，单位,J/K,。,混合法测量量热器热容,q,：,水的质量为,m,1,，量热器和水的温度为,T,1,，再加入质量为,m,2,、温度为,T,2,的水，搅拌均匀后的温度为,T,3,，则：,热容的测量,2024/9/22,75,2,、电热法,电加热产生的热量等于量热器、水及相关物体吸收的热量。,加热,秒后，物体和系统的温度从,T,1,升到,T,2,。热平衡公式为：,VI,=,（,mc+m,0,c,0,+ m,1,c,1,+q,1,+ q,2,）（,T,2,-T,1,）,转换可得：,式中：,I,为电流；,V,为电压；,m,、,c,为被测物体质量和比热容；,m,0,、,c,0,为量热器中水质量和比热容；,m,1,、,c,1,为量热器质量和比热容；,q,1,为量热器的热容；,q,2,温度计插入水中部分的热容。,热容的测量,2024/9/22,76,五、热容的应用,热分析：,根据材料热容的变化来推断材料的相变化。,温度曲线测定：测定材料在均衡加热或冷却条件下的加热或冷却曲线。,2024/9/22,77,热容的应用,差热分析（,differential thermal ananlysis,，简称,DTA,）：将被测物体（试样）和参照物体在相同的条件下加热或冷却，测量试样与参照物体之间的温差（,T,）随温度（,T,）或时间（,t,）的关系。,2024/9/22,78,热分析的应用：,（,1,）建立合金状态图,（,2,）测定材料中发生的组织转变,（,3,）用失重法可以分析含结晶水物质的脱水温度。,2024/9/22,79,第二节 热膨胀,一、热膨胀系数,物体的伸长和温度存在以下关系：,式中：,L,1,、,L,2,分别代表,T,1,、,T,2,温度时物体的长度，,为物体在,T,1,T,2,温度区间的平均线膨胀系数，,不是一个常数，随温度而变化。一般是随温度升高而加大。,2024/9/22,80,物体体积随温度的增长可表示为：,V,2,=V,1,1+ ,V,(T,2,-T,1,),设材料各向的线膨胀系数分别为：,a,、,b,、,c,，则得：,V,2,=L,a2,L,b2,L,c2,= L,a1,（,1+ ,a,T,）,L,b1,（,1+ ,b,T,）,L,c1,（,1+ ,c,T,）,=V,1,（,1+ ,a,T,）（,1+ ,b,T,）（,1+ ,c,T,）,忽略,二次方以上的项，得：,V,2,= V,1,1+,（,a,+,b,+,c,）,T,对于各向同性的材料，,V,可以近似为,的,3,倍。,V,2,=V,1,1+ ,V,(T,2,-T,1,)= V,1,1+ 3 T,2024/9/22,81,二、热膨胀的机理,晶格振动理论曾认为原子或离子等质点的振动：温度的升高只能增大振幅而不能改变其平衡位置，即质点间的距离不会因温度的变化而改变，即温度的改变不能改变物体的体积，亦即不会出现热膨胀。,2024/9/22,82,二、热膨胀的机理,晶格相邻质点间的作用力是非线性的和非对称的。,当,r,r,0,时，斥力随位移增大得很快；当,r,r,0,时，引力随位移的变化要慢一些。质点振动的中心不在,r,0,，而是向右移。,随着温度的升高，质点的中心位置将沿,AB,变化。温度越高，质点间距离就越大，晶体的膨胀量就越大。,2024/9/22,83,热膨胀与其他性能的关系,热膨胀与热容的关系,热膨胀与结合能、熔点的关系,结合力越强，升高相同温度，质点振幅增加得越少，热膨胀系数也越小。,2024/9/22,84,三、热膨胀系数的测定,（,1,）望远镜（放大镜）直读法：将试样在加热炉内按规定程序加热升温，用放大倍率大于,10,倍以上的望远镜直接读出试样的长度。,从室温至试验温度的线膨胀速率：,2024/9/22,85,（,2,）顶杆式间接法：将试样装在样管内，用顶杆将试样压住，顶杆与位移传感器或千分表连接。用精密温度控制仪器按规定的升温速率加热，并通过位移传感器或者千分表测量试样的线膨胀。,2024/9/22,86,（,3,）光杠杆法：将金属试样直立放在线膨胀测定仪的金属筒内，将光杠杆的后足置于金属试样的上端，二前足置于仪器的固定台上。,根据光杠杆原理可得试样的伸长量,：,2024/9/22,87,四、热膨胀的应用,双金属控温器,机械装配（过盈配合）,复合材料：,Al/,石墨纤维；,Al/70Si,；,Al/SiC,釉和陶瓷的膨胀系数。釉的膨胀系数比陶瓷要适当小一点，使陶瓷坯内产生一定的压应力。,不同材料组成的部件或系统，如铝合金齿轮箱，钢轴、铝箱体，易漏油；铸铁缸套,/,铝活塞，高温工作，配合间隙增大，运动过程中震动增加。,测定合金组织变化，利用相变产生体积变化现象，测定组织转变的开始和结束温度、转变率等。,2024/9/22,88,第三节 热传导,当固体材料的一端温度高于另一端时，热量就会自动地从高温端流向低温端。设热量的流动方向为,x,，垂直于,x,方向的截面积为,S,，则在,t,时间内沿,x,轴通过,S,截面的热量是：,式中：,dT/dx,为温度梯度；,为导热系数，单位为,W/(mK),或,J/(msK),；（,-,）号表示热量的传导方向与温度梯度（,dT/dx,）相反。,2024/9/22,89,一、热传导的微观机理,气体的传热主要是靠分子的相互碰撞来实现的，固体材料的质点不能像气体分子那样自由运动，不能靠质点间的直接碰撞来传递能量。,固体材料的导热方式：,自由电子的运动导热,晶格振动导热,光子辐射传热,2024/9/22,90,自由电子运动导热,高温度区域，原子和电子的能量高，但原子核和其大部分电子只能是在其平衡位置作振动，只有外层电子可以脱离原子核的束缚，成为自由电子，作较大范围的运动，把能量从高温区带到低温区。如果把自由电子设想成像气体一样在金属中自由运动，则得金属的电子导热率为：,e,=C,e,e,l,e,/3,式中：,C,e,为单位体积的电子热容；,e,为自由电子的平均运动速度；,l,e,为自由电子运动平均自由程。,e,为,自由电子运动导热率。,2024/9/22,91,晶格振动导热,原子振动不是完全自由的和独立的，相邻原子之间存在制约，原子振动能通过波的形式（称为格波）传输。物体各部位的温度不同，原子的振动能量就不等，那么这种原子振动引起的格波，将会使能量分布均匀化，即传热。这种能量的传输方式称为声子传热。,=C,l,/3,式中：,C,为单位体积的声子热容（晶格振动热容）；,为声子平均速度；,l,为声子运动平均自由程。,为,晶格振动导热或声子导热率。,2024/9/22,92,光子导热,固体材料除了自由电子和声子导热外，还有光子的导热。固体材料会辐射出频率较高的电磁波，其中波长在,0.440m,的可见光与部分红外线光称为热射线。热射线的传递称为热辐射，即光子的导热。,光子的导热率,为：,r,=16n,2,T,3,l,r,/3,式中：,为斯帝芬,-,波尔次曼常数；,n,为折射率；,T,为物体的温度；,l,r,为辐射线光子的平均自由程。,2024/9/22,93,材料的导热率为：,=,e,+,+,r,=,（,C,e,e,l,e,+C,l,+16n,2,T,3,l,r,）,/3,金属材料由于存在大量的自由电子，靠自由电子的运动能迅速地传递热能，,金属材料的导热主要靠自由电子的运动,，晶格的振动对其导热有一定的贡献，但起的作用较小。另外金属材料一般具有较高的导热率。一般金属材料的导热率为：,=,e,+,=,（,C,e,e,l,e,+C,l,）,/3,非金属材料，如一般离子晶体，晶格中的自由电子很少，,晶格振动是非金属材料的主要导热方式,。,2024/9/22,94,二、影响材料热传导性能的因素,1,、温度,：温度升高振动加剧，但阻力增加。,2,、晶体结构,：,结构越复杂，晶格振动的非谐性程度越大，格波散射愈大，声子平均自由程就越小，导热率就愈低,。,因晶格结构的方向性，导热率存在方向性。,3,、化学组成,：,溶质浓度增加，导热率降低,，如钢中合金元素含量越高，其导热率越低。当两合金组元形成连续互溶固溶体时，导热率在原子浓度,50%,处达到最低值。,4,、复相材料的导热率,2024/9/22,95,三、导热系数的应用,（,1,）保温材料。热工设备上应用到大量的保温材料，如多孔轻质耐火砖,（,2,）绝热发动机用材料,（,3,）导热材料。热交换器中的高导热系数材料。,（,4,）铸造生产中的冷铁,（,5,）航空航天中应用到的一些材料、核反应堆材料和电子信息材料等。,2024/9/22,96,作业,名词解释：杜隆,珀替定律，柯普定律，热容,叙述固体的三种导热方式。,叙述热膨胀的机理。,2024/9/22,97,