幾種典型材料的線膨脹系數課件

r0rE(r)

r0Ep+Ek=Cr0xT1r>r0T2X′1.3熱膨脹的物理本質及其基本概念1.3.1熱膨脹的物理本質：原子的非簡諧振動r0rE(r)r0Ep+Ek=Cr0xT1r>r0T21.3.2膨脹性能的基本概念平均線膨脹系數:真線膨脹系數膨脹曲線:

l=f(T)幾種典型材料的線膨脹系數(RT):石英玻璃:~0.5×10-6/K。鐵:~12×10-6/K高溫納燈所用的封接導電材料:金屬鈮αT=7.8×10-6/KAl2O3燈管αT=8×10-6/K。lTT1T2l1l2lTT膨脹曲線1.3.2膨脹性能的基本概念平均線膨脹系數:lTT1T21.3.3膨脹系數與其它物理性能的關系1.與熱容的關系：格律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動理論:

αV=rCV/(EVV);立方晶系:αl=rCV/(3EVV)

r為格律乃森常數(r約在1.5~2.5間);EV是體彈模量。線膨脹系數與熱容隨溫度T的變化關系定性一致。因溫度升高，熱振動加劇，升高單位溫度的能量也增高。1.3.3膨脹系數與其它物理性能的關系1.與熱容的關系CpT/TMAl0αT/K0400800AlαT/℃-2000200Fe-36%NiCpT/TMAl0αT/K0400800AIInvar36:

ChemicalCompositionsCMnSPSiCrNiFe

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

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

thermostats(自動調溫器),

glass-to-metalsealsandstructuralcomponentsinlasersystems.IInvar36:ChemicalComKovar:

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

Kovaralloyisavacuummelted,iron-nickel-cobaltalloythatiswidelyusedintheelectronicsindustry.Inthesemiconductorindustryitisusedinhermeticallysealedpackagesforbothintegratedanddiscretecircuitdevices.Italsobelongstoakindoflowexpansionglasssealingalloysuitableforsealingtohardglasses.Kovar:Chemical(F)PrincipleoftheInvareffect(F)PrincipleoftheInvareff發(fā)現年代名稱成分晶系磁性α/（1/℃）atRTTc或TN/℃1897Fe-Ni因瓦65Fe-35Ni立方鐵磁1.2×10-62321931超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方鐵磁0.02301934不銹因瓦37Fe-52Co-11Cr立方鐵磁0.01271937Fe-Pt因瓦75Fe-25Pt立方鐵磁-30×10-6801962Fe-Pd因瓦67Fe-31Pd立方鐵磁0.03401972Cr基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方反鐵磁~1×10-6~451974Y2Fe17因瓦10.5Y-89.5Fe六角鐵磁____-291977非晶態(tài)Fe-B因瓦83Fe-17B非晶態(tài)鐵磁(1~2)×10-6320低膨脹合金發(fā)展簡況發(fā)現年代名稱成分晶系磁性α/（1/℃）at封接合金發(fā)展歷程發(fā)展歷程

19世紀初，已開始用鉑作為封接材料與軟玻璃封接。1879年，愛迪生(T.Edison)發(fā)明的白熾燈泡,早期的電子管和X射線管。在1896年法國吉堯姆(Guillaume)制成因瓦合金(36Ni-Fe)以后,又派生出了代替鉑的46Ni-Fe封接合金，這是最早的封接合金。后來進一步改進這種合金,在表面覆一層薄銅,這種覆銅的42Ni-Fe絲(俗稱杜美絲，DumetWire)用作非匹配軟玻璃封接引出線。隨著電真空技術的發(fā)展，出現了熔點高、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數更低的硬玻璃。初期采用鉬或鎢與硬玻璃封接。20世紀30年代出現了與硬玻璃封接的稱為可伐Fe-Ni-Co合金;此外,還出現了與軟玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著超高頻、大功率電真空器件的發(fā)展，出現了與氧化鋁、氧化鈹等陶瓷封接的合金。對膨脹合金提出兼具高導熱、高導電、無磁性等物理性能的要求。為此采用了復合膨脹合金、含難熔金屬的封接合金（如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等)。金屬與玻璃封接是靠金屬表面所形成的一層致密的氧化膜與加熱后的玻璃通過擴散熔融而完成結合的。金屬與陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封接面金屬化后用焊料來連接。在封接和使用的整個過程中，封接合金不應發(fā)生膨脹特性有明顯變化的相變。封接合金發(fā)展歷程發(fā)展歷程19世紀初，已開始用鉑作為封接材料格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程Tm

αV=(VTm-V0)/V0=C；

其中,VTm和V0分別為熔點和0K時金屬的體積。C為常數，多數立方和六方晶格金屬取0.06~0.076。即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程：

(VTm-V0)/V0=C≈6%~6.7%。線膨脹系數和熔點的關系可有經驗公式：

αlTm≈0.0222.與熔點的經驗公式：格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程2.與熔點的經驗公式：αl=b/(V2/3MΘD2);原子間結合力與ΘD2成正比，結合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數越小。石英玻璃的α值約0.5×10-6/K,而F鐵為12×10-6/K.具有一定的周期性:IA族元素的α值隨Z增加而增大,其余A族元素的α值則隨Z增加而減小.這與鍵有關.堿金屬α值高,過渡族元素α值低.與原子結合力有關.4.與原子序數的關系:3.與德拜溫度的關系：αl=b/(V2/3MΘD2);原子間結合力與ΘD1.3.4影響膨脹性能的因素

(化學成分、晶體結構、結合鍵、相變等）1.相變的影響：一級相變的特征是：體積發(fā)生突變，伴有相變潛熱，膨脹系數在轉變點無限大。如三態(tài)轉變，同素異構轉變等屬于一級相變。二級相變無體積突變和相變潛熱，但膨脹系數和比熱容有突變。1.3.4影響膨脹性能的因素(化學成分、晶體結構、圖為鐵的線性熱膨脹系數和熱膨脹系數。在氦氣氣氛下以5℃/min測量。在960℃（曲線峰值）和1409℃出現晶體結構變化（bcc-fcc-bcc）。圖為鐵的線性熱膨脹系數和熱膨脹系數。在氦氣氣氛下以5℃/m2.晶型轉變。室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于1000度時轉為四方晶型，體積收縮4%。嚴重影響應用。加入MgO,CaO,Y2O3等穩(wěn)定劑后，在高溫與ZrO2形成立方晶型的固溶體。不到2000度不發(fā)生晶型轉變。T/℃純ZrO2完全穩(wěn)定化ZrO2CaO8%ZrO21200400△l/l(b).ZrO2的膨脹曲線2.晶型轉變。室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于100原子間結合力與ΘD2成正比，結合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數越小。通常結構緊密的晶體膨脹系數較大，而類似于無定型玻璃往往有較小的膨脹系數。多晶石英的α值為12×10-6/K；而無定型石英玻璃的α值只有0.5×10-6/K。3.晶態(tài)轉變原子間結合力與ΘD2成正比，結合力越大4.各向異性的影響石墨垂直于c軸方向的αl=1.0×10-6/K；而平行c軸方向的αl=27×10-6/K。常溫下因熱應力較大而強度不高；高溫時內應力消除，強度反而升高。各向同性立方晶系：αV≈3αl各向異性晶體：αV=αa+αb

+αc六方晶體：αV

=α//+2α⊥

（見習題P52-6）4.各向異性的影響石墨垂直于c軸方向的αl=1.5.有序-無序轉變:

如Au-Cu有序合金加熱到300℃時有序開始破壞。達480℃時完全無序化。拐折點對應有序無序轉變的上臨界溫度，常稱有序-無序轉變溫度。Cu-Zn合金成分接近CuZn時，形成具有體心立方點陣的固溶體，低溫時為有序狀態(tài)，銅原子在每個單胞的結點上，鋅原子在中心。隨T升高逐漸轉變?yōu)闊o序，吸收熱量。屬于二級相變?！鱨/lT/℃300500Au-50%CuCu-50%ZnFe-25%Al(a).有序無序轉變膨脹曲線5.有序-無序轉變:

如Au-Cu有序合金加熱到300℃時6.鐵磁性轉變：

多數金屬和合金的膨脹系數隨溫度的變化規(guī)律與熱容一樣按T3規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會出現反常膨脹。目前解釋是磁致伸縮抵消了合金的熱膨脹。具有負反常膨脹特性合金可用于獲得膨脹系數為零或負值的因瓦(Invar)合金，或在一定溫度范圍內不變的可伐合金(Kovaralloy)。NiFeCo100060014001200T/Kα6805209206.鐵磁性轉變：

多數金屬和合金的膨脹系數隨溫度的變化規(guī)律鋼組織的膨脹特性鋼的膨脹特性取決于組成相的性質和數量。鋼組織中馬氏體比容最大，奧氏體最小，鐵素體和珠光體居中。而馬氏體，珠光體和奧氏體的比容都隨含碳量的增加而增大。鐵素體和滲碳體的比容有固定值。鋼的線膨脹系數則相反，奧氏體最大，鐵素體和珠光體次之，馬氏體最小。鋼組織的膨脹特性鋼的膨脹特性取決于組成相的性質和數量r0rE(r)

r0Ep+Ek=Cr0xT1r>r0T2X′1.3熱膨脹的物理本質及其基本概念1.3.1熱膨脹的物理本質：原子的非簡諧振動r0rE(r)r0Ep+Ek=Cr0xT1r>r0T21.3.2膨脹性能的基本概念平均線膨脹系數:真線膨脹系數膨脹曲線:

l=f(T)幾種典型材料的線膨脹系數(RT):石英玻璃:~0.5×10-6/K。鐵:~12×10-6/K高溫納燈所用的封接導電材料:金屬鈮αT=7.8×10-6/KAl2O3燈管αT=8×10-6/K。lTT1T2l1l2lTT膨脹曲線1.3.2膨脹性能的基本概念平均線膨脹系數:lTT1T21.3.3膨脹系數與其它物理性能的關系1.與熱容的關系：格律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動理論:

αV=rCV/(EVV);立方晶系:αl=rCV/(3EVV)

r為格律乃森常數(r約在1.5~2.5間);EV是體彈模量。線膨脹系數與熱容隨溫度T的變化關系定性一致。因溫度升高，熱振動加劇，升高單位溫度的能量也增高。1.3.3膨脹系數與其它物理性能的關系1.與熱容的關系CpT/TMAl0αT/K0400800AlαT/℃-2000200Fe-36%NiCpT/TMAl0αT/K0400800AIInvar36:

ChemicalCompositionsCMnSPSiCrNiFe

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

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

thermostats(自動調溫器),

glass-to-metalsealsandstructuralcomponentsinlasersystems.IInvar36:ChemicalComKovar:

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

Kovaralloyisavacuummelted,iron-nickel-cobaltalloythatiswidelyusedintheelectronicsindustry.Inthesemiconductorindustryitisusedinhermeticallysealedpackagesforbothintegratedanddiscretecircuitdevices.Italsobelongstoakindoflowexpansionglasssealingalloysuitableforsealingtohardglasses.Kovar:Chemical(F)PrincipleoftheInvareffect(F)PrincipleoftheInvareff發(fā)現年代名稱成分晶系磁性α/（1/℃）atRTTc或TN/℃1897Fe-Ni因瓦65Fe-35Ni立方鐵磁1.2×10-62321931超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方鐵磁0.02301934不銹因瓦37Fe-52Co-11Cr立方鐵磁0.01271937Fe-Pt因瓦75Fe-25Pt立方鐵磁-30×10-6801962Fe-Pd因瓦67Fe-31Pd立方鐵磁0.03401972Cr基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方反鐵磁~1×10-6~451974Y2Fe17因瓦10.5Y-89.5Fe六角鐵磁____-291977非晶態(tài)Fe-B因瓦83Fe-17B非晶態(tài)鐵磁(1~2)×10-6320低膨脹合金發(fā)展簡況發(fā)現年代名稱成分晶系磁性α/（1/℃）at封接合金發(fā)展歷程發(fā)展歷程

19世紀初，已開始用鉑作為封接材料與軟玻璃封接。1879年，愛迪生(T.Edison)發(fā)明的白熾燈泡,早期的電子管和X射線管。在1896年法國吉堯姆(Guillaume)制成因瓦合金(36Ni-Fe)以后,又派生出了代替鉑的46Ni-Fe封接合金，這是最早的封接合金。后來進一步改進這種合金,在表面覆一層薄銅,這種覆銅的42Ni-Fe絲(俗稱杜美絲，DumetWire)用作非匹配軟玻璃封接引出線。隨著電真空技術的發(fā)展，出現了熔點高、熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數更低的硬玻璃。初期采用鉬或鎢與硬玻璃封接。20世紀30年代出現了與硬玻璃封接的稱為可伐Fe-Ni-Co合金;此外,還出現了與軟玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著超高頻、大功率電真空器件的發(fā)展，出現了與氧化鋁、氧化鈹等陶瓷封接的合金。對膨脹合金提出兼具高導熱、高導電、無磁性等物理性能的要求。為此采用了復合膨脹合金、含難熔金屬的封接合金（如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等)。金屬與玻璃封接是靠金屬表面所形成的一層致密的氧化膜與加熱后的玻璃通過擴散熔融而完成結合的。金屬與陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封接面金屬化后用焊料來連接。在封接和使用的整個過程中，封接合金不應發(fā)生膨脹特性有明顯變化的相變。封接合金發(fā)展歷程發(fā)展歷程19世紀初，已開始用鉑作為封接材料格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程Tm

αV=(VTm-V0)/V0=C；

其中,VTm和V0分別為熔點和0K時金屬的體積。C為常數，多數立方和六方晶格金屬取0.06~0.076。即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程：

(VTm-V0)/V0=C≈6%~6.7%。線膨脹系數和熔點的關系可有經驗公式：

αlTm≈0.0222.與熔點的經驗公式：格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程2.與熔點的經驗公式：αl=b/(V2/3MΘD2);原子間結合力與ΘD2成正比，結合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數越小。石英玻璃的α值約0.5×10-6/K,而F鐵為12×10-6/K.具有一定的周期性:IA族元素的α值隨Z增加而增大,其余A族元素的α值則隨Z增加而減小.這與鍵有關.堿金屬α值高,過渡族元素α值低.與原子結合力有關.4.與原子序數的關系:3.與德拜溫度的關系：αl=b/(V2/3MΘD2);原子間結合力與ΘD1.3.4影響膨脹性能的因素

(化學成分、晶體結構、結合鍵、相變等）1.相變的影響：一級相變的特征是：體積發(fā)生突變，伴有相變潛熱，膨脹系數在轉變點無限大。如三態(tài)轉變，同素異構轉變等屬于一級相變。二級相變無體積突變和相變潛熱，但膨脹系數和比熱容有突變。1.3.4影響膨脹性能的因素(化學成分、晶體結構、圖為鐵的線性熱膨脹系數和熱膨脹系數。在氦氣氣氛下以5℃/min測量。在960℃（曲線峰值）和1409℃出現晶體結構變化（bcc-fcc-bcc）。圖為鐵的線性熱膨脹系數和熱膨脹系數。在氦氣氣氛下以5℃/m2.晶型轉變。室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于1000度時轉為四方晶型，體積收縮4%。嚴重影響應用。加入MgO,CaO,Y2O3等穩(wěn)定劑后，在高溫與ZrO2形成立方晶型的固溶體。不到2000度不發(fā)生晶型轉變。T/℃純ZrO2完全穩(wěn)定化ZrO2CaO8%ZrO21200400△l/l(b).ZrO2的膨脹曲線2.晶型轉變。室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于100原子間結合力與ΘD2成正比，結合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數越小。通常結構緊密的晶體膨脹系數較大，而類似于無定型玻璃往往有較小的膨脹系數。多晶石英的α