第一章-材料的热学性能.ppt

材料的物理和性质，讲师：马电话子邮件：majf 0870 Office:503室，实验楼，2，GENERALCHARACTERSOFF MATERIALS，3，本书的主要内容，材料的主要性质：热学性质，力学性质，电学性质，磁学性质学习目的：了解材料的各种性质；学习一些材料特性的表征和测试方法；加深对材料结构和性能之间关系的理解。第一章材料的热性能，1.1热性能的物理基础热平衡动态平衡热平衡：当系统中没有隔热墙时，系统温度处处相等；当系统和环境之间没有隔热墙时，系统和环境的温度是相等的。当力平衡没有刚性壁时，没有不均匀的力。相位平衡不随时间变化。化学平衡物质的化学组成和数量不会随着时间而改变。热力学的相关定律和热力学第一定律能量守恒仅显示功和热转换之间的定量关系。热力学第二定律的方向性过程热力学第三定律定义了熵完美晶体的含义：完美晶体是指排列在晶格中的粒子(分子、原子或离子)排列整齐，没有缺陷或位错，是理想的单晶。玻璃状固体、固溶体和多晶不是。系统的自由能，定义：G=H-TS物理意义：等于t，p，除了体积变化所做的功外，系统能获得的最大贡献。如果发生不可逆过程，反应总是朝着吉布斯自由能减少的方向进行。麦克斯韦方程表明，当温度不变时，h随着体积的增加而增加。在低温下，TS项的贡献很小，所以吉布斯自由能主要取决于低温下的氢。因此，原子排列松散的结构的自由能大于原子排列密集的结构的自由能，也就是说，在低温下，原子排列密集的结构相比之下是一个稳定的相。相反，在高温下，总硫的贡献往往很大。此时，系统的吉布斯自由能主要取决于TS。因为松散排列结构的熵大于紧密排列结构的熵，所以在高温下，松散排列结构的自由能很小，并且相对于原子的紧密排列结构属于稳定相。1.1.4热性能的物理本质，热性能的物理本质晶格热振动牛顿第二定律简谐运动方程：温度动能频率，振幅热运动中每个粒子的动能之和就是物体的热量，即，1.2材料热容，热容：一定量的物质在一定条件下上升1度所需的热量是用来测量物质所含热量的物理量，用符号c表示，和摩尔热容：一摩尔物质的热容，用Cm表示，单位为Jmol-1K-1。比热容：一千克物质的热容量，用c表示，用Jkg-1K-1表示。定压热容量和定容热容量：定压热容量称为定压热容量，用符号Cp表示。定容热容称为定容热容，用符号CV表示。对于固体和液体，Cp和CV大致相等，但在要求较高的计算中不能忽略。对于理想气体，CP，MCV，m=r，其中r是理想气体常数，热容的经验定律和经典理论。1.杜隆-珀蒂定律：19世纪，杜隆-珀蒂将气体分子的热容理论直接应用于固体，从而提出了杜隆-珀蒂定律(元素的热容定律):元素在恒压下的原子热容为。事实上，大多数元素的原子热容量都接近这个值，尤其是在高温下。然而，轻元素的原子热容量应改为表中的值。科普定律：一种化合物的分子热容等于组成该化合物的元素的原子热容之和，即式中：化合物中元素1的原子序数和元素1的摩尔热容普朗克热容量子理论的基本观点：粒子的热振动是可变的，也就是说，动能不是一个固定值，但能量是量子化的。简化模型：爱因斯坦的量子热容模型德拜的比热模型，量子热容理论，1)爱因斯坦的热容模型：基本观点：爱因斯坦的量子热容理论认为晶体中原子的热振动受晶体晶格的束缚，并认为晶体中的每个原子或离子在其晶格点振动，每个原子的振动是相互独立的；每个原子都有相同的周围环境，所以起始振动频率是相同的。原子振动的能量是不连续的和量子化的。结论：高温下Cv=3R符合独龙汤配方。在低温下，Cv随温度的变化趋势与实验结果一致，但比实验更快地接近零。当T0K时，Cv也接近0，这与实验结果一致。想一想为什么：会导致低温下实验结果的偏差？热容量子理论，2)德拜比热模型的基本观点：晶体中的原子有相互作用，晶体近似是连续介质。由于对晶格热容量的主要贡献是弹性波的振动，即低温下长波长声分支的振动占主导地位。因为声波的波长比晶体的晶格常数长，所以晶体可以近似视为连续介质。因此，音频分支的振动也可视为近似连续的，最大频带为0至。高于max的不是音频分支，而是光学频率分支，它对热容量的贡献非常小，可以忽略不计。由分子密度和声速决定。结论：当温度较高时，即t d，Cv=3R，即杜隆-珀耳帖定律。当温度较低时，即T“d”，Cv与T3成比例，并在T0时趋于0。温度越低，与实验值越一致。它弥补了爱因斯坦量子热容模型的不足，但不能解释像超导这样复杂的问题(因为晶体不是连续体)。材料的热容量、一些陶瓷材料在不同温度下的热容量以及大多数氧化物和碳化物的热容量从低温下的低值增加到1273K时的大约3R，并且保持不变。材料1的热容量。无机材料的热容量无机材料的热容量与材料的结构关系不大。孔隙率几乎没有影响：多孔材料比耐热材料需要更少的热量，因为它们重量轻，热容量小。硅藻土和泡沫刚玉常用于加热炉。固体材料的热容量Cp与温度T之间的关系可以通过实验确定，也可以通过经验公式计算：Cp单位为4.18J/(kmol)。实验证明，固体在较高温度(高于573)下的摩尔热容大约等于组成化合物的元素的原子热容之和，其中ni是化合物中元素的原子序数，Ci是化合物中元素I的摩尔热容。在计算573以上的大多数氧化物和硅酸盐化合物的热容量时，获得了良好的结果。同样，对于多相复合材料，也有以下计算公式：gi是材料中I组分的质量百分比，Ci是材料中I组分的比热容。材料的热容量，2。金属和合金的热容量1)金属的热容量1区cv t区ii区cv T3区iii区CV3R对于金属来说，它们的载流子主要是声子和电子。在低温下，和是热容系数，由低温热容实验测量。一般来说，室温下晶格振动贡献的热容量比电子大得多。只有当温度极低或极高时，电子的热容量才能被忽略。对于过渡金属，由于S层、D层和F层中的电子都参与振动并贡献热容量，也就是说，过渡金属的电子热容量贡献很大，因此，过渡金属的定容热容量远大于简单金属的定容热容量。2)t的热容量说明：该规律的普遍热处理对合金在高温下的热容量没有明显影响；3)微观结构变化对热容的影响；对于一级相变，热容量突变；对于二阶相变，热容量是无限的；对于二阶相变，热容量也发生变化，但这是有限的；1.3材料的热膨胀；1.膨胀系数；1)概念：用于描述温度变化时材料膨胀或收缩程度的物理量。假设物体的原始长度为，温度升高后长度的增加为，实验公式如下：l为线性膨胀系数，即温度升高1K时物体的相对伸长。同样，物体体积随温度的增加可以用公式表示：V是体积膨胀系数，它相当于当温度增加1K时物体体积的相对增加。如果物体是一个立方体，并且有各向异性晶体，则每个晶轴方向的线膨胀系数是不同的，分别假设a、b和c，那么材料的热膨胀系数与热稳定性直接相关。通常，尺寸越小，材料的热稳定性越好。例如，Si3N4=2.710-6K-1在陶瓷材料中相对较低，因此热稳定性好。热膨胀的本质1)现象学解释：热膨胀的本质是晶格结构中粒子之间的平均距离随着温度的升高而增加。颗粒平衡位置r0: rr0两侧的坡度较小，重力随位移缓慢增加。因此，在一定温度下，平衡位置不是在ro，而是向右移动。如果温度高，偏移就大。导致宏观晶体膨胀。曲线，势能-原子距离曲线，热膨胀现象的解释，1.3材料的热膨胀，3。热膨胀与性能之间的关系1)热膨胀与结合能、熔点之间的关系：颗粒之间的结合力越强，热膨胀系数越小，熔点越高。金属和无机非金属材料的线膨胀系数小。聚合物材料更大。2)热膨胀与温度和热容量的关系。平衡位置随温度变化。粘合强度和热膨胀。温度T越低，正切越小，越小。相反，温度越高，越大。热膨胀系数与热容量密切相关，具有相似的规律。1.4材料的导热系数1 .导热系数的宏观定律傅立叶导热系数定律：当一块材料的温度不均匀或两个不同温度的物体相互接触时，热量会自动从高温区向低温区扩散。1.4材料的热导率，2固体中热导率的微观机制热导率主要是通过晶格振动晶格波(声子)和自由电子运动来实现的，:声子热导率，r:电子的热导率(光子)，除金属外，固体中很少有自由电子，特别是在离子键或共价键晶体中。声子和声子传导将声学晶格波视为弹性波，类似于声波在固体中传播。因此，声波的量子叫做声子。热传导是声子-粒子碰撞，热阻是声子-声子碰撞。固体热导率的通用公式(声子)(声子的速度与角频率无关):热容量c和平均自由程l是振动频率v的函数。热导率的大小主要取决于c和l光子的热导率，固体中分子、原子和电子的振动和旋转等运动状态的变化会辐射出频率更高的电磁波，频谱包括一定波长的热射线， 它的热传导模式类似于光在介质中传播的现象，也包括光的散射、衍射、吸收、反射和折射，所以它被称为光子传导。 热传导是声子-粒子碰撞，热阻是声子-声子碰撞。固体(光子)热导率公式b)有序固溶体：热导率提高，最大值对应于有序固溶体的组成。c)钢中的合金元素、杂质和微观结构都会影响其热导率。当奥氏体淬火马氏体回火马氏体T0时，0，棒材的拉应力，1.5材料的热稳定性，2)当温度梯度产生的热应力物体被迅速加热时，外表面温度高于内表面，外表面膨胀大于内表面，但相邻的内材料限制其自由膨胀，因此表面处于压应力下，而相邻的内材料处于拉应力下。类似地，当快速冷却(如淬火)时，表面处于拉伸应力下，相邻的内部材料处于压缩应力下。3)多相复合材料由于各向膨胀系数不同而产生的热应力，ABABAB，1.5材料的热稳定性，3。热冲击断裂阻力：1)第一热应力阻力系数R:最大热应力值max0时的曲线部分；(5)初始温度(Ti):当热效应发生时，曲线开始偏离基线的温度；(6)终止温度(Tf):曲线开始回到基线的温度；(7)峰值温度(TP):吸收峰和放热峰的峰值形状顶部的温度，即瞬时d(t)/dt=0；(8)峰高：指插值基线与峰顶之间的距离，如CF；(9)峰面积：指由峰形和插值基线围成的面积，如BCDB；(10)外推起点：指峰值最大初始裕度比切线与外推基线的交点，如图G所示，其对应的温度称为外推起点温度(TEO)；根据ICTA普通样品的测量结果，外推起始温度(Teo)最接近热力学平衡温度。差热曲线中的信息：峰的数量、位置、方向、高度、宽度和面积有一定的意义。可用于定量或定性分析。差热分析具有简单、快速、重复性差、分辨率低和热定量困难的特点。差示扫描量热法，添加物质和参考物质之间的能量差温度定义：一种在程序温度控制下测量传递给物质和参考物质的功率和温度差的技术。分类：根据使用的不同测量方法1。功率补偿DSC2。热流差示扫描量热法基本原理差热分析有两个缺点：1)当热效应产生时，样品的升温速率是非线性的，从而使校正系数K发生变化，难以量化；2)当样品产生热效应时，由于三个温度之间的巨大差异，参比物质与环境之间会发生热交换，从而降低热效应测量的灵敏度和准确度。这使得差热分析难以进行定量分析，只能进行定性或半定量分析。的基本原理，为了克服差热的缺点，差示扫描量热仪已经研制出来了。该方法能及时补偿样品产生的热效应，使样品与参比物质之间没有温差或热交换，样品的升温速度始终跟随炉温的线性升温，从而保证校正系数K的恒定值。测量的灵敏度和准确度都得到了很大提高。功率补偿差示扫描量热仪的主要特点如下：1 .样品和参考分别具有独立的加热器和传感器。整个仪器由两套控制电路监控。一组控制温度以预定速率升高样品和参考物质的温度，另一组补偿两者之间的温度差。2.不管样品产生的任何热效应，样品和参比都处于动态零平衡状态，即两者之间的温差T等于