材料的热膨胀性能.ppt
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1、2023/9/18,1,第二章 材料的热膨胀性能,(P230 5.2材料的热膨胀)热胀冷缩现象,称为热膨胀。当有组织变化时,会有一明显的体积效应(一级相变)。,2023/9/18,2,2-1 热膨胀系数,一、线膨胀系数设一物体在TK温度下的真实长度为l,当温度升高TK后,其长度变为l+l,则有下列关系式成立:这里为材料的线膨胀系数。一般来说并不是一个常数,而是随温度变化而改变。一般固体材料的=10-610-2K-1量级,合金和金属的=10-510-6K-1量级,陶瓷材料=10-510-6K-1。,2023/9/18,3,二、体膨胀系数,2023/9/18,4,2-2 固体材料热膨胀机理,固体材
2、料热膨胀的本质是点阵结构中的质点间的平均距离随温度升高而增大,这种增大是由于原子热振动造成的。在热容理论的推导过程中,近似认为晶格振动是一种简谐振动,那么随温度升高,会增大振幅,但却不会改变其平均平衡位置间的距离,即不会发生热膨胀,这样显然与实际结果不符。实际上原子的热振动并不是简谐振动,因为原子间的作用力不是一弹性力,即受力不对称,这可用下述的双原子模型加以解释。,2023/9/18,5,无论从位(势)能曲线或力的曲线,均可解释热膨胀现象。由于温度升高,原子的热振动加剧,U上升,其平衡位置rro,并AB轨迹变化,温度越高,偏离程度越大,从而引起材料的热膨胀。结论:热膨胀来源于原子的非简谐振动
3、,2023/9/18,6,2-3 热膨胀和其他物理性能的关系,一、热膨胀和结合能、熔点的关系 由上述的位能理论可知,热膨胀与位能曲线的形状密切相关。而位能曲线形状与质点间的结合力和熔点有关。结合能(力)越大,熔点越高,位能曲线变得深而窄,升高同样的温度T,质点的振幅增加得较少,平均平衡位置的位移量亦较少,因此热膨胀系数较小。格留奈申(Gruneisen)给出了固态金属膨胀的极限方程:,2023/9/18,7,热膨胀与熔点的关系:P234 图5.26热膨胀与元素序数的关系:P234 图5.27热膨胀与纯金属材料硬度的关系:P235 表5.7,2023/9/18,8,二、热膨胀与热容的关系,显然,
4、热容与热膨胀密切相关。如下图所示。,热容,晶格振动,热膨胀,2023/9/18,9,cP(cV)T曲线与T曲线极其相似,表明两者间的密切关系,当TD时,cP趋于定值,而却连续升高。这是由于空位等缺陷的增加对热膨胀系数的贡献。格留奈申从晶格振动的热容理论推导出立方晶系金属热膨胀系数和热熔间的关系式:,2023/9/18,10,三、热膨胀与材料结构的关系,对于相同组成的物质,由于结构不同,膨胀系数也不同。通常结构紧密的晶体,膨胀系数都较大;而类似于无定形的玻璃,则往往有较小的膨胀系数。对于非等轴晶系,各晶轴方向的膨胀系数不同。在某个方向上甚至出现负值。对于-锂霞石,甚至出现负的体积膨胀系数。例如,
5、,SiO2:多晶石英:=1210-6K-1石英玻璃:=0.510-6K-1,铁素体:a=0.2861nm(常温)=14.510-6K-1奥氏体:(C%=0.0-1.4%)=23.010-6K-1,石墨:垂直于C轴方向(层间):=110-6K-1平行于C轴方向(层内):=2710-6K-1,Al2TiO5:垂直于C轴方向(层间):=-2.610-6K-1平行于C轴方向(层内):=11.510-6K-1,2023/9/18,11,1、多型性转变的影响属于一级相变,l或V有突变,产生明显变化,若相变为等温转变,则在转变点趋近于无穷大。2、有序无序转变属于二级相变,相变时体积无突变,但在相变温度区间有
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