材料物理性能-热1

1、材料物理性能材料物理性能主讲教师：朱鼎主讲教师：朱鼎电子邮件：电子邮件：zd-办公地址：办公地址：5号楼号楼329室室考核方式考核方式 本课程采用笔试方式考核。课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考试成绩两部分构成，平时成绩中实验成绩占10%，出勤、作业、课堂测验、学习主动性等占20%。课堂三定律课堂三定律 第一定律，手机不能响 第二定律，后排不能坐 第三定律，作业不能抄参考教材参考教材 材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，材料物理性能，田莳编著，北京航空航天大学出版社，20042004年。年。 材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工业大学出版社，材料物理性能，邱成军主编，哈尔滨工

2、业大学出版社，20072007年。年。 材料物理性能，郑冀等编著，天津大学出版社，材料物理性能，郑冀等编著，天津大学出版社，20082008年。年。 材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，材料的性能，赵新兵等著，高等教育出版社，20062006年。年。 材料（材料（material）：材料是人类用于制造物品、器件、构）：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。件、机器或其他产品的那些物质。 20世纪世纪70年：信息、材料和能源年：信息、材料和能源 （文明的三大支柱）（文明的三大支柱） 80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信年代以高技术群为代表的新技术革命，

3、又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。 分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料 结构材料与功能材料结构材料与功能材料第第1章章 绪论绪论 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。的参量。 材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。外界条材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。多数的性能都有件不同，相同的材料也会有不同的性能。多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究，常

4、采用不同的标准来量纲。为了便于学习、测试和研究，常采用不同的标准来划分性能划分性能 第第1章章 绪论绪论 物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗物理性能：电，介电，热，光，磁，弹性和内耗 力学性能：强度力学性能：强度 耐压耐压 抗折抗折 韧性韧性 刚性刚性 化学性能：抗氧化性能化学性能：抗氧化性能 耐腐蚀性能耐腐蚀性能 抗酸、抗碱抗酸、抗碱 工艺性能：可塑性、流动性等工艺性能：可塑性、流动性等 使用性能：耐磨性等使用性能：耐磨性等 第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论意义：意义： 1. 制造和发展功能材料的基础制造和发展功能材料的基础 2. 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极

5、为重要的。对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。（航天飞机，热障涂层）（航天飞机，热障涂层） 3. 利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的研究方法。研究方法。 4. 非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织），组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）， 研究与组研究与组织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导 5. 为确定产品的可靠性分析模型提供必要的

6、物理性能为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能用途和应用领域 微处理器的盖和散热微处理器的盖和散热片：片： 第第2章章 材料的热性能材料的热性能2.1 材料的热容材料的热容2.2 材料的热膨胀材料的热膨胀2.3 材料的热传导材料的热传导2.4 材料的热电效应材料的热电效应2.1 材料的热容1.固体热容理论简介固体热容理论简介 热容（热容（Heat capacity）：）：一定量的物质在一定条件下温度升高一定量的物质在一定条件下温度升高1K所需要所需要 的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号的热，是用以衡量物质所包含的热量的物理量，用符号C 表示，单位表示，单位是是JK-1。 定

7、压热容和定容热容：定压热容和定容热容： 等压条件下的热容称定压热容，用符号等压条件下的热容称定压热容，用符号Cp表示；表示； 等容条件下的热容称定容热容，用符号等容条件下的热容称定容热容，用符号CV表示。表示。 比热容：比热容： 1千克物质的热容，用千克物质的热容，用c表示，单位是表示，单位是Jkg-1K-1。 摩尔热容：摩尔热容： 1摩尔物质的热容，用摩尔物质的热容，用Cm表示，单位是表示，单位是Jmol-1K-1。对于固体和液体来说，对于固体和液体来说，Cp和和CV近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。近似相等，但是在要求较高的计算中不能忽略。对于理想气体来说，对于理想气体来说，Cp,

8、m CV,m = R，其中，其中R是理想气体常数是理想气体常数 2.1 材料的热容1.固体热容理论简介固体热容理论简介 1)杜隆杜隆-珀替定律：珀替定律： 气体分子气体分子的热容理论用于的热容理论用于固体固体，用经典的统计力学处理，晶体有，用经典的统计力学处理，晶体有N个原子，总的平均级能量个原子，总的平均级能量3NkBT, N=NA, 摩尔热容为：摩尔热容为： 热容是一个热容是一个固定不变固定不变的与的与温度无关温度无关的物理量，只用于除的物理量，只用于除Si, C, B以外的一部分以外的一部分单原子金属单原子金属。11,3324.91V mABVUCN kRJ molKT2.1 材料的热容

9、 2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型： 前提：晶格中每个分子前提：晶格中每个分子独立地振动独立地振动，振动的频率为，振动的频率为v, 把原子的振动视为谐振子，谐振子具有把原子的振动视为谐振子，谐振子具有0点能，点能，谐振子的谐振子的能量为能量为： En为频率为为频率为v的谐振子振动能，的谐振子振动能，n为声子量子数，取为声子量子数，取 0，1，2，3 具有能量为具有能量为En的谐振子数目为：的谐振子数目为：12nEnexp()exp()EnnkTkT2.1 材料的热容 2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型： 温度为温度为T，振动频率为，振动频率为v的谐振子平均能量为的谐振子平均能量为：

10、一摩尔晶体有一摩尔晶体有NA个原子个原子，每个原子有每个原子有3个自由度，共有个自由度，共有3 NA 个自由度，每个自个自由度，每个自由度相当于有一个谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：由度相当于有一个谐振子在振动：晶体振动的平均能量为：00expexpexp1nnkTnkTkT33exp1AAENNkT2.1 材料的热容 2)爱因斯坦热容模型：爱因斯坦热容模型： 由等容热容定义得：由等容热容定义得： 讨论：讨论：（1） 晶体处于较高温度时，晶体处于较高温度时，kThv, hv/kTkT，则有：，则有： 实验表明：在低温时，热容和实验表明：在低温时，热容和T3成正比，上式比实验值更快的趋于成正

11、比，上式比实验值更快的趋于0.2,2exp33/exp1V mAEEVEkTCN kRfTTkTkT 2,3expEEV mACN kTT2.1 材料的热容 3) 德拜热容模型：德拜热容模型： 模型：晶体中各原子模型：晶体中各原子间存在弹性斥力和引力，间存在弹性斥力和引力，这种力使原子的热振动相这种力使原子的热振动相互受牵连和制约，相邻原互受牵连和制约，相邻原子间协调齐步地振动。子间协调齐步地振动。 2.1 材料的热容 3) 德拜热容模型：德拜热容模型： 2,2exp3exp1V mAVEkTCN kTkTkT 2,20exp( )exp1mV mVEkTCkdTkTkT ( ) 为频率态密度

12、为频率态密度2.1 材料的热容 3) 德拜热容模型：德拜热容模型：33,033 12()exp1exp() 1DDTV mDDTdTCRT式中，式中， 为德拜特征温度，为德拜特征温度，DmDkkT 当DTV,3mCRDT43V,12()5mDTCR当2.1 材料的热容2.金属和合金的热容金属和合金的热容 1） 金属的热容金属的热容 区区 CmT 区区 CmT3 区区 Cm3R 对于金属：其载流子主要是声对于金属：其载流子主要是声子和电子。低温时有：子和电子。低温时有：BTATCCCemAmm32.1 材料的热容 2） 德拜温度德拜温度 是反映固体的许多特性的重要标志。是反映固体的许多特性的重要

13、标志。 在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值，在熔点时，原子振幅达到使晶格破坏的数值， 和熔点和熔点Ts有：有： 122/32.8 10smTAV林德曼公式林德曼公式2/3137sDTAVA:相对原子质量，相对原子质量，V:原子体积，原子体积，Ts熔点熔点物理意义：反映原子结合力物理量，物理意义：反映原子结合力物理量， 越高，其结合力越大越高，其结合力越大Dm2.1 材料的热容 3） 合金的热容合金的热容 对于金属间化合物：近似有：对于金属间化合物：近似有： C=pC1+qC2 Neumann-Kopp p, q为化合物中分子各组成原子的百分数。为化合物中分子各组成原子的百分数。 对于多相混

14、合组织，固溶体或化合物也有相同的规律：对于多相混合组织，固溶体或化合物也有相同的规律： Ca为组元为组元B在固溶体中的原子浓度在固溶体中的原子浓度ApaBpaABpCCCCC)1 ( 改变合金组织的热处理实际上不影响高温下的热容。改变合金组织的热处理实际上不影响高温下的热容。低温下奈曼低温下奈曼-柯普定律不再适用。柯普定律不再适用。2.1 材料的热容3.无机材料的热容无机材料的热容 气孔率的影响：气孔率的影响：多孔材料因质多孔材料因质量轻，热容小，所需的热量要量轻，热容小，所需的热量要小于耐热材料。加热窑多用硅小于耐热材料。加热窑多用硅藻土，泡沫刚玉等。藻土，泡沫刚玉等。 在较高温度下，固体的

15、摩尔热在较高温度下，固体的摩尔热容等于构成化合物各元素原子容等于构成化合物各元素原子热容的总和热容的总和对于复相：对于复相：2.1 材料的热容4.相变对热容的影响相变对热容的影响 对于一级相变：对于一级相变：在相变点，在相变点，热容发生突变，热容为无限热容发生突变，热容为无限大，有体积效应及热效应大，有体积效应及热效应 对于二级相变：对于二级相变：比热也有变比热也有变化，但为有限值，无体积效化，但为有限值，无体积效应及热效应应及热效应2.2 材料的热膨胀1.热膨胀本质热膨胀本质 1）唯象解释：）唯象解释：热膨胀的本质为点阵结构中的质热膨胀的本质为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。点

16、间平均距离随温度的升高而增大。 在质点平衡位置在质点平衡位置r0两侧：两侧： rr0 斜率小，引力随位移增加慢。斜率小，引力随位移增加慢。 因此，在一定温度下，平衡位置不在因此，在一定温度下，平衡位置不在ro处，而处，而是向右偏移，温度高，则偏移大；导致宏观上是向右偏移，温度高，则偏移大；导致宏观上晶体膨胀。晶体膨胀。2.2 材料的热膨胀2）两原子模型：）两原子模型： 由于热运动，两个原子运动由于热运动，两个原子运动以一个为参照物，另一个偏离平以一个为参照物，另一个偏离平衡位置衡位置x, r=r0+x U=U(r)= U(r)=U(r0)+cx2-gx3根据玻尔兹曼分布：可以算出2.2 材料的

17、热膨胀2. 膨胀系数膨胀系数 1）概念：）概念：用来描述温度变化时材料发生膨胀或用来描述温度变化时材料发生膨胀或收缩程度的物理量为收缩程度的物理量为al 平均线膨胀系数：平均线膨胀系数： 平均体膨胀系数：平均体膨胀系数： 对于立方晶系：对于立方晶系：2.2 材料的热膨胀例：一个篮球场，篮球框由一个金属支承系统挂于天花板上，例：一个篮球场，篮球框由一个金属支承系统挂于天花板上，21度下篮框高出地板度下篮框高出地板3.048m, 自地板起，天花板高自地板起，天花板高15.25m, 在一场比赛中，温度可升高在一场比赛中，温度可升高15度，设悬持系统的热学性质度，设悬持系统的热学性质可用单根缆绳模拟。

18、用铝和钨哪一种制造该系统？（可用单根缆绳模拟。用铝和钨哪一种制造该系统？（aAl: 2510-6 , W:4.5 10-6 ) 2.2 材料的热膨胀2）膨胀系数与其它物理量的关系：）膨胀系数与其它物理量的关系： a) 体膨胀系数与热容存在关系：体膨胀系数与热容存在关系： b) 膨胀系数与金属熔点关系：膨胀系数与金属熔点关系： c) 膨胀系数和德拜特征温度：膨胀系数和德拜特征温度： d) 硬度硬度2.2 材料的热膨胀3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素： a) 合金成分和相变合金成分和相变 组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀有明显影响，如合金形成组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀

19、有明显影响，如合金形成均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律）均一的单相固溶体，则符合相加律。（混合定律） 相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变）相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变） 二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。 2.2 材料的热膨胀3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素： b) 晶体缺陷：晶体缺陷： 由空位引起的晶体附加体积变化：由空位引起的晶体附加体积变化： 由辐照空位而增加的体积为：由辐照空位而增加的体积为： c) 晶体和各向异性：晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数弹

20、性模量较高的方向将有较小的膨胀系数2.2 材料的热膨胀3）影响热膨胀系的因素：）影响热膨胀系的因素： d) 铁磁性合金的铁磁转变铁磁性合金的铁磁转变 出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。 e) 加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。2.2 材料的热膨胀可伐合金，英文：可伐合金，英文：KOVAR Fe-Ni(29%wt)-Co(17%wt)因瓦合金，英文：因瓦合金，英文：INVAR Fe-Ni(36%wt)2.3 材料的导热性1.热传导宏观规律和微观机制热传导宏观规律和微观机制 1）傅里叶定律）

21、傅里叶定律 热传导：热传导：一块材料温度不均匀或两个温度一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体相互接触，热量便会自动的从高不同的物体相互接触，热量便会自动的从高温度区向低温度区传播。温度区向低温度区传播。 kgradTdxdTkqq:热流密度热流密度 ； k：热导率（导热系数）：热导率（导热系数） W/(mk)单位面积上的热量正比于温度单位面积上的热量正比于温度梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。xTkAtQ12.3 材料的导热性 2）热扩散率（导温系数）和热阻）热扩散率（导温系数）和热阻 对于材料各点温度随时间变化时，温度是对于材料各点

22、温度随时间变化时，温度是x和和t的函数，当不与的函数，当不与外界交换热量时有：外界交换热量时有： 22XTcktTp令令 a：热扩散率（导温系数）：热扩散率（导温系数）物理意义：标志物理意义：标志温度变化的速度温度变化的速度，将热量传导变化与温度变化联系在一起。，将热量传导变化与温度变化联系在一起。在相同加热条件下，在相同加热条件下，a愈大，物体各处温差小。愈大，物体各处温差小。热阻：热量传递受到的阻力热阻：热量传递受到的阻力pckTR 例：判断铝合金和中碳钢哪例：判断铝合金和中碳钢哪 个具有更高的淬火速度？个具有更高的淬火速度？2.3 材料的导热性 2）导热的微观机制）导热的微观机制 固体中

23、的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运固体中的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运动来实现：动来实现： kph:声子热导率，声子热导率，ke：电子的热导率：电子的热导率除金属外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。除金属外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。ephkkk2.3 材料的导热性2.金属的热传导：金属的热传导： 对于纯金属，导热主要靠对于纯金属，导热主要靠自由电子自由电子，合金导热要考虑，合金导热要考虑声子导热声子导热的贡献。的贡献。 将金属中大量的自由电子看作是自由电子气，用理想气体的热导率公式描述：将金属中大量的自由电子看作是自由电子气，

24、用理想气体的热导率公式描述： l vCk31 k：热导率（导热系数）：热导率（导热系数） ; C单位体积气体的热容；单位体积气体的热容；v分子运动的平均速度，分子运动的平均速度，l 分子运动的平均自由程。分子运动的平均自由程。nEkTkCF022lvETnkkFFe)/2(3122FemnkTk322.3 材料的导热性1）热传导和电导率的关系：）热传导和电导率的关系： 对由自由电子理论可知：对由自由电子理论可知： TLke0/L0为洛伦兹数（为洛伦兹数（Lorenz number) 条件：不太低的温度下，低温下不成立条件：不太低的温度下，低温下不成立FemnkTk32Widemann-Fran

25、zL0=2.4510-8V2/K2 2.3 材料的导热性2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素： 纯金属纯金属 a) 温度温度 对于纯铜，对于纯铜， 分为三个区分为三个区 区区 T增大，增大，k增大增大 区区 T增大，增大，k不变不变 区区 T增大，增大，k减小减小 铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键减弱，金属键加强。减弱，金属键加强。 b)晶粒大小：晶粒大小：晶粒粗大，热导率高晶粒粗大，热导率高 c)各向异性：各向异性：立方晶系与晶向无关，非立方各向立方晶系与晶向无关，非立方各向导性。导性。 d)杂质：杂质：强烈影响强烈影响 表铜合金的性能

26、 Properties of copper alloy2.3 材料的导热性2）热导率及其影响因素：）热导率及其影响因素： 合金合金 a) 无序固溶体无序固溶体：浓度增加，热导率减小，：浓度增加，热导率减小，最小值一般在最小值一般在50%处。处。 b)有序固溶体有序固溶体：热导率提高，最大值对应：热导率提高，最大值对应于有序固溶体的成分。于有序固溶体的成分。 c)钢中的合金无元素，杂质及组织状态都钢中的合金无元素，杂质及组织状态都影响其热导率。影响其热导率。 奥氏体奥氏体淬火马氏体淬火马氏体 回火马氏体回火马氏体T0 时，时， 0，杆受压应力，杆受压应力 T10，杆受拉应力，杆受拉应力2.5 材

27、料的热稳定性材料的热稳定性 2） 因温度梯度而产生的热应力因温度梯度而产生的热应力 物体迅速加热时，外表面温度比内部高，则外表膨胀比内部大，物体迅速加热时，外表面温度比内部高，则外表膨胀比内部大，但相邻的内部的材料限制其自由膨胀，因此但相邻的内部的材料限制其自由膨胀，因此表面受压应力表面受压应力，而，而相邻相邻内部材料受拉应力内部材料受拉应力。同理，迅速冷却时（如淬火），。同理，迅速冷却时（如淬火），表面受拉应力表面受拉应力，相邻相邻内部材料受压缩应力内部材料受压缩应力。 3） 多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力A B A B A B2.5

28、 材料的热稳定性材料的热稳定性3. 抗热冲击断裂性能：抗热冲击断裂性能： 1） 第一热应力抵抗因子第一热应力抵抗因子R： 当最大热应力值当最大热应力值max f (强度极限），材料就不会断裂，材料所能承受的温差强度极限），材料就不会断裂，材料所能承受的温差越大，材料的热稳定性就越好。越大，材料的热稳定性就越好。ERlf)1 ( R：第一热应力因子；：第一热应力因子； ：泊松比；：泊松比；al: 热膨胀系数；热膨胀系数；E：弹性模量：弹性模量 2.5 材料的热稳定性材料的热稳定性3. 抗热冲击性能：抗热冲击性能： 2） 第二热应力抵抗因子第二热应力抵抗因子R： 热稳定性除与热稳定性除与Tmax相关外，还与下列因素有关：相关外，还与下列因素有关： a) 材料热导率材料热导率k： k增加，其热应