物性講義(熱學(xué)1)

材料的熱學(xué)性能晶格振動(dòng)熱容熱膨脹熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性升華熔化晶格振動(dòng)：材料中各原子在平衡位置的微小振動(dòng)。格波：晶格振動(dòng)以波的形式在晶格中傳播。1材料的熱容熱容是質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)的的能量隨溫度變化的一個(gè)物理量，是物體溫度升高1K所需要增加的熱量。【J/K】將1g質(zhì)量的物體溫度升高1K所需要增加的熱量稱為物質(zhì)的比熱容，簡稱比熱。1mol物質(zhì)的熱容，稱為摩爾熱容。平均熱容：工程應(yīng)用中應(yīng)注意適用溫度范圍物質(zhì)的熱容與其熱過程有關(guān)：恒壓熱容：恒容熱容：Q：熱量E：內(nèi)能H：焓2根據(jù)熱力學(xué)第二定律可以導(dǎo)出：：體膨脹系數(shù)V0：摩爾容積：壓縮系數(shù)對于物質(zhì)的凝聚態(tài)，Cp、Cv相差很小，但高溫時(shí)有較大的差別。3在極低或極高溫度下，自由電子對熱容的貢獻(xiàn)變得突出。4熱容的經(jīng)驗(yàn)定律與經(jīng)典理論元素的熱容定律（杜隆－珀替定律）：

恒壓下，元素的摩爾熱容為25J/(K?mol)元素HBCOFSiPSClCpJ/(K?mol)9.611.37.516.720.915.922.522.520.4輕元素例外：Dulong－Petit化合物的熱容定律（奈曼－考普定律）：Neumann－Kopp可應(yīng)用于多相混合組織、固溶體或化合物，但不適于低溫條件或鐵磁性合金。p、q為摩爾百分?jǐn)?shù)5經(jīng)典熱容理論：將氣體分子的熱容理論直接用于固體，其基本假設(shè)：晶體格點(diǎn)是孤立的，根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，其能量是連續(xù)的。因此固體中一個(gè)原子在空間有三個(gè)振動(dòng)自由度，每個(gè)自由度上的平均動(dòng)能和位能均為模型過于簡單，不能解釋低溫下熱容減小的現(xiàn)象。6熱容的量子理論7愛因斯坦熱容理論假設(shè)：每個(gè)原子皆為一個(gè)獨(dú)立的振子，原子之間彼此無關(guān)，并且i

=。愛因斯坦比熱函數(shù)愛因斯坦溫度8該理論的不足之處9德拜熱容理論考慮晶體中點(diǎn)陣的相互作用，將格波看成是彈性波。每個(gè)諧振子的頻率不同，頻率范圍從0到m。德拜溫度：元素NaTiAlMn金剛石D（K）1584204284502230一些物質(zhì)的德拜溫度10該理論的不足之處1112材料的熱膨脹物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。平均線膨脹系數(shù)：平均體積膨脹系數(shù)：對于立方晶系：13一般固體材料：

在10-2～10-5/K數(shù)量級一般金屬、陶瓷材料：

在10-5～10-6/K數(shù)量級例：高壓鈉燈陶瓷、金屬封接：14膨脹合金在儀器、儀表及電真空技術(shù)中，要求應(yīng)用具有特殊膨脹系數(shù)的合金，這些合金統(tǒng)稱為膨脹合金。膨脹合金是精密合金中的一大類。按膨脹系數(shù)大小可分為：如：4J36（含Ni36wt%的Fe-Ni合金）（2）定膨脹合金（可伐合金）（3）高膨脹合金（1）低膨脹合金（因瓦合金）與低膨脹合金組成熱雙金屬片使用如：4J75（Mn75Ni15Cu10）15161718熱膨脹的物理本質(zhì)固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)間平均距離隨溫度升高而增大。對于簡諧振動(dòng)，位能曲線對稱，升高溫度只能增大振幅，并不會改變平衡位置，因此質(zhì)點(diǎn)間的平均距離不會因溫度升高而改變。對于非簡諧振動(dòng)，位能曲線不對稱，質(zhì)點(diǎn)向外振動(dòng)的距離大于向內(nèi)振動(dòng)的距離，隨著溫度升高，動(dòng)能增大，振動(dòng)激烈，質(zhì)點(diǎn)間的平均距離不斷增大，形成宏觀的熱膨脹現(xiàn)象。19r<r0時(shí)，合力曲線的斜率較大；r>r0時(shí)，合力曲線的斜率較小。r<r0時(shí)，斥力隨位移增大得很快；r>r0時(shí)，引力隨位移的增大較慢。兩側(cè)受力不對稱，使得平衡位置右移，相鄰質(zhì)點(diǎn)間距離增加，晶體膨脹。20弗蘭克爾雙原子模型在r=r0處臺勞展開：取前兩項(xiàng)，為對稱的勢能曲線。須取前三項(xiàng)，才能解釋熱膨脹現(xiàn)象。根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)：21熱膨脹系數(shù)與其它物理量之間的關(guān)系（1）膨脹系數(shù)與比熱的關(guān)系格留涅申（Grüneisen）從晶格振動(dòng)理論推導(dǎo)出：r：格留涅申常數(shù)，取值1.5～2.5之間K：體積彈性模量V：比容22（2）膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：格留涅申提出了關(guān)于固態(tài)的體熱膨脹極限方程：一般純金屬，溫度由0K加熱到熔點(diǎn)Ts，膨脹為6%。n=1.17A=7.2410-2（金屬）23（3）膨脹系數(shù)與德拜溫度的關(guān)系M：原子量V：原子體積表征原子間結(jié)合力的物理量如E、TS、D都與有關(guān)。E、TS、D都愈高，愈低。24（4）膨脹系數(shù)與硬度的關(guān)系（5）膨脹系數(shù)與比容的關(guān)系膨脹系數(shù)與比容成反比。一般，硬度越高，膨脹系數(shù)越小。元素AlCuNiCo-FeCr20～100℃106(/K)23.617.013.412.411.56.2HV~20~90~110~120~120~130一些純金屬的膨脹系數(shù)及硬度25（6）膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系26影響熱膨脹系數(shù)的因素成分與相變對膨脹系數(shù)的影響晶體缺陷對熱膨脹的影響晶體各向異性對熱膨脹的影響工藝因素對膨脹系數(shù)的影響溫度對膨脹系數(shù)的影響27282930熱膨脹的反?，F(xiàn)象絕大多數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度T變化的規(guī)律：隨T升高，先快速增加（～T3），然后緩慢增加以至近于恒值，此種情況稱為正常熱膨脹。對于鐵磁性金屬和合金如鐵、鈷、鎳及其某些合金，膨脹系數(shù)隨溫度的變化不符合一般的正常熱膨脹規(guī)律，而是在正常的膨脹曲線上出現(xiàn)附加的膨脹峰，稱為反常熱膨脹。鎳、鈷的膨脹峰向上為正，稱為正反常。鐵的膨脹峰向下為負(fù)，稱為負(fù)反常。31具有負(fù)反常膨脹特性的合金，膨脹系數(shù)可低到接近于零（甚至可達(dá)負(fù)值），或在一定溫度范圍內(nèi)膨脹系數(shù)基本不變，在工業(yè)上有重大意義。反膨脹現(xiàn)象最早是1897年吉羅姆（Guillaume）在具有面心立方晶型的Ni35-Fe（at%）合金中發(fā)現(xiàn)。室溫時(shí)=1.210-6/K將固體材料的這種膨脹系數(shù)很小或?yàn)樨?fù)值的現(xiàn)象，稱為熱膨脹反常，或稱因瓦（Invar）反常。將膨脹系數(shù)很小或趨于零或?yàn)樨?fù)值的合金材料，稱為因瓦合金。因瓦合金：1920年諾貝爾物理獎(jiǎng)Invariant32將與因瓦反常相關(guān)聯(lián)的其它物理特性的反常行為統(tǒng)稱為因瓦效應(yīng)。主要有：磁學(xué)性能、電阻、低溫比熱、彈性常數(shù)、超聲波吸收等反常行為。33為何出現(xiàn)因瓦反常每種合金值的急劇增大發(fā)生在不同的溫度（該溫度稱為彎曲點(diǎn)），與合金的居里點(diǎn)有關(guān)?？蓮奈镔|(zhì)的磁致伸縮行為去解釋。對于因瓦合金，認(rèn)為是在正常熱膨脹過程中疊加了磁致伸縮引起的負(fù)膨脹。居里點(diǎn)以上，鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕胖律炜s引起的負(fù)膨脹因素消失，只有正常的熱膨脹，膨脹系數(shù)增大到正常值。換言之，在低溫狀態(tài)時(shí)，由于合金的磁性使晶體的點(diǎn)陣常數(shù)撐大；溫度升高時(shí)，由于磁矩的下降，消弱了原子間因磁性引起的擴(kuò)張，使點(diǎn)陣常數(shù)縮小。這個(gè)量和晶體點(diǎn)陣常數(shù)因溫度升高時(shí)的正常熱膨脹同時(shí)發(fā)生，互相抵消，因而使測得的熱膨脹減小，甚至出現(xiàn)負(fù)值。34因瓦效應(yīng)的規(guī)律36%（1）因瓦效應(yīng)與合金的成分有關(guān)幾乎所有的因瓦合金其顯著的因瓦特性都出現(xiàn)在十分接近于面心與體心相界的很窄的成分范圍內(nèi)。（2）因瓦效應(yīng)與開始出現(xiàn)鐵磁性密切相關(guān)相邊界居里點(diǎn)以下時(shí)，幾乎不變；在居里點(diǎn)以上時(shí)，急劇增加。35研制膨脹合金的指導(dǎo)原則（1）高磁矩低居里點(diǎn)是尋求因瓦合金的出發(fā)點(diǎn)；（2）添加合金元素提高居里點(diǎn)，以滿足不同的封接要求，制成各類定膨脹合金；（3）高熔點(diǎn)金屬也可作封接材料。36材料的導(dǎo)熱性熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）的定義：：熱能Q從高溫端T1傳遞到低溫端T2所需要的時(shí)間：熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）在給定溫度T下：傅里葉（Fourier）定律負(fù)號表示熱流方向與溫度梯度的方向相反【W(wǎng)/(m?K)或J/(m?s?K)】導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面積的熱量。37導(dǎo)熱系數(shù)反映了物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。不同物質(zhì)，差異很大。金屬50～415W/(m?K)合金12～120W/(m?K)非金屬液體0.17～0.7W/(m?K)絕熱材料0.03～0.17W/(m?K)大氣壓下氣體0.007～0.17W/(m?K)38熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）的定義：a：導(dǎo)溫系數(shù)d：密度c：比熱在導(dǎo)熱過程中，導(dǎo)溫系數(shù)標(biāo)志著溫度變化的速度。在相同的加熱或冷卻條件下，a愈大，則物體內(nèi)各處溫度差愈小。：熱膨脹系數(shù)E：彈性模量：應(yīng)力鋼件淬火時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力：39熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理e：電子熱導(dǎo)率，來源于自由電子的貢獻(xiàn)：i：離子熱導(dǎo)率