材料物理性能(安工大)ppt

«PhysicalPropertiesofMaterials»第一讲绪论安徽工业大学材料学院Monday,April17,2023材料物理性能《材料物理性能》

----2013年被评为省级精品课程A班：(金属材料、材料物理)B班：(无机非金属材料)联系方式：邮箱：lntong@手机童老师）实验老师：庞刚、丁晓莉

手机庞刚老师）绪论材料物理性能

材料科技的发展历史

材料-物理性能的关系

材料物理的产业与前景材料：结构+功能结构成份工艺性能（制备材料目的：为我所用）材料物理的内涵材料成分+工艺结构材料功能材料物理+技术物理效应：光、电、磁、声、热物理技术：无损检测、空间遥感材料性能的划分力学性能物理性能

化学性能

①抗氧化性②耐腐蚀性③抗渗入性①强度②延性③韧性④刚性①热学性能②声学性能③光学性能④电学性能⑤磁学性能⑥辐照性能按材料性能分类：

热学性能：

保温材料、绝热材料、热电材料、热敏材料、防火材料等。

电学性能：绝缘材料、开关材料、压电、铁电材料、超导材料、半导体材料。磁学性能：磁记录材料（信息材料）、稀土磁体、铁氧体、金属磁体。声学性能：减震（吸音）材料、超弹性等。材料的分类光学性能：

电光材料、荧光材料、发光材料、感光材料等.化学性能：

耐腐蚀材料、吸附材料、催化剂载体、胶凝材料等.机械性能：

高强、超硬材料、耐磨材料、韧性材料等.生物性能：骨科材料、生物陶瓷等.复合性能：智能材料、梯度功能材料.按材料性能分类：此图片说明人类使用的材料(性能)，决定了人类的文明程序.材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史石器→青铜器→铁器→工业化→信息时代

材料科学发展的里程碑：5000BC:

熔炼和锤击改变了铜的性能.3000BC:

青铜的使用-制造合金1450BC:铁的发现1855AD:HenryBessemer拥有钢铁冶炼的专利1886AD:电化学方法冶炼铝1939:尼龙，高分子材料商业发展1950‘s:高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展。材料科学发展的里程碑：1960’s:制作越来越小的硅芯片。1980’s高温超导体，高温超导的革命时代。信息时代与信息材料的发展:1947.12.23美国布尔坦发明第一只多晶锗晶体管1949年10月美国贝尔实验室蒂尔发明第一块锗单晶体（提拉法）50年代末，晶体管逐步代替电子管外延技术促成平面晶体管―集成电路1979年日本在6平方毫米的硅片上集成15万多个元件――超大规模集成电路平面晶体管――CPU信息时代不能被忘却的人物：1960年：非晶半导体理论建立，莫特和贝尔实验室的安德森及哈佛大学的范弗列克三人共同荣获1977年诺贝尔物理奖。内维尔·弗朗西斯·莫特（1905-1996）

1955年-现在，比尔·盖茨（微软创始人之一）

1955年—2011年，乔布斯

2007年诺贝尔物理学奖得主阿尔贝·费尔(法)彼得·格林贝格尔(德)先后独立发现了“巨磁电阻”效应。“用于读取硬盘数据的技术”英国曼彻斯特大学两名科学家获2010年诺贝尔物理学奖

安德烈-盖姆康斯坦丁-诺沃肖洛夫以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。

石墨烯结构石墨烯结构材料物理的产业背景

电子信息材料太阳能光伏产业磁性材料产业产品质量检验与检测技术

光：光电材料与器件电：电子信息材料与元器件磁：磁性材料与器件热：绝热传热材料与器件声：减震材料、超弹性材料材料物理的产业背景2、信息技术与信息材料信息时代：计算机―网络―通信

1〕、信息处理技术和材料：CPU硅材料为核心的集成电路、精密绝缘陶瓷基片、封装材料。电子学―光电子学―光子学微电子材料―光电子材料―光子材料2〕、信息传递技术和材料：陆海空立体通信网：移动电话、卫星通信、无线通信、光纤通信（光纤材料＋半导体激光器）3〕、信息存储技术和材料新型材料的发展趋势：

小型化，实用化，智能化，时尚化。高性能，高科技，高利润，高附加值。应用广，渗透到各个领域，发展前途。新材料企业不断出现。创新：急需材料物理研究开发人才化材料科学与工程协同并进

导电膜玻璃,电容式触摸屏

苹果iPhone手机和平板电脑iPad火爆的销售迅速点燃A股追逐触摸屏的热情。高科企业：莱宝高科[57.0元]、长信科技[44.元]、超声电子[37.元]、欧菲光[63.8元]反光印刷膜电器绝缘膜汽车玻璃太阳能发电产业太阳能电池企业：50余家（2007年）太阳能电池产能：290万千瓦，超日本和欧洲。光伏发电销售收入：450亿美元。多晶硅材料生产：突破了年产千吨大关。太阳热发电：全国企业：1096家。太阳能热水器销售额：320亿元人民币。材料物理特色方向之二:------------产业提速，前途无量马鞍山市打造“中部光电城”――

“光电产业园”安徽稳润光电有限公司：LED封装器件和半导体应用产品为主的生产基地。

亚洲光电名企（台湾启耀）入驻马鞍山：建设LED/CCFL生产线。该项目主要发展高效能的光源与电源，生产薄膜电晶体、液晶显示器，产品拥有很高的科技含量和广阔的市场前景.长春国家光电子产业基地“中国光谷”武汉东湖国家光电子产业基地磁性材料产业企业：全国1096家，产值：265亿人民币（2006年数据）产量：41万吨（烧结磁体+粘结磁体）产品：铁氧体、稀土磁体、金属磁体、配套设备和原材料企业。产业前景：年增长率保持在20%以上。材料物理特色方向之一:全球市场：300亿美元磁性材料的应用领域工业电机，混合动力/电动汽车电机，消费类电子，核磁共振，风力发电等绍矿磁性材料（上海）有限公司招聘公司简介：全球三大汽车用磁性材料的制造商之一。总投资超过三亿元人民币

新材料一、信息材料二、新能源材料

三、生物医用材料

四、生态环境材料

五、纳米材料

六、超导材料

七、半导体照明

八、汽车材料

九、稀土材料

十、有色金属新材料

十一、化工新材料电子信息材料:微电子材料：单晶硅半导体；光电子材料：激光晶体；压电晶体与薄膜材料；光纤通信材料；磁性材料：钕铁硼（NdFeB）永磁；电子陶瓷材料：介质陶瓷和热敏陶瓷等；信息存储材料：磁存储和数据存储材料；能源材料：光电材料和锂离子嵌入材料。

这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。

新能源材料:

太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能

等一次能源以及二次电源中的氢能等。

高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。纳米材料

纳米材料会表现出特异的光、电、磁、热、力学、机械等性能，

工业应用：纳米家电，微薄吸收材料。工业化生产的纳米料主要是碳酸钙、白炭黑、氧化锌等纳米粉体材料。先进陶瓷材料

采用精制的高纯、超细的无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品。具有压

电、铁电、导电、半导体。磁性等或具有高强、高韧，高硬、耐磨。耐腐蚀、耐高温、高

热导、绝热或良好生物相容性等优异性能。

智能材料（SmartMaterials）模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的，作出所期望的、能与变化的环境相适应的复合材料。基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智然高分子材料等。使人类文明进入一个新的高度。生物医用材料生物医用材料是一类用于诊断、治疗或替换人体组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。是材料科学技术中的一个正在发展的新领域，不仅技术含量和经济价值高，而且与患者生命和健康密切相关。近10多年以来，生物医用材料３?0％左右的增长率。先进复合材料

复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合成的材料。性能优于任意一个单独的材料，而且还具有组分单独不具有的独特性能。功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料

材料物理的特征基础与应用相结合研发与产业相并重材料与物理技术并重“材料”与“物理”

物理使材料更光彩

材料使物理更魅力物理原理赋予材料：新功效、高价值物理技术的应用：使产品器件更安全材料物理人才：高层次、朝阳产业资源有限创意无限

材料性能的研究目的在于更好应用

材料性能的研究利于新材料的开发

材料性能的要求决定材料生产工艺

材料性能研究目的

同一材料的性能可因外界条件变化而不同，即一种材料可表现出多种性能。材料性能研究注意问题

材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。要注意材料各种性能间既有区别，又有联系。

研究材料性能，要注意性能的发展与改造，以及性能的复合与转换。学习研究方法经验方法在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。

理论方法从机理着手，即从反映本质的基本关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。

课前预习，包括一些普通物理知识；要认真作笔记－－这也是一种能力；及时复习、归纳，掌握科学真谛；自己完成作业，检验学习的效果。注意复习，温故而知新。

教学要求课程安排

教学与考核:教学:授课+实验考核:平时+实验+考试平时成绩:听课+提问+测验(1).材料物理性能，邱成军，王元化，王义杰主编，哈工大出版,2003.(2).金属物理性能分析,宋学孟,机械工业出版社,1987.(3).金属材料物理性能，王润，冶金工业出版社,1993.(4).材料物理性能，田莳编箸，北航出版社,2001.(5).材料物理导论,熊兆贤,编箸，科学出版社,2001.(6).材料性能学,王从曾,主编,北京工大出版,2001.主要参考书联系方式：邮件：lntong@手机验老师：庞刚、丁晓莉

庞刚材料物理性能》第一章材料的热学性能安徽工业大学材料学院2023年4月17日第一讲热容（PhysicalPropertiesofMaterials）本章要点明确为什么要研究材料的热学性能?如何表征材料的热学性能?热容的基本概念热容的实验规律热容的基本理论(经典、量子理论)影响热容的因素热容的测量原理与热分析方法热容的基本概念热容的实验规律热容的基本理论(经典、量子理论)1.2

影响热容的因素1.1

固体的热容温度结构,相变合金元素,化合物1.3

热容的测量原理与热分析方法第一章材料的热学性能绪言材料热性能研究的意义

在空间科学技术中的应用:

航天飞行器，涡轮发动机叶片,电真空封装材料。

在能源科学技术中的应用:

太阳能，工业炉衬，航天飞行器，建筑材料,保温玻璃.

在电子技术和计算机技术中的应用:

热驱动材料,集成电路基片等。

在科学研究中的应用：

热性能与其它性能的关联性是材料研究的重要方法。在热力学中

（晶格热振动）晶格热容固体的热容

(电子的热运动)电子热容C=ΔQ/ΔTΔQ=ΔU+PΔV

固体的热容晶格的热振动材料的各种热性能的物理本质，均与晶格热振动有关

晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围着平衡位置作微小振动，称为晶格热振动格波：晶格振动所形成的弹性波（质点间存在相互作用力导致多频率振动的组合波）

声频支振动：相邻质点间位相差不大，类似于弹性体中的应变波。低频率的格波。光频支振动：格波中频率甚高的振动波。

（频率在红外光区，特点是临近质点的运动几乎相反)晶格热振动→格波（声频、光频）例：离子晶体格波的物理图象：(a)声频支(b)光频支振动偶极子激发（或吸收）电磁波（红外光）固体中弹性波的转播转播速度：ν=3000m/s最小波长：2a~10-10m最大振动频率：υMax=ν/(2a)=1.5×1013Hz最大声子能量：hυMax=ħωh=6.626×10-34J∙s德拜温度：ӨD=？一般乐器的频率范围：低音鼓：27～146Hz，电吉它：65～1.7KHz，笛子：220～2.3K。钢琴：临场感2.5～8KHz，小提琴：174～3.1KHz，Trombone（长号）：65～2.6KHz

一般人声音的频率范围：男：低音82～392Hz，基准音区64～523Hz；女：低音82～392Hz，基准音区160～1200Hz音响的频率范围：20～20KHz

低于声频范围的波动称为次声波

高于声频范围的波动称为超声波热容的基本概念热容定义:热容是使材料温度升高1k所需的热量。

C=ΔQ/ΔT

(与质量,组成,过程,温度T有关)

它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。

热容的分类

比热容平均热容摩尔热容恒压热容恒容热容单位质量的热容热容Cp与Cv的关系一般有Cp>Cv，Cp测定简单，Cv更有理论意义。为体积膨胀系数为压缩系数

其中定容热容：定压热容：比热容：单位质量的热容。摩尔热容：科学研究中常用工程技术中常用多孔材料质量轻,热容小,窑炉选用多孔硅藻土砖,泡沫刚玉等节能目标.热容的分类材料热容的实验规律金属热容随温度T变化的实验规律无机材料的热容随温度T变化的实验规律金属热容随温度变化的实验规律低温CV3R高温

T（K）高温区：CV→3R=24.91J/(mol.K);

低温区:CV→∝T3;

T→0K时,CV→0.

金刚石热容的实验值0T/E6×4.185×4.184×4.183×4.182×4.181×4.18Cv(J/moloC)·········金刚石热容的实验值与计算值的比较其中E=1320k无机材料的热容规律不同温度下某些陶瓷材料的热容

晶态固体热容的经验定律

元素热容定律--杜隆-珀替定律

化合物定律--柯普定律杜隆-珀替(Dulong-Petit)定律：高温时大部分元素的原子热容都接近该值，轻元素热容需改用下值：恒压下元素的原子热容为25J/(mol·K)

H:9.6;B:11.3;C:7.5;O:16.7;F:20.9;Si:16;P:22.5;S:22.5;Cl:20.4经典统计理论的能量均分定理：固体中N个原子的总平均能量为E=3NkBT热容:Cv,m=3NkB=3R=25J/(mol·K)

经典理论的解释杜隆-珀替定律成功之处：

高温下与试验结果基本符合

不能说明高温下，不同温度下热容的微小差别

不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近绝对零度时，热容按T的三次方趋近与零的试验结果局限性：爱因斯坦模型德拜的比热模型晶态固体热容的量子理论

振子受热激发所占的能级是分立的，它的能级在0K时为1/2ħ------零点能。依次的能级是每隔ħ

升高一级，一般忽略零点能。nEn=nħ+1/2

ħ

2101.振子能量量子化：爱因斯坦模型热容的量子理论爱因斯坦模型热容的量子理论2.振子的能级分布规律根据波尔兹曼能量分布规律，振子具有能量nħ

的几率：Nn∝

exp(-nħ/kBT)TE()3.在温度TK时以频率振动的振子的平均能量：

爱因斯坦模型热容的量子理论

nħn=0E()=

nħ[exp(-nħ/kBT)]n=0ħexp(

ħ/kBT)－1=

exp(-nħ/kBT)高温时：kBT>>ћω,E=kBT爱因斯坦模型热容的量子理论4.在温度TK时的平均声子数－nav=E()/ħ1exp(

ħ/kBT)－1=说明：受热晶体的温度升高，实质上是晶体中热激发出声子的数目增加。5.振子是以不同频率格波叠加起来的合波进行运动晶体中的振子（振动频率）不止是一种，而是一个频谱。爱因斯坦模型：晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。称为爱因斯坦比热函数

爱因斯坦模型热容的量子理论晶体的平均能量：E=3Nħexp(

ħ/kBT)－1θE=ћω/kB,称为爱因斯坦温度爱因斯坦模型当T>>θE

时当T<<θE时

故有热容的量子理论比实验更快趋于零与实验结果一致爱因斯坦模型爱因斯坦模型：晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。热容的量子理论当T<<θE时:当T>>θE

时:Cv=3R振动的能量：En=nħ+1/2ħ振子具有能量En=nħ的几率：

exp(-nħ/kBT)振子的平均能量：E()=(ħ)/[exp(ħ/kBT)－1]平均声子数:n=E()/ħ=1/[exp(ħ/kBT)－1]

在爱因斯坦模型中：低温时，Cv与温度按指数律随温度而变化，与实验得出的按T的立方变化规律仍有偏差。问题主要在于基本假设：各个振子频率相同有问题，各振子的频率可以不同，原子振动间有耦合作用。爱因斯坦模型热容的量子理论德拜模型认为：晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，即较长的声频支在低温下的振动由于声频支的波长远大于晶格常数，故可将晶体当成是连续介质，声频支也是连续的，频率具有0～ωmax高于ωmax的频率在光频支范围，对热容贡献很小，可忽略德拜模型热容的量子理论热容的量子理论德拜模型固体的平均能量：固体的热容：称为德拜比热函数称为德拜温度当温度较高时，T>>θD，Cv=3NkB=3R当温度稳低时，T<<θD，有：与实验结果相吻合

德拜模型热容的量子理论θD取决于材料的键强度、弹性模量和熔点德拜模型热容的量子理论德拜特征温度θD物质金刚石CaF2Al2O3FeCdPbD(k)2000475923470168100物质BeMgCaTiZrWD(k)1440400230420291400物质的德拜温度D(k)无机材料的热容规律不同温度下某些陶瓷材料的热容无机材料有大致相同的比热曲线

无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料的热容规律影响无机材料热容的因素1.温度对热容的影响高于德拜温度：热容趋于常数，低于德拜温度时：与(T/D)3成正比。2.键强、弹性模量、熔点的影响德拜温度约为熔点的0.2-0.5倍。3.无机材料的热容对材料的结构不敏感4.相变时，热量不连续变化，热容出现突变。材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温，同时降低热量损耗。根据热容选材金属材料的热容在低温下几乎所有的化合物,固溶体和中间相的热容:1.自由电子对金属材料热容的贡献:在极低或极高温度下,电子热容的贡献不可忽略.2.合金成分对热容的影响

合金的热容是每个组元热容与其质量百分比的乘积之和：

C=x1C1+x2C2+…+xnCn。

_____奈曼-考普(Neuman-Kopp)定律

高温下该定律具有普遍性，适用于金属化合物，金属与非金属化合物，中间相和固溶体。热处理能改变合金的组织，但对合金高温下的热容没有明显影响。该定律对铁磁合金不适用。3.相变时的金属热容变化（一）熔化和凝固：熔点TmC液态﹥C固态（二）一级相变：在恒温恒压下，除有体积变化外，H和Q发生突变，伴随相变潜热发生。Cp热容无限大。如纯金属的三态变化，同素异构转变，共晶，包晶转变，固态的共析转变等。（三）二级相变：相变在一个有限的温度范围内逐渐变化，焓也变化，但不突变。热容在转变温度附近也有剧烈变化，但为有限值。这类相变包括磁性转变，部分材料的有序无序转变（有人认为部分转变属于一级相变），超导转变。亚稳态组织转变（四）亚稳态组织转变：亚稳态转变为稳态时要放出热量，从而导致热容曲线向下拐折（不可逆转变,如过饱和固溶体的时效，马氏体和残余奥氏体回火转变，形变金属的回复与再结晶等。）三、研究有序-无序转变Ni3Fe合金:有序态:稳定的低能态五序态:亚温(高能)态300400500600T/°CCp无序态有序态350470有序态（b）（a）完全无序态吸热峰无序态热性能的物理本质是什么？晶格热振动：格波：声频支振动：光频支振动：热容：热容Cp与Cv的关系：基本概念:基本概念热性能的物理本质：晶格热振动晶格热振动：晶体点阵中的质点（原子、离子）围着平衡位置作微小振动。格波：晶格振动所形成的弹性波声频支振动：低频率的格波。特点：相邻质点间位相差不大，类似于弹性体中的应变波光频支振动：格波中频率甚高的振动波，频率在红外光区，特点是邻近质点间位相差很大。热容：使材料温度升高1k所需的热量热容Cp与Cv的关系：Cp>Cv晶态固体热容的基本规律热容随温度变化的实验规律：高温区：CV→3R=24.91J/(mol.K);

低温区:CV→∝T3;T→0K时,CV→0.晶态固体热容的经典定律：杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容Cv=25J/(mol·K)

奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各原子热容之和晶态固体热容的量子理论：

爱因斯坦模型

德拜模型复习题什么叫固体的热容?它与哪些量有关?爱因斯坦热容理论的基本思想是什么?他在哪些方面获得了成功?什么叫德拜温度?德拜温度与熔点Tm或晶格最大振动频率有何关系?《材料物理性能》第一章材料的热学性能安徽工业大学材料学院2023年4月17日(第三讲)（PhysicalPropertiesofMaterials）热容的基本概念热容的实验规律热容的基本理论(经典、量子理论)1.2

影响热容的因素1.1固体的热容温度结构,相变合金元素,化合物1.3

热容的测量原理与热分析方法第一章材料的热学性能

热容的基本概念：

C=ΔQ/ΔT

比热容:摩尔热容:恒压热容与恒容热容：物理本质：晶格热振动、格波、声频支振动、光频支振动、声子。晶态固体热容的基本规律热容随温度变化的实验规律：高温区：CV→3R=24.91J/(mol.K);

低温区:CV→∝T3;T→0K时,CV→0.晶态固体热容的经典定律：杜隆-珀替定律：高温恒压下元素的原子热容Cv=3R

奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于各原子热容之和晶态固体热容的量子理论：

爱因斯坦模型：晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。称为爱因斯坦比热函数

爱因斯坦模型热容的量子理论晶体的平均能量：E=3Nħexp(

ħ/kBT)－1θE=ћω/kB,称为爱因斯坦温度爱因斯坦模型当T>>θE

时当T<<θE时

故有热容的量子理论比实验更快趋于零与实验结果一致θE=ћω/kB,称为爱因斯坦温度德拜模型认为：晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，即较长的声频支在低温下的振动由于声频支的波长远大于晶格常数，故可将晶体当成是连续介质，声频支也是连续的，频率具有0～ωmax高于ωmax的频率在光频支范围，对热容贡献很小，可忽略德拜模型热容的量子理论当温度较高时，T>>θD，Cv=3NkB=3R当温度稳低时，T<<θD，有：与实验结果相吻合

德拜模型热容的量子理论德拜温度：ӨD物质金刚石CaF2Al2O3FeCdPbD(k)2000475923470168100物质BeMgCaTiZrWD(k)1440400230420291400物质的德拜温度D(k)1.2

影响热容的因素温度结构,相变合金元素,化合物亚稳态组织转变无机材料的热容规律不同温度下某些陶瓷材料的热容无机材料有大致相同的比热曲线

无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料的热容规律影响无机材料热容的因素1.温度对热容的影响高于德拜温度：热容趋于常数，低于德拜温度时：与(T/D)3成正比。2.键强、弹性模量、熔点的影响德拜温度约为熔点的0.2-0.5倍。3.无机材料的热容对材料的结构不敏感4.相变时，热量不连续变化，热容出现突变。金属材料的热容在低温下几乎所有的化合物,固溶体和中间相的热容:1.自由电子对金属材料热容的贡献:在极低或极高温度下,电子热容的贡献不可忽略.2.合金成分对热容的影响

合金的热容是每个组元热容与其质量百分比的乘积之和：

C=x1C1+x2C2+…+xnCn。

_____奈曼-考普(Neuman-Kopp)定律

高温下该定律具有普遍性，适用于金属化合物，金属与非金属化合物，中间相和固溶体。热处理能改变合金的组织，但对合金高温下的热容没有明显影响。该定律对铁磁合金不适用。3.相变时的金属热容变化（一）熔化和凝固：熔点TmC液态﹥C固态（二）一级相变：在恒温恒压下，除有体积变化外，H和Q发生突变，伴随相变潜热发生。Cp热容无限大。如纯金属的三态变化，同素异构转变，共晶，包晶转变，固态的共析转变等。（三）二级相变：相变在一个有限的温度范围内逐渐变化，焓也变化，但不突变。热容在转变温度附近也有剧烈变化，但为有限值。这类相变包括磁性转变，部分材料的有序无序转变（有人认为部分转变属于一级相变），超导转变。亚稳态组织转变（四）亚稳态组织转变：亚稳态转变为稳态时要放出热量，从而导致热容曲线向下拐折（不可逆转变,如过饱和固溶体的时效，马氏体和残余奥氏体回火转变，形变金属的回复与再结晶等。）三、研究有序-无序转变Ni3Fe合金:有序态:稳定的低能态五序态:亚温(高能)态300400500600T/°CCp无序态有序态350470有序态（b）（a）完全无序态吸热峰无序态1.3比热容的测量与热分析1.3.1.比热容的常用测量方法一.量热计法.(适用于低温和中温测比热)二.撒克司法.(适用于高温测比热)三.斯密特法.（适用测比热与转变潜热）1.3.2.热分析方法一.简单(普通)热分析;

二.示差热分析DTA(微分热分析);三.差动扫描量热法DSC.

1.3.3.

热分析的应用一.量热计法.高温→低温(试样被冷却)：正向量热计法低温→高温(试样被加热):反向向量热计法.研究淬火钢的回火，冷加工金属的再结晶。2.电阻加热法：中低温确定比热方法,忽略了量热计与外界的热交换.1.混合法：二.撒克司法（适用于高温,修正了与外界的热散耗）思考：加热箱子，电阻丝，示差热电偶的作用各是如何思想:试样1与箱子2(量热计)保持恒温,以避免热损耗.办法:同时加热试样1与箱子2.采用温差热电偶箱子温差热电偶测温热电偶试样三.斯密特法

（适用测比热与转变潜热）温差(试样与容器)恒定,热流Φ恒定以上可得:热流Φ,

转变潜热:1.3.2.热分析方法简单热分析;示差热分析DTA;差动扫描量热DSC.简单热分析：

加热冷却中的热效应所产生的温度T~t时间关系图的分析技术。应用：用于研究恒温转变（纯金属或合金的凝固），过冷转变等。一、简单热分析方法时间t温度TT1T2温度T时间t二、示差热分析法

（DifferentialthermalanalysisDTA）DTA热分析方法:

利用在相同条件下加热或冷却时试样和标准样(参比物)的温度差与温度或时间关系对组织结构分析的一种技术。注意:

参比物在整个测试的温差范围内不发生分解,相变,破坏,也不与被测物反应,同试样的比热容,热传导系数相接近.如钢铁材料常用镍,硅酸盐材料常用高温煅烧的Al2O3,MgO作参比物。

DTA热分析方法的实验原理TΔT标样试样ΔTTDTA曲线和温度T的关系DTA分析测量示意图思考：放热与吸热峰的区别用途：确定组织转变的起始温度，DTA峰的面积与该峰的热焓成正比。优点：灵敏度高，自动控制，中低温下作定量分析，高温下的定性分析。差动扫描量热法

（DifferentialscanningcalorimetryDSC）差示扫描量热法（DSC）用差动方法测量加热或冷却过程中，通过程序控制，在试样和标样的温度差保持为零时，观察样品和参比物之间的热流差随温度或时间的函数。差示扫描量热法（DSC）分析技术广泛应用于塑料、橡胶、涂料、食品、医药、生物有机体、无机材料、金属材料与复合材料等领域。DTA与DSC方法的实验原理比较TΔT标样试样TΔT标样试样差动热量补偿器DTADSC优点:精确度高、定量分析(700度以下)差示扫描量热仪（DSC）

／差热分析仪（DTA）DSC404F3是德国耐驰公司最新推出的一款差示扫描量热仪，该产品引入了DSC领域的最新技术，重新设计了传感器与炉体结构，对于热效应如相变温度和相变热焓的检测而言，它是一款快速测量、可靠性好、性价比高的测试仪器。高真空密闭体系、多种可更换的传感器和炉体保证了测试结果在-150～2000℃之间真实可靠。多种可选的真空泵、气体流量控制系统和传感器能够根据客户应用领域的需求进行选配调整，以打造最佳的测试系统。测量与研究材料的如下特性:

熔融与结晶过程；玻璃化转变；多晶形；反应热；热稳定性；特征温度；结晶度；相转变；液晶转变；固化；纯度材料鉴别单斜－ZrO2g/cm3：5.56四方－ZrO2g/cm3：6.1立方－ZrO2g/cm3：6.271170°C液相2370°C2715°C温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀.

ZrO2

的差热分析曲线1000110012001300温度(°C)99%

ZrO2，19500C预烧1.3.2.热分析的应用金属及合金钢的加热或冷却过程组织转变的热效应液态-固态各种亚稳态的组织转变有序-无序转变一、建立合金的相图热效应测量温区宽（可达2000度，变温速度小于5度/分，保护氩气）凝固峰与共晶峰，液态线（峰的起始点）与共晶线（峰值温度）ABrB×100二、研究SUJ2钢的过冷奥氏体转变(一）测量等温转变曲线：实验仪器：炉子：加热炉（830度通氩气），等温炉标准样：（NiCr合金WCr=10%);试样：棒状：示差热测量装置：差热峰：奥矢体分解（金相法校验）200s320度52s520度三、研究有序-无序转变Ni3Fe合金:有序态:稳定的低能态五序态:亚温(高能)态300400500600T/°CCp无序态有序态350470有序态（b）（a）完全无序态吸热峰无序态材料热容小结晶格热振动：格波、声子、声频波、光频波。(如果晶体中有nN个原子，则共有3nN个自由度。其中3N个声学波，其余3N（n-1）个光学波)材料热容：摩尔热容、比热容、摩尔定压（容）热容及其关系：晶态固体热容的经典定律：杜隆-珀替定律、奈曼-柯普定律晶态固体热容的量子理论：爱因斯坦模型（θE）、德拜模型（θD）影响热容的因素：自由电子、成分、结构相变、亚稳态组织热容与比热容的测量：量热计法、撒克司法、斯蜜特法DTA&DSC热分析方法及应用复习题什么叫德拜温度？它有什么意义?德拜热容理论在哪些方面获得了成功?金刚石是复式格子，每一个原胞中有几个原子？如果晶体有N个原胞，则会有多少个不同频率的声频波?和多少个光频波？一级相变和二级相变各有何特点?由实验测得的弹性波在某一金属固体中的转播速度υ=3000m/s，晶格常数约为a=0.3nm，则，（a）声频振动的最短波长为多少？（b）声频振动的最大振动频率是多少？（c）对应的最大声子能量是多少焦耳？（d）德拜温度ΘD为多少？（注：普朗克常数h=6.626×10-34J·s；玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K）。

复习思考题一级相变与二级相变对热容的影响有何不同?试举例说明.简述撒克司法测量比热容的基本原理.何谓DSC热分分析?较DTA分析法有何优点?试分析Ni3Fe合金有序-无序转变对比热的影响.指明吸热和放热峰，并说明原因。1.何谓膨胀合金?有何工业应用？4.膨胀的测量及膨胀分析的应用3.材料膨胀性能的影响因素？2.热膨胀的物理本质是什么？本节要点1.3材料的热膨胀

概述

(意义:工程技术中的应用+科学研究中的重要方法)一,材料膨胀性能的工业应用：膨胀合金包括低膨胀合金、定膨胀合金。低膨胀合金(因瓦型合金(Invaralloy))的特点是，在温度变化时其长度变化很小，能保持尺寸的稳定性，故可用来制造标准量尺、精密天平、标准电容及标淮频率计的谐振腔等。定膨胀合金的特点是，在规定的温度范围内具有一定的膨胀系数，主要用于和陶瓷、玻璃封接而构成电真空器件的结构材料，如大功率管的阴极、阳极引出线等。

软磁合金

永磁合金

弹性合金

膨胀合金

热双金属

电性合金

耐蚀合金

高温合金

难熔合金

钎焊合金

磁补偿合金：具有改善磁性能受温度而引起的变化，以保证仪表的精确性。主要成份：镍37~40%，铬12~14%，铁余量。可伐合金，中国牌号为4J29等牌号，本合金含镍29%，钴18%的硬玻璃铁基封接合金。该合金在20~450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数和相应的硬玻璃能进行有效封接匹配，广泛用于汽车灯及电真空工业。中国牌号4J系列膨胀合金。（供线材与带材）产品名称：杜美丝芯合金(膨胀合金)规格型号：4J43

执行标准：YB/T5236-93

包装：纸箱20kg/箱

用途：用于生产杜美丝、制作电子管、灯炮及半导体器件与软玻璃匹配封接的引出线。低膨胀合金的应用领域：精密仪器仪表,如：天文仪器构件、精密天平臂杆、标准量具、标准钟摆轮、摆杆。

低温容器,如：液态天然气贮罐、液氢、液氧贮罐、液态天然气输送管道。

微波通讯,如：谐振腔、波导管、标准频率发生器、波长计。

可变电容,如：可变电容叶片、支撑杆、温度补偿线。热双金属片是由热膨胀系数差别很大的两种合金组成的，利用其在温度变化时弯曲的特点达到自动控制的目的。

热双金属片热双金属片是由热膨胀系数差别很大的两种合金组成的，利用其在温度变化时弯曲的特点达到自动控制的目的。温州亚大双金属有限公司双金属弹簧产品展示电阻系列热双金属（电阻三金属）

电阻系列热双金属（电阻三金属）是在热双金属高、低膨胀层之间增加一层材料，以调节电阻率，起电流分流作用。

主要用于大额定电流及某些电器产品标准化、系列化、小型化情况下的过载保护与控制。品种与规格：冷轧钢带0.2~1.2×20~200课间提问声频波和光频波的振动模式有何不同？金刚石晶体有N个原胞，则会有多少个不同频率的声频波?多少个光频波？杜隆-珀替定律的适用条件是什么？低温时金属及其合金化合物的摩尔热容有哪两部分组成？它们随温度的变化规律有何不同？热膨胀的物理本质是什么？高温纳蒸灯所用的透明三氧化二铝灯管的平均线膨胀系数（0～100℃）是多少？应该选用什么金属材料封接？2.热膨胀的物理本质1.

热膨胀系数4.影响膨胀性能的因素（钢组织的膨胀特性）1.3材料的热膨胀3.热膨胀与其他物理量的关系5.膨胀的测量及膨胀分析的应用r0rE(r)

r0Ep+Ek=Cr0xT1r>r0T2X´1.3热膨胀的物理本质及其基本概念1.3.1热膨胀的物理本质：原子的非简谐振动1.3.2膨胀性能的基本概念平均线膨胀系数:真线膨胀系数膨胀曲线:

l=f(T)几种典型材料的线膨胀系数(RT):石英玻璃:~0.5×10-6/K。铁:~12×10-6/K高温纳灯所用的封接导电材料:金属铌αT=7.8×10-6/KAl2O3灯管αT=8×10-6/K。lTT1T2l1l2lTT膨胀曲线1.3.3膨胀系数与其它物理性能的关系1.与热容的关系：格律乃森(Gruneisen)由晶格热振动理论:

αV=rCV/(EVV);立方晶系:αl=rCV/(3EVV)

r为格律乃森常数(r约在1.5~2.5间);EV是体弹模量。线膨胀系数与热容随温度T的变化关系定性一致。因温度升高，热振动加剧，升高单位温度的能量也增高。CpT/TMAl0αT/K0400800AlαT/℃-2000200Fe-36%NiIInvar36:

ChemicalCompositionsCMnSPSiCrNiFe

<0.10<0.50<0.004<0.006<0.35<0.2536.0Balance

Invar36isaNickel-Iron,lowexpansionalloycontaining36%Nickel,belongstooneofthecontrolledexpansionalloyswiththelowestthermalexpansioncoefficientofanyoftheiron-nickelalloys.Itiswidelyusedintheelectronicsindustrysuchasradios,

thermostats(自动调温器),

glass-to-metalsealsandstructuralcomponentsinlasersystems.Kovar:

ChemicalCompositions:CNiFeSiMnSCo<0.0229.0Balance<0.20<0.30<0.02518.0

Kovaralloyisavacuummelted,iron-nickel-cobaltalloythatiswidelyusedintheelectronicsindustry.Inthesemiconductorindustryitisusedinhermeticallysealedpackagesforbothintegratedanddiscretecircuitdevices.Italsobelongstoakindoflowexpansionglasssealingalloysuitableforsealingtohardglasses.(F)PrincipleoftheInvareffect发现年代名称成分晶系磁性α/（1/℃）atRTTc或TN/℃1897Fe-Ni因瓦65Fe-35Ni立方铁磁1.2×10-62321931超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方铁磁0.02301934不锈因瓦37Fe-52Co-11Cr立方铁磁0.01271937Fe-Pt因瓦75Fe-25Pt立方铁磁-30×10-6801962Fe-Pd因瓦67Fe-31Pd立方铁磁0.03401972Cr基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方反铁磁~1×10-6~451974Y2Fe17因瓦10.5Y-89.5Fe六角铁磁____-291977非晶态Fe-B因瓦83Fe-17B非晶态铁磁(1~2)×10-6320低膨胀合金发展简况封接合金发展历程发展历程

19世纪初，已开始用铂作为封接材料与软玻璃封接。1879年，爱迪生(T.Edison)发明的白炽灯泡,早期的电子管和X射线管。在1896年法国吉尧姆(Guillaume)制成因瓦合金(36Ni-Fe)以后,又派生出了代替铂的46Ni-Fe封接合金，这是最早的封接合金。后来进一步改进这种合金,在表面覆一层薄铜,这种覆铜的42Ni-Fe丝(俗称杜美丝，DumetWire)用作非匹配软玻璃封接引出线。随着电真空技术的发展，出现了熔点高、热稳定性好、热膨胀系数更低的硬玻璃。初期采用钼或钨与硬玻璃封接。20世纪30年代出现了与硬玻璃封接的称为可伐Fe-Ni-Co合金;此外,还出现了与软玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。第二次世界大战后，随着超高频、大功率电真空器件的发展，出现了与氧化铝、氧化铍等陶瓷封接的合金。对膨胀合金提出兼具高导热、高导电、无磁性等物理性能的要求。为此采用了复合膨胀合金、含难熔金属的封接合金（如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等)。金属与玻璃封接是靠金属表面所形成的一层致密的氧化膜与加热后的玻璃通过扩散熔融而完成结合的。金属与陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封接面金属化后用焊料来连接。在封接和使用的整个过程中，封接合金不应发生膨胀特性有明显变化的相变。格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程Tm

αV=(VTm-V0)/V0=C；

其中,VTm和V0分别为熔点和0K时金属的体积。C为常数，多数立方和六方晶格金属取0.06~0.076。即固态金属的体热膨胀极限方程：

(VTm-V0)/V0=C≈6%~6.7%。线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式：

αlTm≈0.0222.与熔点的经验公式：αl=b/(V2/3MΘD2);原子间结合力与ΘD2成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。石英玻璃的α值约0.5×10-6/K,而F铁为12×10-6/K.具有一定的周期性:IA族元素的α值随Z增加而增大,其余A族元素的α值则随Z增加而减小.这与键有关.碱金属α值高,过渡族元素α值低.与原子结合力有关.4.与原子序数的关系:3.与德拜温度的关系：1.3.4影响膨胀性能的因素

(化学成分、晶体结构、结合键、相变等）1.相变的影响：一级相变的特征是：体积发生突变，伴有相变潜热，膨胀系数在转变点无限大。如三态转变，同素异构转变等属于一级相变。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。图为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气气氛下以5℃/min测量。在960℃（曲线峰值）和1409℃出现晶体结构变化（bcc-fcc-bcc）。2.晶型转变。室温下ZrO2晶体是单斜晶型。温度高于1000度时转为四方晶型，体积收缩4%。严重影响应用。加入MgO,CaO,Y2O3等稳定剂后，在高温与ZrO2形成立方晶型的固溶体。不到2000度不发生晶型转变。T/℃纯ZrO2完全稳定化ZrO2CaO8%ZrO21200400△l/l(b).ZrO2的膨胀曲线原子间结合力与ΘD2成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。通常结构紧密的晶体膨胀系数较大，而类似于无定型玻璃往往有较小的膨胀系数。多晶石英的α值为12×10-6/K；而无定型石英玻璃的α值只有0.5×10-6/K。3.晶态转变4.各向异性的影响石墨垂直于c轴方向的αl=1.0×10-6/K；而平行c轴方向的αl=27×10-6/K。常温下因热应力较大而强度不高；高温时内应力消除，强度反而升高。各向同性立方晶系：αV≈3αl各向异性晶体：αV=αa+αb

+αc六方晶体：αV

=α//+2α⊥

（见习题P52-6）5.有序-无序转变:

如Au-Cu有序合金加热到300℃时有序开始破坏。达480℃时完全无序化。拐折点对应有序无序转变的上临界温度，常称有序-无序转变温度。Cu-Zn合金成分接近CuZn时，形成具有体心立方点阵的固溶体，低温时为有序状态，铜原子在每个单胞的结点上，锌原子在中心。随T升高逐渐转变为无序，吸收热量。属于二级相变。△l/lT/℃300500Au-50%CuCu-50%ZnFe-25%Al(a).有序无序转变膨胀曲线6.铁磁性转变：

多数金属和合金的膨胀系数随温度的变化规律与热容一样按T3规律变化。铁磁金属和合金会出现反常膨胀。目前解释是磁致伸缩抵消了合金的热膨胀。具有负反常膨胀特性合金可用于获得膨胀系数为零或负值的因瓦(Invar)合金，或在一定温度范围内不变的可伐合金(Kovaralloy)。NiFeCo100060014001200T/Kα680520920钢组织的膨胀特性钢的膨胀特性取决于组成相的性质和数量。钢组织中马氏体比容最大，奥氏体最小，铁素体和珠光体居中。而马氏体，珠光体和奥氏体的比容都随含碳量的增加而增大。铁素体和渗碳体的比容有固定值。钢的线膨胀系数则相反，奥氏体最大，铁素体和珠光体次之，马氏体最小。1.3.4膨胀的测量膨胀测量是材料热性能研究的一种物理方法。材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征，通常检测其平均线膨胀，核心在于精确测量在特定温区内的热膨胀量。由于理论和低温研究的需要，热膨胀测量在高灵敏度(Δl/l~10-12)、高精度方面发展较快；工业上的膨胀测量向自动化和快速反映方向发展。微机的应用使精度和自动化程度得到提高。热膨胀在快速冷却，加热的热循环中，对研究材料组织结构转变具有独特作用。膨胀的测量方法：光学式，电测式，机械式。德国耐驰仪器制造有限公司上海代表处主要技术指标

工作温度：室温～1600℃；

灵敏度：

1.25nm/digit;升温速率：0.1～10℃/min;样品状态：固体、粉末、液态;样品大小：长50mm

(max)直径：

12mm

(max);测试气氛：真空（10-4mbar）、静态、动态（可用惰性或反应气体）。ULTRAHIGHTEMPERATUREDILATOMETERAmbientto2000/2500/2800°CSingleordualsampleResearchqualitySinteringstudiesFullrangeopticalpyrometer(光测高温计)VacuumorinertatmosphereFullyautomaticoperationwithWindows™software

(PCnotincluded)左图显示的是氮化硅生料的热膨胀和膨胀速率微分曲线。由于烧结添加剂的影响，材料在1201℃开始了烧结过程。主要的收缩过程发生在1424℃（外推起始点）。在1760℃以上的效应则由添加剂的挥发引起。应用实例:氮化硅由于其出色的热性能和机械特性，氮化硅正日益成为高科技领域中的常用材料之一（如作为汽车引擎的阀门）。当然，生产与烧结工艺对于最终成品的性能有着决定性的影响。LaserInterferometryTypeThermalExpansionMeterItsmeasurementaccuracyisashighas2nmasagainst+/-1umwhichisobtainablebytheconventionalpushrodtypedilatometer.1.光学膨胀仪的基本原理是什么?

2.标准样的功能是什么?对标准样有何要求?示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪有何优点?光干涉法膨胀仪的基本原理是什么?(光的干涉条件是什么?如何实现?如何计算试样的膨胀量?)电感式膨胀仪的基本原理是什么?有何特点?常用的膨胀仪1.光学膨胀仪

光学膨胀仪是物理冶金中常用的膨胀仪。其基本原理是利用光杠杆放大试样的膨胀量，并用标准样的伸长标出温度。又通过照相方法自动记录膨胀曲线。放大倍数可达200~800倍通常可分为：(1).普通光学膨胀仪(测定膨胀系数)(2).示差光学膨胀仪(灵敏度和精确度更高，适于测定临界点)膨胀仪按原理可分为：光学式，电测式，机械式。注：（1）A点用铰链固定。AC垂直；AB水平。（2）借助光路的多次反射可延长反射镜和感光纸的距离，以达到所需放大倍数(200,400,800倍)。(一).普通光学膨胀仪光杠杆式膨胀原理图：共析钢膨胀曲线示意图:△lT/℃Ac1Ar145º45ºCAB底片光源标准样待测样石英杆共析钢标准样的要求：其膨胀量与温度成正比；在测量范围内无相变,不易氧化；导热系数接近待测样。与试样的形状和尺寸相同.标准样的选择：较低温度方围研究有色金属和合金时，常用铜和铝纯金属做标准样；研究钢材时，研究钢的标样可采用皮洛斯合金（PYROSalloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).稳定性好，1000度以下无相变，膨胀系数由12.27×10-6/K均匀增加到21.24×10-6/K。较石英传动杆的线膨胀系数约0.5×10-6/K。(二)示差光学膨胀仪：

（试样与标样热膨胀的相对差值的方法）60º标样试样BAC底片光OyxCAC′B标样功能：水平分量指示温度；纵向分量抵消试样的膨胀量，尤其是试样组织未转变前的膨胀量。从而使膨胀量的范围缩小，提高了测量精度和灵敏度。很适用于分析金属内部组织变化。光干涉法膨胀仪

干涉条件:两列频率相同,位相差恒定的波相遇而干涉。

膨胀量：△l=△N·λ/2;△N由光敏元件和计数器连续测定。

优点：精度高（光波长在0.1微米量级)。

缺点：装置设计要求高。上下干涉板试样半透镜光敏元件计数器记录仪光干涉法膨胀仪示意图2.电测式膨胀仪将膨胀量转换为电讯号，然后进行电讯号的记录，数据处理和画出膨胀曲线。(包括应变电阻式膨胀仪，电容式膨胀仪和电感式膨胀仪)。电感式膨胀仪原理:采用差动变压器原理将试样的膨胀量转换为电信号（放大倍数可达到6000倍）。特点：试样可采用真空高频加热，加热速度可控制在500℃/s以下范围。试样冷却可以选用小电流加热﹑自然冷却﹑和强力喷气冷却三种冷却方式。加热温度和冷却速度易于自动化和计算机控制和数据处理。近年来，较为先进的全自动快速膨胀仪膨胀量转换采用的就是差动变压器原理。缺点：易受电磁因素的干扰。变压器电源采用200~400Hz以防止工业网的干扰。电感式膨胀仪测量原理试样传感杆磁芯差动变压器原理图试样加热炉控温仪差动变压器恒温箱放大器记录仪膨胀仪结构方框图组成：初级，次级线圈和磁芯构成。初级和次级线圈绕在同一绝缘管上,次级线圈由两段完全相同的绕组反向的先圈串接而成。它们相对初级线圈完全对称。磁芯处在中间位置时，反接的次级线圈的感生电动势相互抵消。磁芯偏离中间位置差动变压器信号与磁芯偏离量呈线性关系。3.机械式膨胀仪(1).千分表式膨胀仪(2).杠杆式膨胀仪将膨胀量转移到千分表或利用杠杆作用放大.1.3.4膨胀分析的应用（组织转变体积效应）1。确定钢的组织转变温度：

温度变化（无相变）正常膨胀组织变化导致附加膨胀钢加热b'e亚共析钢aAc1Ac3Ar1Ar3△lT/℃a'bae段:珠光体转变为奥氏体eb段：铁素体溶解于奥氏体注：在确定钢组织转变临界点时，为使结果有可比性，除对钢的成分有严格要求外，还有下列要求：1。原始组织应相同，常用退火态，晶粒度相同。2。相同加热及冷却速度(一般小于200˚C/h，高合金钢冷却速度小于120˚C/h3。奥氏体化温度和保温时间按要求保持一致。1)。转变点的测定△lT/℃Ac1Ar1△lT/℃Ac1Ar1AccmArcm共析钢过共析钢

ab:珠光体转变为奥氏体；bc:铁素体溶解于奥氏体；二次渗碳体的存在使高温区膨胀曲线明显拐折；奥氏体膨胀系数比珠光体大导致斜率增大；二次渗碳体不断溶解，使奥氏体含碳量增高，比容增大，使Arcm两旁斜率不同。cb亚共析钢aAc1Ac3Ar1Ar3△lT/℃2).钢膨胀曲线的分析2.研究钢的等温转变（1）测定过冷奥氏体等温转变的动力学曲线试样：退化状态的材料制备试样。奥氏体化温度：Ac1+(30~50℃);或生产中实际淬火温度。保温时间：由试样大小定；(直径3毫米在空气中保温5~10分钟)。等温转变过程：经奥氏体化后，立即冷却到等温温度；同时膨胀仪也从记录膨胀和温度的关系切换到记录膨胀和时间的关系。等温条件下试样的伸长和组织转变数量成正比时间t△lt1OE△l温度TACt2钢的奥氏体化处理及等温转变过程的膨胀曲线等温转变产物：过冷奥氏体在相变温度A1下不同温度范围内可发生高温珠光体型转变(A1~550℃)，中温贝氏体（550℃~Ms)和低温马氏体型转变（比热容大于奥氏体）；等温转变产物数量的确定：组织的转变量与膨胀量成正比。转变50%所需要的时间即△l/2所对应的时间。奥氏体的中温转变通常不彻底，可借助金相方法，对应温度下转变产物进行定量分析。然后再按转变量与膨胀量成正比的关系，找出不同转变量所对应的时间。TTT图的绘制：在Ms点和Ac1点间，每隔（2）马氏体转变点Ms的确定时间t△l△lf△lf/2时间t温度T开始终了50%t1t2过冷奥氏体等温转变动力学转变图（2）马氏体转变点Ms的确定优点：奥氏体转变为马氏体的体积效应最明显，用膨胀法测定Ms点效果很好。要求：多数钢测定Ms点需要很高的冷却速度：膨胀仪需具有淬火机构和快速记录装置。常采用全自动快速膨胀仪。马氏体转变量的确定：假定马氏体和奥氏体的膨胀系数相近，转变量与膨胀量成正比，则可用下面方法：△l温度TMsMfABCDM50马氏体转变膨胀曲线3.研究钢的连续冷却转变实际生产中，热处理多采用连续的冷却方式。需要应用钢的连续冷却转变图（CCT）曲线了解过冷奥氏体连续冷却转变的规律。CCT曲线的建立，需首先测定不同冷却速度下的连续冷却转变的膨胀曲线。40CrNiMoA钢的冷却膨胀曲线：为绘制CCT曲线，先取时间对数为横坐标，温度T纵坐标绘出不同冷却速度的冷却曲线，将膨胀曲线上得到的转变点，将开始及终了转变点联成光滑曲线便得到CCT图。

图40CrNiMoA连续冷却转变热膨胀曲线（2）测定钢的CCT曲线（连续冷却转变曲线）复习题1.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质。2.反常膨胀有何意义，举例说明之。3.画出亚共析钢的示差膨胀曲线，标出组织转变温度，指出曲线斜率在组织转变前后有何不同，为什么？例1.CalculatethechangeinvolumethatoccurswhenBCCironisheatedandchangestoFCCiron.ThelatticeparameterofBCCironis2.863AandofFCCironis3.591A.

VolumeofBCCcell=a3=2.8633=23.467×10-30

（m3）VolumeofFCCcell=a3=3.5913=46.307×10-30

（m3）ButtheFCCunitcellcontainsfouratomsandtheBCCunitcellcontainsonlytwoatoms.TwoBCCunitcellswithatotalvolumeof46.934willcontain4atoms.Volumechange/atom=(46.307-46.934)/46.934=-1.34%Steelcontractsonheating!!例2:金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转变成石墨（ρ=2.25g/cm3）结构时，求其体积改变百分数？金刚石的晶体结构为复式面心立方结构，