材料的熱膨脹ppt課件

第一章材料的熱學(xué)性能,1,本章內(nèi)容,熱容熱膨脹熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性,2,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質(zhì)與其他物理性能的關(guān)系影響因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法熱膨脹的工程應(yīng)用,3,1.熱膨脹的物理本質(zhì),什么是熱膨脹？熱膨脹系數(shù)熱膨脹的物理本質(zhì),4,熱膨脹系數(shù),溫度每平均升高1個(gè)單位，長(zhǎng)度的相對(duì)變化量。,平均線膨脹系數(shù),微分線膨脹系數(shù),體膨脹系數(shù),各向同性,各向異性,5,部分材料的線性膨脹系數(shù),6,某些無機(jī)材料的熱膨脹系數(shù)與溫度之間的關(guān)系,無機(jī)材料的線膨脹系數(shù)一般都不大,7,物理本質(zhì)（作用力曲線解釋）,原子熱振動(dòng)是非線性的！,溫度升高，原子振動(dòng)激烈。,原子向右移動(dòng)的幅度更大一些，導(dǎo)致振動(dòng)中心右移。,0K時(shí)，原子處在平衡位置。,8,物理本質(zhì)（勢(shì)能曲線解釋）,勢(shì)能曲線是不對(duì)稱的！,0K時(shí)，原子的勢(shì)能最低。,溫度升高，原子的勢(shì)能增加。,勢(shì)能曲線的不對(duì)稱，使振動(dòng)中心右移。,9,材料熱膨脹的本質(zhì):在于晶格點(diǎn)陣實(shí)際上在作非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，晶格振動(dòng)中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力實(shí)際上是非線性的，點(diǎn)陣能曲線也是非對(duì)稱的。,理想狀態(tài),實(shí)際狀態(tài),10,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質(zhì)與其他物理性能的關(guān)系影響因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法熱膨脹的工程應(yīng)用,11,2.與其他物理性能的關(guān)系,體膨脹與定容熱容成正比，并且它們有相似依賴關(guān)系。,1、與熱容的關(guān)系,格律乃森定律,12,Al2O3的熱容和膨脹系數(shù)隨溫度的變化,13,金屬的結(jié)合能越大，熔點(diǎn)越高，其膨脹系數(shù)越小。,2、與結(jié)合能、熔點(diǎn)的關(guān)系,對(duì)所有的純金屬,（a、b是常數(shù)）,14,幾種材料的線膨脹系數(shù)、結(jié)合能與熔點(diǎn),15,3、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,對(duì)結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大。,而對(duì)無定形的玻璃，膨脹系數(shù)較小。,溫度升高時(shí)發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變，也會(huì)引起膨脹系數(shù)的改變。,16,ZrO2陶瓷的熱膨脹曲線,1000時(shí),單斜晶型,四方晶型,發(fā)生體積收縮4%,17,4.與相變的關(guān)系,一級(jí),二級(jí),18,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質(zhì)與其他物理性能的關(guān)系影響因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法熱膨脹的工程應(yīng)用,19,3.影響熱膨脹性能的因素,相變的影響成分和組織的影響各向異性的影響,20,相變的影響,一級(jí)相變：體積突變，有相變潛熱。二級(jí)相變：無體積突變和相變潛熱；但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。,直接用熱膨脹實(shí)驗(yàn)分析,用熱膨脹實(shí)驗(yàn)可以研究二級(jí)相變,21,二級(jí)相變,同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變有序無序轉(zhuǎn)變溫度變化時(shí)發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變,Fe：相相,Cu-Au合金,22,化學(xué)成分的影響,固溶體的熱膨脹系數(shù)略低于按直線規(guī)律計(jì)算的值。,CuAu合金固溶體的膨脹系數(shù),0,20,40,60,80,100,rE/%,l,CuAu合金膨脹系數(shù),23,兩相材料熱膨脹系數(shù)計(jì)算值的比較,多相合金體的膨脹系數(shù)主要取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量,內(nèi)應(yīng)力抑制了熱膨脹,24,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質(zhì)與其他物理性能的關(guān)系影響因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法熱膨脹的工程應(yīng)用,25,4.熱膨脹的測(cè)量,光學(xué)膨脹儀電測(cè)試膨脹儀機(jī)械式膨脹儀,光杠桿膨脹儀光干涉法,電感式膨脹儀電容式膨脹儀,千分表式膨脹儀杠桿式膨脹儀,光杠桿式膨脹儀原理圖,26,熱膨脹測(cè)試儀（德國(guó)耐馳公司）,測(cè)試原理：將樣品放入爐體內(nèi)，施一定溫度程序，此時(shí)樣品長(zhǎng)度的變化通過推桿傳遞到左側(cè)的檢測(cè)單元，并由位移傳感器測(cè)量得到結(jié)果。,材料學(xué)院A306室,27,一、技術(shù)參數(shù)：1.升降溫速率：0-50K/min2.測(cè)量范圍：5005000m3.樣品長(zhǎng)度：最大50mm樣品直徑：最大12mm4.L分辨率：0.125nm/1.25nm5.樣品支架：石英支架（1100），氧化鋁支架（1700），石墨支架（2000）二、主要特點(diǎn)：1.DIL提供多種類型的樣品支架與爐體配置。2.提供各種配件使測(cè)試更靈活方便。3.提供速率控制燒結(jié)軟件（RCS）。4.提供c-DTA功能，可通過圖譜分析計(jì)算得到差熱DTA曲線。三、應(yīng)用領(lǐng)域：可測(cè)量固體、熔融金屬、粉末、涂料等各類樣品，廣泛應(yīng)用于無機(jī)陶瓷、金屬材料、塑膠聚合物、建筑材料、涂層材料、耐火材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域。,德國(guó)耐馳DIL402C熱膨脹儀,28,熱膨脹儀典型圖譜,29,第二節(jié)材料的熱膨脹,熱膨脹的本質(zhì)與其他物理性能的關(guān)系影響因素?zé)崤蛎洔y(cè)量方法熱膨脹的工程應(yīng)用,30,5.熱膨脹的工程應(yīng)用,1、熱膨脹的工程意義,陶瓷工業(yè),薄膜生長(zhǎng),航天器的設(shè)計(jì),金屬的表面改性,施釉,要求釉層的膨脹系數(shù)比坯體要小,為什么？,結(jié)合后面涉及到的熱應(yīng)力知識(shí)進(jìn)行解釋。,烤瓷牙,微機(jī)械（MENS）領(lǐng)域,31,熱膨脹在工程中的意義熱膨脹系數(shù)是材料的一項(xiàng)重要熱學(xué)性能指標(biāo)，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義。1)是決定材料抗熱震性的主要因素。2)陶瓷坯上釉，二者應(yīng)匹配。釉適當(dāng)小于坯，燒結(jié)冷卻過程中，釉層收縮小，使釉層中存在壓應(yīng)力，提高釉層強(qiáng)度，防止裂紋產(chǎn)生。小的太多也不行，會(huì)使釉層脫落。3)集成電路、電子管、特種燈生產(chǎn)中。4)復(fù)合材料制備。5)精密儀器儀表。,32,材料的種類（依據(jù)熱膨脹系數(shù)）,高熱膨脹材料零熱膨脹材料負(fù)熱膨脹材料,金屬材料、高分子材料，具有較高的彈性和塑性。,形狀記憶合金、智能材料、微型機(jī)械等,合金材料、陶瓷材料,航空航天、精密儀表等領(lǐng)域,航空航天、光電子精密儀器制造等領(lǐng)域,陶瓷材料,33,2、熱膨脹分析的應(yīng)用,膨脹分析對(duì)研究鋼在加熱、等溫、連續(xù)冷卻和回火過程中的轉(zhuǎn)變非常有效。,確定鋼的組織轉(zhuǎn)變點(diǎn),研究加熱轉(zhuǎn)變,34,小結(jié),熱膨脹系數(shù)物理本質(zhì)與其他物理性能的關(guān)系影響