第三講+材料的熱膨脹

1、中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章 材料的熱學(xué)性能 顧修全本章內(nèi)容熱容熱膨脹熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性第二節(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 熱膨脹測量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用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)熱膨脹系數(shù)tlll01dtdlltt1lV3溫度每平均升高1個單位，長度的相對變化量。n 平均線膨脹系數(shù)n 微分線膨脹系數(shù)n 體膨脹系數(shù)cbaVttt1t2各向同性各向異性dtdVVtV1部分材料的線性膨脹系數(shù) 材料名稱 l /10-6 K-1 溫度范圍 Al Ti Cr Fe Ni Cu WInvar合金6Ni-Fe 鑄鐵 黃銅 Si

2、 Al2O3 SiC Si3N4石英玻璃24.9 9.210.6016.717.117.185.190 210.5 1218.5 21 6.95 8.84.72.70.5303 573153 1133523 753303 1123693 1263 373 1573293 373273 473293 573273 373273 1273273 1273273 1273273 1273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)一般都不大物理本質(zhì)（作用力曲線解釋）原子熱振動是原子熱振動是非線性非線性 的！的！ 溫度升高，原子振動激烈。 原子向右移動的幅度更大一些， 導(dǎo)致振動中心右移

3、。 0 K時，原子處在平衡位置。物理本質(zhì)（勢能曲線解釋）勢能曲線是不對稱 的！ 0 K時，原子的勢能最低。 溫度升高，原子的勢能增加。 勢能曲線的不對稱，使振動 中心右移。材料熱膨脹的本質(zhì): 在于晶格點陣實際上在作非簡諧振動，晶格振動中相鄰質(zhì)點間的作用力實際上是非線性的，點陣能曲線也是非對稱的。理想狀態(tài)理想狀態(tài)實際狀態(tài)實際狀態(tài)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 熱膨脹測量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用2. 與其他物理性能的關(guān)系VKrCVV0VKrCVV0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KT /l格律乃森定律Al2O3的熱容和膨脹系數(shù)隨溫度

4、的變化 金屬的結(jié)合能越大，熔點越高，其膨脹系數(shù)越小。068. 000CVVVTmTVm022. 0lmT2、與結(jié)合能、熔點的關(guān)系對所有的純金屬/()maEb（a、b是常數(shù)）幾種材料的線膨脹系數(shù)、結(jié)合能與熔點3、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系n 對結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)較大。n 而對無定形的玻璃，膨脹系數(shù)較小。n 溫度升高時發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變，也會引起膨脹系 數(shù)的改變。ZrO2陶瓷的熱膨脹曲線1000時單斜晶型四方晶型發(fā)生體積收縮發(fā)生體積收縮 4 %4. 與相變的關(guān)系一級一級二級二級第二節(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 熱膨脹測量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用3. 影響熱膨脹性能的因素相變的影

5、響成分和組織的影響各向異性的影響相變的影響 一級相變：體積突變，有相變潛熱。 二級相變：無體積突變和相變潛熱； 但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。直接用熱膨脹實驗分析用熱膨脹實驗可以研究二級相變二級相變 同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變 有序無序轉(zhuǎn)變 溫度變化時發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變Fe：相相 相相Cu-Au合金合金化學(xué)成分的影響固溶體的熱膨脹系數(shù)略低于按直線規(guī)律計算的值。Cu Cu Au Au合金固溶體的膨脹系數(shù)合金固溶體的膨脹系數(shù)020406080100rE / %lCu Au合金膨脹系數(shù)兩相材料熱膨脹系數(shù)計算值的比較 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)力抑制了熱膨脹第二節(jié) 材料的熱膨脹 熱膨脹的本質(zhì) 與

6、其他物理性能的關(guān)系 影響因素 熱膨脹測量方法 熱膨脹的工程應(yīng)用4. 熱膨脹的測量u 光學(xué)膨脹儀u 電測試膨脹儀u 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光底片標(biāo)準(zhǔn)試樣待測試樣熱膨脹測試儀（德國耐馳公司）測試原理： 將樣品放入爐體內(nèi)，施一定溫度程序，此時樣品長度的變化通過推桿傳遞到左側(cè)的檢測單元，并由位移傳感器測量得到結(jié)果。材料學(xué)院A306室一、技術(shù)參數(shù)：1. 升降溫速率：0-50 K/min2. 測量范圍：5005000 m3. 樣品長度：最大 50 mm 樣品直徑：最大 12 mm4. L 分辨率：0.125 nm / 1.25

7、 nm5. 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：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，可通過圖譜分析計算得到差熱DTA曲線。三、 應(yīng)用領(lǐng)域： 可測量固體、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。德國耐馳 DIL402C熱膨脹儀 熱膨脹儀典型圖譜第二節(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 熱膨脹測量方法 熱膨脹的工程應(yīng)

8、用5. 熱膨脹的工程應(yīng)用1、熱膨脹的工程意義陶瓷工業(yè)薄膜生長航天器的設(shè)計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)力知識進(jìn)行解釋。烤瓷牙微機(jī)械（MENS）領(lǐng)域中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院熱膨脹在工程中的意義熱膨脹在工程中的意義 熱膨脹系數(shù)是材料的一項重要熱學(xué)性能指標(biāo)，在實際工程應(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。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2、熱膨脹分析的應(yīng)用 膨脹分析對研究鋼在加熱、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 研究加熱轉(zhuǎn)變小結(jié)u 熱膨脹系數(shù)u