第一章 熱學(xué)性能(膨脹分析)

1、u熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) u膨脹的物理本質(zhì)膨脹的物理本質(zhì) u影響膨脹的因素影響膨脹的因素 u膨脹的測量膨脹的測量 u膨脹分析的應(yīng)用膨脹分析的應(yīng)用 2.1熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 一、線膨脹系數(shù)一、線膨脹系數(shù) 熱膨脹熱膨脹:物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象。 不同的材料升高相同的溫度膨脹量不相同。不同的材料升高相同的溫度膨脹量不相同。 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)：溫度升高：溫度升高1K時，物體的相對伸長。用時，物體的相對伸長。用表示表示 固體材料的膨脹系數(shù)并不是一個常數(shù)，也就是說相同的材料的膨脹系數(shù)隨溫度固體材料的膨脹系數(shù)并不是一個常數(shù)，也就是說相同的材料的膨脹系數(shù)

2、隨溫度 的變化而變化。因此用平均膨脹系數(shù)表示的變化而變化。因此用平均膨脹系數(shù)表示 二、體積膨脹系數(shù)二、體積膨脹系數(shù) 3、熱膨脹的物理本質(zhì)、熱膨脹的物理本質(zhì) 4、膨脹系數(shù)和其他性能的關(guān)系、膨脹系數(shù)和其他性能的關(guān)系 （1）熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系熱膨脹和結(jié)合能、熔點的關(guān)系 質(zhì)點間結(jié)合力越強，結(jié)合能越大，熔點越高，熱質(zhì)點間結(jié)合力越強，結(jié)合能越大，熔點越高，熱 膨脹系數(shù)越小膨脹系數(shù)越小 單質(zhì)材料 min0) (10-10m) 結(jié)合能( 103J/mol) 熔點 （） l ( 10-6) 金剛石 1.54 712.3 3500 2.5 硅 2.35 364.5 1415 3.5 錫 5.3 301.7

3、 232 5.3 （2）熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系）熱膨脹與溫度、熱容關(guān)系 tg rdT dr rdTrLdT dL 000 11 5、影響膨脹性能的因素、影響膨脹性能的因素 （1）相變的影響）相變的影響 一級相變：一級相變：AP M F 及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 二級相變：有序無序轉(zhuǎn)變，磁性轉(zhuǎn)變等二級相變：有序無序轉(zhuǎn)變，磁性轉(zhuǎn)變等 （ 2 ）成分和組織結(jié)構(gòu)的影響）成分和組織結(jié)構(gòu)的影響 固溶體：固溶體： 不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)：不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)： 多相體：多相體： 各向異性的物體： 2.2膨脹的測量膨脹的測量 一、光學(xué)膨脹儀 （1）光杠桿法 （2）光干涉法 二、點測試膨脹儀 （1）電感式膨脹儀 (2)電

4、容式膨脹儀 2.3膨脹分析的應(yīng)用膨脹分析的應(yīng)用 一、確定組織轉(zhuǎn)變溫度一、確定組織轉(zhuǎn)變溫度 1、轉(zhuǎn)變點的測量、轉(zhuǎn)變點的測量 2、碳鋼的膨脹分析曲線、碳鋼的膨脹分析曲線 亞共析鋼的加熱膨脹曲線如圖示，根據(jù)亞共析鋼的加熱膨脹曲線分析亞共析鋼的加熱膨脹曲線如圖示，根據(jù)亞共析鋼的加熱膨脹曲線分析 亞共析鋼在奧氏體化過程中組織隨曲線的變化情況。亞共析鋼在奧氏體化過程中組織隨曲線的變化情況。 從圖中可看出，亞共析鋼的加熱膨脹曲線從圖中可看出，亞共析鋼的加熱膨脹曲線 分為共析轉(zhuǎn)變和自由鐵素體兩個階段分為共析轉(zhuǎn)變和自由鐵素體兩個階段。 曲線上曲線上ae段對應(yīng)與珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體過段對應(yīng)與珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體過 程

5、，由于奧氏體的比容比珠光體小，因此程，由于奧氏體的比容比珠光體小，因此 組織轉(zhuǎn)變使試樣產(chǎn)生明顯的收縮導(dǎo)致曲線組織轉(zhuǎn)變使試樣產(chǎn)生明顯的收縮導(dǎo)致曲線 陡直下降。陡直下降。 曲線曲線eb段對應(yīng)于鐵素體溶解于奧氏體的過程，由于加段對應(yīng)于鐵素體溶解于奧氏體的過程，由于加 熱時在一個溫度區(qū)逐漸完成，因此曲線緩慢下降。熱時在一個溫度區(qū)逐漸完成，因此曲線緩慢下降。 轉(zhuǎn)變結(jié)束后直線的斜率增加，說明奧氏體的膨脹系數(shù)較珠光體大。轉(zhuǎn)變結(jié)束后直線的斜率增加，說明奧氏體的膨脹系數(shù)較珠光體大。 共析鋼和過共析鋼共析鋼和過共析鋼 二、研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變（二、研究鋼的等溫轉(zhuǎn)變（TTT圖）圖） 用膨脹分析法繪制共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變的動

6、力學(xué)曲線，用膨脹分析法繪制共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變的動力學(xué)曲線， 并簡述其原理及過程并簡述其原理及過程。 1 1）ACAC是加熱膨脹曲線，加熱過程中，由于奧氏體的比容較小，是加熱膨脹曲線，加熱過程中，由于奧氏體的比容較小， 試樣收縮，轉(zhuǎn)變結(jié)束，試樣繼續(xù)隨溫度的增加而增加，完成試樣收縮，轉(zhuǎn)變結(jié)束，試樣繼續(xù)隨溫度的增加而增加，完成 奧氏體化過程。奧氏體化過程。 2 2）OEOE為試樣冷卻等溫轉(zhuǎn)變曲線，冷卻過程中由于等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)為試樣冷卻等溫轉(zhuǎn)變曲線，冷卻過程中由于等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn) 物的比容大于奧氏體，曲線隨時間增加而伸長，由于試樣的物的比容大于奧氏體，曲線隨時間增加而伸長，由于試樣的 伸長和轉(zhuǎn)變量成正比，可用試樣

7、的伸長表示轉(zhuǎn)變量，即該曲伸長和轉(zhuǎn)變量成正比，可用試樣的伸長表示轉(zhuǎn)變量，即該曲 線表示轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系曲線，線表示轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系曲線，B B點和點和E E是曲線的拐點，分是曲線的拐點，分 別對應(yīng)轉(zhuǎn)變的開始時間點別對應(yīng)轉(zhuǎn)變的開始時間點t1t1和轉(zhuǎn)變終了時間和轉(zhuǎn)變終了時間t2t2點。點。 4 4）把每一個溫度測得轉(zhuǎn)變開始點與終了點連成曲線即得共析）把每一個溫度測得轉(zhuǎn)變開始點與終了點連成曲線即得共析 鋼轉(zhuǎn)變的鋼轉(zhuǎn)變的TTTTTT圖圖。 三、三、Ms點的測量點的測量 l奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)，用膨脹分析 法可獲得較好的測量效果 l但AM冷卻速度較快，因此必須具有相應(yīng)的 淬火機構(gòu)和快速記錄裝置

8、，一般用光學(xué)膨脹儀 或全自動膨脹儀測量。 四、建立鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖四、建立鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖 五、研究淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變五、研究淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變 W(C)=0.94%W(C)=0.94%的碳鋼淬火后組織為馬氏體加殘余奧氏體，該鋼在回火的碳鋼淬火后組織為馬氏體加殘余奧氏體，該鋼在回火 的過程中測得的膨脹曲線如圖示，試分析該鋼回火過程中的體積變化的過程中測得的膨脹曲線如圖示，試分析該鋼回火過程中的體積變化 及所對應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變及所對應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變 馬氏體在回火過程中，由于馬氏體比容馬氏體在回火過程中，由于馬氏體比容 較大，當(dāng)馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變時，體積會收較大，當(dāng)馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變時，體積會收 縮，當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，體積會膨脹縮，當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，體積會膨脹 由圖可知，由圖可知，8080160溫度區(qū)間由于發(fā)生溫度區(qū)間由于發(fā)生 了亞穩(wěn)定碳化物了亞穩(wěn)定碳化物相的析出導(dǎo)致馬氏體分相的析出導(dǎo)致馬氏體分 解，正方度下降，體積發(fā)生了明顯收縮；解，正方度下降，體積發(fā)生了明顯收縮； 230 280溫度區(qū)間殘余奧氏體發(fā)生了溫度區(qū)間殘余奧氏體發(fā)生了 分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，體積發(fā)生膨脹分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，體積發(fā)生膨脹 260 260 360溫度區(qū)馬氏體繼續(xù)分解，亞溫度區(qū)馬氏體繼續(xù)分解，