材料物理性能ppt课件.ppt
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1、材料物理性能,材料学院张果戈,2,内容,材料的热学性能材料的磁学性能材料的电学性能材料的光学性能材料的介电性能材料的耐腐蚀性能,3,参考资料,耿桂宏,材料物理与性能学,北京大学出版社田莳,材料物理性能,北京航空航天大学出版社熊兆贤,材料物理导论,科学出版社贾梦秋,应用电化学,高等教育出版社,4,一、材料的热学性能,内容:热容、热膨胀及热传导基本概念、物理本质、影响因素及其在材料研究中的应用,5,(一)热学性能的物理基础,热力学第一定律外界对系统传递能量的一部分使系数的内能增加,另一部分用于系统对外做功。说明了热、功转化的数量关系,而不能解决过程进行的方向及限度问题。热力学第二定律克劳修斯表述:
2、热量不可能自动从低温物体传到高温物体。开尔文表述:不可能制成一种循环动作的热机,只从一个热源吸取热量,使它完全变为功,而使其它物体不发生任何变化。熵增加原理,平衡态对应于熵最大的状态。,6,(一)热学性能的物理基础,晶格热振动晶格热振动:晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动。材料热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。晶格振动是三维的,当振动很微弱时,可认为原子作简谐振动。振动频率随弹性模量Em增大而提高。温度升高时质点动能增大,1/2 mv2=1/2 kT,(动能)i热能质点热振动相互影响,相邻质点间的振动存在一定的相位差,晶格振动以波(格波)的形式在整个材料内传播。格波在固体中的传播速度:
3、v=3*103m/s,晶格常数a为10-10 m数量级,格波最高频率:v/2a=1.5*1013 Hz频率极低的格波:声频支振动;频率极高的格波:光频支振动,7,(一)热学性能的物理基础,晶格热振动简谐振子的能量是量子化的,以声子为最小基本单位。引入声子的好处:简谐近似下晶格振动的热力学问题可当作由声子组成的理想气体系统来处理。若考虑非简谐效应,可看作有相互作用的声子气体。材料热量的得失过程就是声子的得失过程,热传导依靠声子的传播。声子数目不守恒,8,(二)热容,热容:在没有相变或化学反应的条件下,材料温度升高1K时所吸收的热量。物理本质:材料的焓随温度变化而变化的一个物理量。质量热容(比热容
4、);摩尔热容,Q,T,T1,T2,9,(二)热容,定容热容容积恒定条件定压热容恒压条件,10,(二)热容,热容随温度的变化规律I区(接近0K):CVTII区(低温区):CVT3III区(高温区):CV趋于恒定,I,II,III,CV,T,金属在室温以上CV很快接近25J mol-1 K-1,陶瓷在1000oC左右才趋于这一数值,11,(二)热容,热容的经典理论和经验定律杜隆珀替定律:忽略自由电子对热容的贡献,假设振动能量只由原子的热振动引起,每个原子的平均动能和位能之和为3kT。恒压下元素的原子热容为25J/(K mol)。用途:推算未知物原子量柯普定律:化合物分子热容等于构成此化合物各元素原
5、子热容之和 C=niCi,缺陷:仅适用于高温段,12,(二)热容,热容的量子理论爱因斯坦模型:每个原子都是独立的振子,原子振动频率相同,无相互作用qE=hv/k:爱因斯坦温度高温时,TqECv3R=25J/(K mol)低温时,TqET0K时,CV 0。,缺陷:低温段偏差大,未考虑质点相互作用及低频率振动对热容的贡献,CV,T,爱因斯坦曲线,实验曲线,13,(二)热容,热容的量子理论德拜模型:考虑了原子间相互作用及质点振动的频率范围。假定各质点振动的频率不同,可连续分布于0到最大频率之间。低温时参与低频振动的质点较多。德拜温度:qD=hvmax/k高温时 Cv3R=25J/(K mol)低温时
6、,缺陷:假设晶体为连续体,对于原子振动频率较高的部分不适用;未考虑电子热容,不能很好地解释金属热容在极高温及极低温的变化规律,CV,T,德拜曲线,实验曲线,14,(二)热容,金属的热容自由电子对热容的贡献温度极低或极高时自由电子对热容有贡献常温下点阵热容大于电子热容过渡金属的电子热容较大,包括s层电子热容、d层或f层电子的热容。过渡金属的热容远比简单金属的大,合金成份对热容的影响一般情况下(铁磁合金除外)可用柯普定律 C=niCi热处理对合金高温下的热容没明显影响(改变阻值),铜的热容随温度变化的曲线,15,(二)热容,无机非金属材料的热容高温(qD)时趋近于25J/(mol K),低温(qD
7、)时与T3成正比。qD0.2 0.5 Tm对结构不敏感,具有相加性(柯普定律)某些材料可用经验公式Cp=a+bT+cT-2+,16,(二)热容,组织转变对热容的影响一级相变:特定温度下发生的转变。特点:转变点具有处于平衡的两个相,且在两相之间存在分界面。如金属的熔化、凝固,合金的共晶与包晶转变,固态合金中的共析转变及同素异构转变等。热焓曲线出现跃变,热容趋于无穷大。,H,T,TC,一级相变焓和热容随温度的变化,17,(二)热容,组织转变对热容的影响二级相变:一个温度范围内发生的转变特点:转变过程中只有一个相。如磁性转变、有序无序转变及合金的超导转变等。无相变潜热,热容曲线发生突变。亚稳态组织转
8、变:不可逆组织转变。,H,T,TC,二级相变焓和热容随温度的变化,如过饱和固溶体的时效,变形金属的回复与再结晶,马氏体和残余奥氏体的回火转变等。亚稳态组织转变为稳定态要释放热量,热容温度曲线向下拐折。,18,(二)热容,热容的测量量热计法。低温及中温区:电加热法高温区:撒克司法,P:搅拌器,C:量热器筒,19,(二)热容,热分析方法目的:探测相变过程中的热效应并测出热效应的大小和发生的温度。热重法(Thermogravimetry):测量质量与温度的关系。用途:测量有机物分解温度,研究高聚物的热稳定性,TIM,Ni(OH)2,20,(二)热容,热分析方法差热分析(Differential th
9、ermal analysis,DTA):测量试样与参比物之间温差与时间或温度的关系。分析所采用的参比物应是热惰性物质,即在整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏,也不与被测物质发生化学反应。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。,缺点:重复性差,分辨率不够高,非晶TiO2+炭黑,21,(二)热容,热分析方法差示扫描量热法(Differential scanning calorimetry,DSC):测量为使试样与参比物保持同样的温度而需补充的热量与时间或温度的关系用途:测量相变温度,进行相变潜热的分析,研究各种因素对聚合物的玻璃化与结晶熔融转变的影响,Inconel 718,优点:温差
10、为0,不受热阻影响,有很好定量性,22,(二)热容,热分析方法的应用:材料的转变和反应一般伴随热效应。研究组织转变,淬火态样品,250oC回火2小时样品,淬火马氏体回火马氏体,残余奥氏体回火马氏体,碳化铁渗碳体,23,(二)热容,热分析方法的应用建立合金相图:测定合金的液固、固固相变的临界点。优点:测量温度范围宽,可测定任何转变的热效应。,凝固点,共晶点,取某一成份合金,测定DTA曲线,获得凝固和共晶转变温度,将不同成份合金的凝固和共晶转变温度连成平滑的曲线,加热或冷却速度应小于5oC/min,24,(二)热容,热分析方法的应用热弹性马氏体相变研究:热弹性马氏体相变体积效应小,难以用膨胀法;电
11、阻法则有较大误差。相变时热效应显著,可用DSC法。合金的有序无序转变研究,Ti-Ni合金的DSC测量结果,显著的吸热与放热峰,可准确判断其相变点,Cu-Zn合金比热容曲线,25,(三)热膨胀,热膨胀:物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。反膨胀:某些物质(水、锑、铋)在某一温度范围受热体积反而缩小。线膨胀系数:体膨胀系数:各项同性晶体:av=3al各项异性晶体:av=aa+ab+ac无机材料线膨胀系数一般在10-510-6 K-1数量级,通常al越小,材料热稳定性越好(Si3N4,2.7*10-6 K-1)。,26,(三)热膨胀,热膨胀机理:质点热振动的非对称性,质点间平均距离随温度升高而增
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