《材料物理性能》课件.ppt

1,材料物理性能,2,序论,1.材料的性能问题回顾 研究材料和生产材料的目的应用材料 材料能否达到要求和优劣、性能价格比（科技发展对材料的性能要求越来越高）。 对于每一实际应用的材料要求其具有一种或多种（综合）性能。 有些场合要求材料某方面的指标越高越好，如超导材料：在努力提高其临界温度Tc，扩大其应用领域；有些场合要考虑其“性能价格比”，即达到使用要求即可。 那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响性能的因素、如何正确选择材料和提高材料的性能是材料科学的基础知识。 总之，我们使用和研究材料，必须首先对其性能要有充分的了解。 材料性能分类、概况？,3,力学性能 在外力作用下所表现出的行为： 弹性变形、塑性变形、断裂弹性模量、硬度、强度、塑性、韧性、疲劳等等。作为结构材料最重要的性能指标。物理性能 由材料的物理本质所决定的性能，如电子能带结构的不同决定材料导电性的不同等。是材料在热、电、磁、光等作用下通过材料的物理本质所表现出的不同性能。如密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热性、熔点等。作为功能材料最重要的性能指标。 化学性能 材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性能、抗氧化性能等。工艺性能 材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工性能等。直接影响材料使用的方式、成本、生产效率等。,材料的性能（使用性能和工艺性能）,4,材料性能学是材科科学与工程一级学科专业基础课。因为材料科学的根本任务是：材料制备、提高材料性能、开发性能优异的新材料、研究材料的应用，以满足各行业对材料性能要求日益提高的需要。最终归结到材料性能上。 通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法及相关仪器设备。 只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。,2.为什么要学习和研究材料的性能,5,工程材料按照其用途可分为：,结构材料和功能材料,在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高强度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能。 当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。 学习材料物理性能主要是为功能材料的研究和使用打基础。,3.本课程的学习目的、内容,6,学习热学性能、电学性能、磁学性能和光学性能。 掌握基本概念： 有关概念与现象及表征，如热导率、磁畴、硬磁与软磁材料、热电效应、半导体的热敏、光敏现象等等。物理本质： 如热膨胀是怎么产生的，不同材料为什么有不同的磁性等。从材料原子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系： 如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。物理性能指标的工程意义： 物理性能指标在实际工程上有何应用。了解物理性能指标的测试方法和原理，相关仪器，试样准备。注意：金属材料、无机非金属材料、高分子材料表现出不同的物理性能，如材料热稳定性（耐热震性）只对无机非金属材料有意义，导电热敏效应只对半导体材料有意义等等。学习时将三大类材料物理性能的共性融合在一起，同时兼顾其个性。,本课程学习的内容和要求,7,材料物理性能 哈尔滨工业大学出版社 邱成军等 TB303/Q712材料物理性能 机械工业出版社，陈騑騢 TB303/C417 金属材料物理性能 冶金工业出版社 王润 75.211 W35无机材料物理性能 清华大学出版社 关振铎等 71.2241/460工程材料的性能、设计与选材 机械工业出版社，柴惠芬,石德珂编 71.22/501材料物理性能 中南大学出版社 龙毅，李庆奎，强文江,参考书：,8,热学性能：各种材料及其制品都是在一定温度环境下使用的，在使用过程中将对不同的温度做出反映，所表现出的不同热物理性能。 如环境温度变化材料膨胀或收缩，同时吸收或放出热量，但不同材料表现不同的值；材料各部分温度不同时。 包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等等。本章学习这些热学性能的有关概念、物理本质、影响因素、测量方法和工程意义。,第一章 材料的热学性能,第1节 热学性能的物理基础1、各种热学性能的物理本质 材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关。晶格热振动：固体材料（包括晶体和非晶体），点阵中的质点（原子、离子）实际上并不是固定不动的，而总是围绕其平衡位置作微小振动。如金属铝、NaCl(面心立方)中离子。 热振动的剧烈程度与温度有关。温度不太高时各质点在其平衡位置作微小振动，温度升高振动加剧，甚至产生扩散（非均质材料），温度升至一定程度，振动周期破坏，材料熔化，晶体材料表现出固定熔点。 只讨论温度不太高时材料的热学性能。,9,第1节 热学性能的物理基础,2、质点的简谐振动方程 可将晶格热振动分解成三个方向的线性振动。设每个质点的质量为m，在任一瞬间该质点在x方向的位移为xn。其相邻质点的位移为xn-1 xn+1 。该质点的运动方程为： Em为微观弹性模量。,相邻质点振动位移间的关系。,临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤立的，与临近质点存在相互作用。,描述：,说明：,3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质点振动频率和振幅增加，热量增加。与热容有关。,10,4、声频支振动和光频支振动 材料中质点间存在很强的相互作用力，一个质点的振动会影响其临近质点的振动，进而影响到其它区域质点的振动。相邻质点间的振动存在一定相位相差，即晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种弹性波称为格波。弹性波是多频率振动的组合波，频率高者传播较快。 声频支振动：振动质点中频率甚低的格波，质点彼此之间位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波（与声音频率相当）。 光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间位相差很大，邻近质点的运动几乎相反，频率住往在红外光区。 声频支振动可看成相邻质点具有相同的振动方向；光频支振动可看成相邻质点振动方向相反。 对于离子型晶体，正、负离子间存在相对振动，对于光频支振动，异号离子间有反向位移，便构成了一个偶极子，在振动过程中此偶极子的偶极矩周期性变化，根据电动力学，它会发射电磁波，其强度决定于振幅大小。在室温下，所发射的这种电磁波是微弱的，如果从外界发射相应频率的红外光，则会被晶体强烈吸收，从而激发总体振动。这就是离子晶体具有很强的红外光吸收特性的原因。,第1节 热学性能的物理基础,11,第2节 材料的热容,1.热容： 在没有相变、化学反应的条件下，材料温度升高1K所吸收的热量。 单位J/K （在T温度时）。 为什么温度升高材料吸收热量哪？（即热容的物理本质是什么？）,温度升高，晶格热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。,影响物质热容的因素：,物质的性质、温度、是否发生体积变化、电子。,2. 比热容（质量热容）：单位质量材料的热容，单位J/(Kg K)。,一、热容的基本概念及其与温度的关系（一）热容的基本概念和物理本质,12,3.摩尔热容：1mol材料的热容。单位：4.平均比热容： 同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往用单位质量的材料从温度T1升高到T2所吸收热量的平均值表示其热容，称平均比热容 。较粗略，但工程上常用，使用时注意：温度范围。,一、热容的基本概念,5.比定压热容和比定容热容 比定压热容：材料温度升高时，压强恒定，所测得的比热容。,P,比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。,cp与cv哪个大？,cpcv 原因？,cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。,13,(1)经典热容理论：固体中每一个自由度的振动（共3个）用谐振子表示，每个振动自由度平均动能和平均位能都为1/2kT(k为玻尔茨曼常数 1.3810-23，则每个原子平均动能和位能之和为：3 2 1/2kT3kT, 1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 1023），1mol原子的总能量为： E3NkT3RT 3R3 8.31425J/Kmol,二、晶态固体热容的经验定律与经典理论,19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。 1.元素的热容定律杜隆伯替定律 恒压下元素的原子热容等于25J/molK，即晶态固体材料每含1mol原子，热容为25J/molK。（举例）,(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素与实际值差别较大。,14,2. 化合物的热容定律奈曼柯普定律 化合物的分子热容等于构成此化合物各原子热容之和。 双原子固体：如NaCl、TiC 摩尔热容？ 多原子固体：如H2O、 SiO2、CaSiO3 摩尔热容？ 其来由是根据杜隆伯替定律，也是基于经典热容理论。,二、晶态固体热容的经验定律与经典理论,（1）认为热容与温度无关，与事实不符。实际上？ （2）低温时、轻元素与事实差别很大。 （3）认为所有元素热容相同，构成化合物时，分子热容等于各原子热 容之和，与事实不完全相符。 （4）未考虑体积是否变化及电子的影响。 （5）除轻元素外大部分元素与固体物质在非低温时与事实十分接近。,3.热容经验定律评价,原因：假设与前提问题，依据气体分子动力学，认为质点内能连续，原子（各种元素） 在相同温度下，平均动能、位能相等，模型过于简化。,经验定律和经典理论在解释实际问题时不能与事实完全相符，因此出现了固体热容的量子理论。,15,3.热容经验定律评价,三、晶态固体热容的量子理论,晶态固体热容的经典理论过于简化，存在较多的问题。20世纪初期提出了晶态固体量子理论，能够更好地解释热容现象。 普朗克首先提出了质点振动能量的“量子化”理论。认为在一物体内，即使温度相同，不同质点热振动的频率（）也不尽相同，即使同一质点能量也时大时小。但它们的能量都是量子化的，都以h为最小单位，称量子能阶。质点的能量都是这一最小单位的整数倍。 在此基础上，经过简化和推导，得到了一些热容的数学模型，其中有代表性的为爱因斯坦模型和德拜模型。,1.爱因斯坦模型 1906年爱因斯坦根据普朗克质点振动量子化的观点，并假设每个质点都在独立振动，原子间彼此无关，每个质点振动频率相同，简化、推导而得。,爱因斯坦比热函数,E,爱因斯坦温度,16,讨论：（1）高温时（TE ）， 即为杜隆伯替定律的形式，实际上杜隆伯替定律在较高温度 时与事实符合较好。,1.爱因斯坦模型,（2）低温时（TE ）， 热容以指数规律随T减小而减小，但不是按T的三次方变化，计算值 较实际值小，但较经验定律有明显进步。（3）T0时，热容为0，与事实相符。,17,进步：能量量子化，考虑了温度因素。 不足：在TE温区理论值较实验值下降得过快。 原因：前提、没有考虑低频率振动对热容的贡献。德拜模型在这一方面作了改进，故能得到更好结果。,1.爱因斯坦模型,18,前提：考虑了晶体中各质点的相互作用；对热容的贡献主要是频率较低的声频支振动（0max），光频支振动对热容的贡献很小，忽略；把晶体看作连续介质； max由分子密度和声速决定。,2. 德拜模型,讨论：（1）高温时（TD ） = 即杜隆伯替定律形式。,19,2. 德拜模型,评价： 一般场合已足够精确。但随着测量技术的进步，发现其在低温下还不能与实际完全相符；不能解释超导现象；不完全适用于复杂化合物。 原因：晶体毕竟不是一个连续体（如晶界、杂质等缺陷）。对于金属晶体，没有考虑自由电子的贡献等。,（2）低温时（TD ）， 热容与T的3次方成比例地趋于0，与事实十分符合，较爱因斯坦模型进步。（3） T0时，热容为0，与事实相符。,20,四、无机材料的热容,1. 材料都有D （0.20.5T熔），D以上热容逐渐趋于25J/molK，绝大多数氧化物、碳化物，至1273K附近热容近似于25J/molK，温度进一步增加热容基本不变。 2.热容与材料组织结构关系不大，如CaO和SiO2mol比为1：1的混合物与CaSiO3的热容T曲线基本重合。但单位体积的热容与气孔率有关，多孔材料质轻，体积热容小。因此周期加热炉，用多孔的硅藻上砖、泡沫刚玉等，减少热量损耗，加快升降温速度。 3. 在相变、多晶转化、铁电转变、有序无序转变等点上，热容突变。同样金属材料熔化与凝固、过饱和固溶体时效，马氏体与残余奥氏体回火转变，形变金属的回复、再结晶等温度也存在这一现象。原因？ 4.材料热容与温度关系的经验公式 根据实验结果加以整理，可得经验公式： Cp abTcT2 一些无机材料在不同温度范围的 a、b、c可通过相关资料（如物理性能手册）查出。工程上一般采用。 较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程上也常用查得的构成该化合物的元素或简单化合物的热容总和作为其热容（如CaSiO3）。,21,五、金属材料的热容,1.自由电子对热容的贡献 金属的特征是内部有大量的自由电子。经典电子论估计自由电于对热容的贡献在32k（玻尔茨曼常数）数量级，且与温度无关，金属化合物、固溶体和中间相的热容由点阵振动和自由电子两部分组成。常温下电子对热容的贡献只占1100；但在极高温度和极低温度下，对热容的贡献不可忽视。这是因为高温下电子像金属晶体离子那样显著地参加到热运动中，因此，高温区随温度升高热容继续上升。极低温下，电子热容不像离子热容那样急剧减小，因而在极低温度下起着主导作用。 2.合金成分对热容的影响 合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和。温度高于D时，计算出的热容值与实测结果相差不超过4。该定律具有一定的普遍性，它不仅适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，并能准确地适用于中间相和固溶体及它们所组成的多相合金，但对铁磁合金不适用。热处理虽能改变合金组织，但对合金高温下的热容无明显影响。 3.相变时热容变化（自学）P9,六、热容的测量（自学）七、热分析及其工程应用（自学）,22,第3节 材料的热膨胀,一、热膨胀的概念及热膨胀系数1.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。也就是所谓的 热胀冷缩现象。 不同物质的热膨胀特性不同。有的物质随温度变化有较大的体积变化，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，晶体结构不同（如石英玻璃与SiO2晶体），也将有不同的热膨胀性能，等等。 意义：集成电路、特灯等基体材料与金属间的封接，复合材料，精密仪器等。选择、设计膨胀性能满足使用要求的材料。,2.热膨胀系数：1）线膨胀系数（1）物体温度升高自T1T2，其长度增加自L1L2，则,23,一、热膨胀的概念及热膨胀系数,（2）当T和L0时，得 即T温度下的真线膨胀系数，或微分线膨胀系数。（3） 一般随温度的升高而升高。 （4）手册上查到的都是平均线膨胀系数，工程上一般使用，但一定注意其使用温度范围。（5）一般无机非金属 较小，金属材料较大。大多在105106K 1 数量级。如（106K 1）：Al:23.8（303273K）；钢: 1020（273373K）；Cu:17.18（373K）Si:6.95（ 273373K）；SiC:4.7 （2731273K）；Si3N4:2.7 （2731273K）；石英玻璃:0.5 （2731273K）。,2）体积膨胀系数（体膨胀系数） 物体的体积随温度升高而增大，表示为：VT=V0(1+V T)， V即为平均体积膨胀系数。 表示物体温度升高1K，体积的相对增大量。真体积膨胀系数？（1）各项同性立方体材料：V 3L 推导略。（2）各项异性立方体材料： 各晶轴方向的线性膨胀系数不同，分别为表示为：a、b、c 可得：V ab c 推导略。,24,二、热膨胀的机理,1.简谐振动问题 前面将质点热振动近似看作简谐振动。即质点只围绕其平衡位置做热振动，温度升高不改变其平衡位置，只影响振幅、频率，质点间平均距离不因温度升高而改变，这样不会有热膨胀，显然与实际不符，即简谐振动不能解释热膨胀现象，只能揭示热容的本质。那么热膨胀是怎样通过质点的热振动产生的哪？（前面讲过，材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关）。,2.热膨胀的物理本质（机理） 实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。,25,2. 热膨胀的物理本质（机理）,引力与斥力都与质点间距有关： 引力与斥力都随质点间离减小而增大，但两力不简单地与位移成正比。 随间距减小增大速度不同，斥力增加快，合力曲线斜率不等（平衡位置左侧大，右侧小），所以质点振动时其平均位置不在振动的平衡位置，而靠右。温度升高，振幅增大，其平均位置偏离平衡位置靠右的距离越大，两质点间的距离增大，晶胞参数增大，物体膨胀。,26,(2)用势能曲线解释 质点相作用的位能曲线（图中虚线），图中平行的横线代表不同的温度。任一温度下，质点在其平衡位置动能最大，势能为零；在左右最远距离势能最大，动能为零。随温度升高，质点振幅增大，左右侧最大势能都增加，但由于斥力增加的快，左侧势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的中心位置右移，质点间的距离增大，物体膨胀。,2.热膨胀的物理本质（机理）,27,1.与热容之间的关系 格律乃森定律：物体的膨胀系数与定容热容成正比（表达式见式1.40、1.41）。它们有相似温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。图1.19是铝根据其理论关系所得的曲线与实测结果的对比，基本一致。 原因：固体的热膨胀实质上是由于材料温度升高晶格热振动加剧引起的。振幅增加越大，热膨胀越大，同时振动能量越大。而晶格热振动加剧，质点振动能量增加，升高单位温度能量的增加值正是热容的定义。2.与原子结合能、熔点之间的关系 热膨胀系数与熔点、原子间结合能、德拜温度的平方成反比。 原因：固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，质点的位能性质又由质点间的结合力特性决定。原子间结合力越强的材料，其位阱越深而狭（位能随质点位移变化陡峭），升高同样温度，振幅增加越小，因此热膨胀系数小。 一般，晶体结构类型相同时，结合能大的物质熔点高，所以熔点高的物质膨胀系数小。单质的熔点与元素周期表存在一定规律，所以膨胀系数与周期表也有相应关系。如：,三、热膨胀与其它物理性能之间的关系,28,1.键强： 键强越大的材料膨胀系数越小，如陶瓷为共价或离子键，膨胀系数小。2.晶体结构： 化学组成同，但晶体结构不同，如石英玻璃与多晶石英。哪个大？ 结构紧密的晶体大，类似非晶态玻璃那样结构松散的材料小。因结构疏松的材料内部空隙较多，温度升高，质点振幅增大，质点间距离的增大部分被结构内的空隙所容纳，整个材料宏观上小。 多晶石英：12106K 1； 石英玻璃：0.5106K 13.非等轴晶系的晶体 单晶体各晶轴方向不同，最显著的是层状结构材料。如石墨层内结合力强，小，1106K 1，层间结合力弱得多，大，27106K 1 。 多晶金属材料，往往存在微晶的择优取向，在一定程度上表现出单晶的各相异性；一般结构上高度各相异性的材料， V都很小，因此作为优良耐热震材料被广泛使用。4.相变 材料发生相变，膨胀特性也发生明显变化，不同相变变化特征不同。 原因：材料晶型、晶体结构、结合键等都可能发生明显变化。,四、影响热膨胀性能的因素,29,5. 合金 单相均匀固溶体合金 溶质元素膨胀系数高于溶剂基体时膨胀系数增加；溶质元素膨胀系数低于溶剂基体时膨胀系数降低。含量越高影响越大。因此其膨胀系数介于两组元之间，随溶质原子浓度变化近似呈直线变化，一般略低于直线值。 溶质元素的膨胀系数高于基体：如Cu-Zn、Sn；Fe-Mn、Sn等。 溶质元素的膨胀系数低于基体：如Ag-Au；Bi-Sb； Fe-Cr、V；Cu-Pd、Ni、Au；Al-Cu、Si、Ni、Fe等。 注意：Cu-Sb例外， Sb膨胀系数低于Cu，但使Cu膨胀系数增大，可能与其半金属性有关。 多相合金 介于各组成相的膨胀系数之间，可近似按体积百分数以混合定则粗略估算。6.钢 取决于组成相特性：奥氏体最高。 钢中合金元素影响：形成碳化物升高，固溶于铁素体降低。,四、影响热膨胀性能的因素,30,热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。1.是决定材料抗热震性的主要因素。2.陶瓷坯上釉， 二者应匹配。釉适当小于坯，烧结冷却过程中，釉 层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小 的太多也不行，会使釉层脱落。3.集成电路、电子管、特灯生产中。4.复合材料制备。5.精密仪器仪表。,六、热膨胀系数的测量（自学）七、膨胀分析的应用（自学）,五、热膨胀在工程中的意义,31,一、热传导与热导率的基本概念与定律1.热传导： 不同温度的物体具有不同的内能；同一物体在不同的区域温度不等，含有的内能不同。这些不同温度的物体或区域相互靠近或接触时，就会以热量的形式交换能量。 当材料相邻部分间存在温度差时，热量从温度高的区域自动流向温度低的区域，这种现象叫热传导。 不同的材料导热性能不同。工程应用上，有时希望材料的导热性越差越好，如隔热材料、保温材料等；有时希望材料的导热性越良越好，如散热器材料、电子信息材料等。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等诸多技术领域，材料的导热性都是非常重要的问题。 那么，材料的导热性能好坏如何定量地比较、衡量哪？需引入“热导率”的概念。,第4节 材料的热传导,32,2.傅里叶定律和热导率,先分析一下在某一特定材料中的传热量与哪些因素有关：,温度梯度：沿热流方向每单位长度的温度变化量， 。矢量，规定其方向指向温度升高的方向。 热流密度：单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量，以“q”表示。 傅里叶定律：在固体内任何一点，热流密度与温度梯度成正比，但方向相反，即 即为热导率，表示单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。 则，流过的与热流垂直的某一截面的热量（注意“”的意义）： 导热率也称为导热系数，标志材料本质的导热能力。单位：(根据其物理意义记）。 注意：利用傅里叶定律计算传热量时，只适用于稳定传热过程，即x方向各处温度恒定；只适用于各向同性材料，各向异性材料 不是定数。 金属比非金属导热性能好，气体是热的绝缘体。 热阻率（ ）：热导率的倒数。,33,3.热扩散率,前面讨论的是稳定传热过程，即传热过程中各处温度不变。但比如工件在加热炉内加热时，各部分温度不断发生变化，即为不稳定传热过程。加热过程中，自工件表面逐渐向内部传热，这个工件温度逐渐达到一致。,那么温度（热焓）变化并达到一致的时间与哪些因素有关哪？,导热率、热容与密度（储热能力）、体积形状。,因此，引入导温系数或热扩散率（）的概念：表征材料随温度场的变化其温度变化的速率， 。 为材料的密度，c为比热容。在加热或冷却相同的条件下， 越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。要计算出经多长时间才能使工件达到某一预定的均匀温度，就需知道热扩散率。,34,气体导热回忆：依靠分子间的碰撞传递能量来实现。即气体中温度高的分子运动激烈，能量大；温度低的分子能量小。通过碰撞，低能量分子能量升高温度上升，高能量的分子能量降低温度下降，从而实现传热。,固体中质点只能在其平衡位置附近做微小振动，不能象气体一样依靠质点间的直接碰撞来传热。依靠什么哪？主要依靠晶格振动的格波和自由电子。回忆格波的概念。,二、热传导的物理机制（微观机理）,1.金属材料,有大量的自由电子，可迅速实现传热，故一般很大。晶格振动对金属导热的贡献很次要。,2.非金属材料,自由电子极少，导热主要依靠晶格振动的格波。材料内存在温度差时，晶格中处于较高温度的质点热振动较强烈，其临近温度较低的质点热振动较弱。由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下振动加剧，能量增加；振动较强的振动能量降低，使热量发生转移。这样能量传递在整个材料内进行，从而实现传热。,35,温度不太高时，质点振动微弱，频率较低，相邻质点间相位差小，格波频率低，即主要是声频支振动，光频支的能量很微弱，固体非金属材料导热光频支的贡献可以忽略。 为了研究方便，引入“声子”的概念，即将晶格振动中的能量量子化，声频波中的量子称为声子。一个声子的能量为h，这样就可将声频支振动的格波理解为声子的运动。把格波与物质的相互作用声子与物质的碰撞；把格波传播遇到的散射声子与缺陷的碰撞；把理想晶体中热阻的来源声子与声子的碰撞。,1）声子和声子传热,2.非金属材料,就是说热传导可理解为声子运动的结果，就像气体热传导中分子之间的碰撞一样。它们的热导率应具有同样形式的数学表达式。 理想气体热导率公式： 。 c:单位气体比热容， :气体分子平均速度， l:气体分子平均自由程。,36,1）声子和声子传热,引申到晶体材料中： c：声子比热容， ：声子平均速度， ：声子平均自由程。 仅与晶体密度、弹性力学性质有关，与频率无关。 c与 是频率的函数，即与温度有关。 c：与温度的关系即物体热容与温度的关系。 l 的影响因素： 格波中耦合作用（振动中的非线性）越强，不同频率格波传播中相 互干扰越严重，声子间碰撞越严重，l减小，热导率降低。 晶体中缺陷、杂质即晶界都会引起声子散射， l减小，热导率降低。 频率越低，波长越大，传播越易绕过缺陷， l大，热导率降高。 温度升高，声子碰撞机会增多， l减小。但减小有限度，高温下l最 小值为几个晶格间距；反之，低温时最大为一个晶粒尺寸。,37,2）光子传热,光子： 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出较高频率的电磁波。波长0.440m（可见光与部分近红外光区）。 此辐射线称热射线，热射线的传递过程称热辐射。由于它们都在光频范围，其传播过程和光在介质中传播现象类似，也有散射、衍射、吸收、反射和折射，所以可把它们的导热看做光子在介质中传播。 温度不太高时，热辐射很微弱，但随温度升高，热辐射急剧增大，与T的四次方成正比。光子导热就不可忽视。 光子导热仍以 作基本形式。 宏观解释：材料中存在温度梯度时，两相邻体积单元间温度高的辐射能量大，吸收的能量小；温度低的体积单元相反，这样在整个材料中温度从高温区向低温区传递。 对于光子导热，辐射透明的介质光子l大，反之光子l小。完全不透明的介质，光子l为零，辐射导热可忽略。即还取决于材料光学性能。,38,2）光子传热, 可见，材料依靠晶格热振动的导热有两种机制，即声子导热与光子 导热，温度不太高时光子导热可忽略，高温时光子导热不可忽视。,39,三、热导率的一般规律魏得曼-弗兰兹定律,内容： 室温下的许多金属材料 几乎相同； 与温度T成正比 L：称为洛仑兹数，2.45 108W K2, 意义： 热导率的测定既困难又不准确，根据此公式可通过测定电导率来确 定金属热导率。,40,四、影响材料的因素,1.温度: 1)金属与合金：（自学） 2)非金属材料： 温度不太高时，声子导热占主导，根据公式 ：基本不随温度变化，不考虑。 l：温度极低时（020K左右)为上限，一个晶粒大小；随温度升高l降 低；较高温度时趋于下限，几个晶格间距。 c：为固体材料热容随温度的变化规律。因此： 020K左右：l为上限， c正比于T的3次方，故正比于T的3次方。 约2040K：温度升高， l降， c正比于T的3次方，故随T升高而升 高，但不是正比于T的3次方。约40800K： c基本恒定， l降， 随T升高而降低。大于800K： c基本恒定， l为下限， 随T变化平缓。很高温度：光子导热作用强， 随T升高而升高。,画出随温度变化曲线： 可见，对于一般的非金属晶体材料，在常用温度区间，随温度升而降。,41,2.晶体结构影响复杂性： 晶体结构越复杂，对于声子传热格波受到的散射越严重，传播阻力越大，l降，减小。如MgAl2O4较Al2O4、MgO的小。非等轴晶系： 有各向异性，如石墨，层内大。随温度升高，各向差减小，因温度升高，结构趋于对称。多晶与单晶 同种材料多晶比单晶小。因多晶中晶界、缺陷多，声子易散射，自由程减小。随温度升高，差值增大，因晶界、缺陷等对声子阻碍作用增强，但单晶在温度升高后光子导热较多晶明显。非晶材料 较晶体材料小几个数量级。因非晶近程有序，可看成晶粒极小的晶体（几个晶格间距），为声子自由程在极低温度下的下限。即自由程实际不随温度变化，是晶体材料的下限，l小。,四、影响材料的因素,42,3.化学组成的影响 1）构成晶体的元素 一般组成元素的原子质量越小，晶体密度越小，弹性模量越大，德拜温度越高，越大。故轻元素固体和结合能越大的固体较大。如： 2）固溶体： 固溶体形成， 减小。 原因： 趋势图：“U”形。 金属：4.复合材料 “S”形。5.气孔的影响（自学）6.金属与合金： 冷加工、固溶强化、多相合金较无缺陷金属小。,四、热导率的测量（自学）,四、影响材料的因素,43,第5节 材料的热稳定性,一、概念与表示方法,1.热稳定性,材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力（又称抗热震性）。,不同材料种类材料的热稳定性？,无机材料及其它脆性材料： 热稳定性较差，制备、加工和使用过程中经常会受到环境温度起伏的热冲击，热稳定性是无机材料的一个重要性能。（工程意义？）,材料受热冲击时的损坏有两种类型： 抗热冲击断裂性：抵抗热冲击时发生瞬时断裂的能力（玻璃、陶瓷等）； 抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展， 最终碎裂或变质（含微孔的材料、非均质金属陶瓷等）。,注意与高温性能和化学稳定性的区别,44,2.表示方法,对于一具体材料，其热稳定性好坏如何衡量哪？工程上，不同材料采用不同的直观、简便的热稳定性评定方法：,日用瓷：一定规格的试样加热到一定温度立即置于流动的室温水中 急冷。逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂， 以产生龟裂的前一次的温度来表征其热稳定性。普通耐火材料:试样加热到1123K并保温40 min 置于283293K的流 动水中3min或空气中510min 重复这样的操作，直至 试件失重20。以操作次数来表征其热稳定性。高温陶瓷材料:以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度 的损失率来评定它的热稳定性。 如制品形状较复杂，则在可能的情况下，直接用制品进行测定，以免除形状和尺寸带来的影响。如高压电瓷的悬式绝缘子等。,对于无机材料尤其是制品的热稳定性，尚需提出一些评定的因子，以便从理论上分析其机理和影响因素。,45,二、热应力,无机非金属材料为什么在热冲击条件下会发生开裂、损伤哪？,其根本原因是材料在受到热冲击时产生热膨胀或收缩引起的内应力（即热应力）超过了材料力学极限而引起的。,1.热应力的产生,2.具体材料中热应力的存在,实际材料中并不是在以上所述两端固定机械力的作用下才产生热应力。 多相复合材料:各相热膨胀系数不同,各相膨胀、收缩不一致； 材料内存在温度梯度：相邻各部分膨胀、收缩不一致产生热应力。如热 玻璃板投入冷水，表面层收缩大产生张应力；内层收缩小产生压应力。,46,三、抗热冲击断裂性能,1.第一热应力断裂抵抗因子R,玻璃、陶瓷脆性材料为什么在热冲击条件下会发生瞬时断裂哪？ 根据前面的分析，是由于在热冲击时材料内部产生的热应力超过了材料强度极限引起的。即只要材料表面和中心间最大热应力不超过f，材料就不会损坏。 （以热应力f为判据）,材料表面和中心的温差越大，内应力越大。显然材料所能承受不致断裂的最大温差Tmax值愈大，热稳定性越好。可以用Tmax表征材料热稳定性。 理论计算得出： 定义R为第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子。单位：。 f极限抗拉强度，泊松比，E弹性模量，线膨胀系数。,47,2.第二热应力断裂抵抗因子R,第一热应力因子只考虑到材料f、E。但材料是否出现热应力断裂，还与材料中应力的分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（例如塑性、均匀性、驰豫性）以及原先存在的裂纹、缺陷等有关。因此，R虽然在一定程度上反映了材料抗热冲击性的优劣，但并不全面。,第二热应力因子又考虑到如下因素：（l）热导率：愈大，传热愈快，热应力很快缓解，对热稳定有利。（2）材料或制品的厚薄：薄的传热通道短，容易很快使温度均匀。材料 半厚以rm表示。（3）表面散热速率（表面热传递系数）h：材料表面温度比周围环境温度 高1K，在单位表面积、单位时间带走的热量。h大，散热快，内外温 差大，热应力大。如窑内进风，降温快，会使制品炸裂。,48,2.第二热应力断裂抵抗因子R,考虑以上三因素，引入毕奥模量：hrm/。可见，越大，对热稳定性越不利。 实际骤冷时，由于驰豫等因素，材料内部产生的最大热应力是滞后的。 即热应力并不是马上达最大值，且随的不同，热应力会有不同程度的折减。越小，滞后越多，折减越多。,考虑到应力折减可导出：定义为第二热应力断裂抵抗因子。最大温差 S为形状系数，无限平板S1。,49,3.材料最大冷却速率与第三热应力因子R,实际应用中，用材料允许的最大冷却或加热速率 表征其热稳定性更直接实用。 对于无限平板可导出： 其中 称为第三热应力因子。 为密度，cp为热容。,50,四、抗热冲击损伤性,抗热冲击断裂，以强度应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后就产生开裂。一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。这样导出的结果只适用于一般的玻璃、陶瓷和电子陶瓷等。 但对于含微孔的材料（如粘士质耐火制品、建筑砖等）和非均质的金属陶瓷等却不适用。 这些材料在热冲击下产生裂纹时，在裂纹瞬时扩张过程中可能被微孔、晶界或金属相所阻止，如果裂纹的扩展、蔓延能抑制在一个很小的范围内，可能不致引起材料的完全断裂。如一些筑炉用的耐火砖中，含1020气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤性。而气孔的存在会降低材料的强度和热导率，而R和R值都要减小。这一现象按强度应力理论就不能解释。凡是以热冲击损伤为主的热冲击破坏都是如此。 因此，对抗热震性问题就发展了第二种处理方式，从断裂力学观点出发，以弹性应变能断裂能为判据的理论。 即含微孔材料、非均质金属陶瓷热冲击情况下，裂纹的产生、扩展以及蔓延程度与材料积存的弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。,51,四、抗热冲击损伤性,52,五、提高抗热冲击断裂性能的措施,主要根据抗热冲击断裂因子所涉及到的各性能参数对热稳定性的影响。 1.提高，降低E，使/E 提高 实际无机材料不低，但E很大，尤其是普通玻璃更是如此；金属材料大E小，例如钨的断裂强度比陶瓷高几十倍。 同种材料晶粒细，晶界缺陷少，气孔少而均匀则强度高，抗热冲击性好。 2.提高，使 提高 大，内外温差较快得到缓解平衡，减小热应力聚集时间。金属材料大，只有BeO可与金属类比。 3.减小材料热膨胀系数 相同温差，热应力小。如石英玻璃，很小，可作炉管等。 4.减小材料表面散热系数h 周围环境散热条件特别重要，如烧成冷却阶段，维持降温速度，表面不吹风。 5.减小材料有效厚度,53,五、提高抗热冲击断裂性能的措施,以上措施是针对密实性陶瓷材料、玻璃等，提高抗热冲击断裂性能而言。 但对多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，要从抗热冲击损伤性来考虑。如耐火砖的热稳定不够，表现为层层剥落，这是表面裂纹、微裂纹扩展所致。材料具有高E和低的极限强度，材料具有更低的弹性应变能释放率；另一方面，提高材料的断裂表面能。,54,小结,1.材料的热稳定性（抗热震性能） 为什么说它是无机非金属材料的一项重要性能？ 2. 材料受热冲击损坏的两种类型 分别适用于哪些材料？ 3. 工程上评定“日用瓷”、“普通耐火材料”、“高温陶瓷材料”热稳定性好 坏通常分别采用的方法 4.材料受热冲击损坏的根本原因 5. 热应力及其产生 6. 材料抗热冲击断裂的判据，第一、二、三热