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1、材料的热学性能材料的热学性能 任何材料在使用的过程中都会受到热影响任何材料在使用的过程中都会受到热影响或产生热效应。一些场合要求材料具有特或产生热效应。一些场合要求材料具有特殊的热学性能殊的热学性能低膨胀性能、好的隔热性低膨胀性能、好的隔热性能、高的导热性能等。材料的热学性能在能、高的导热性能等。材料的热学性能在材料的相变研究中具有重要意义。材料的相变研究中具有重要意义。材料的热学性能主要包括材料的热学性能主要包括：热容（thermal content）热膨胀（thermal expansion）热传导（heat conductivity）理解材料的热容、热膨胀、热传导的物理本质，掌握表征上述
2、性能的物理参量：摩尔热容、线膨胀、体膨胀系数、热导热和热扩散律的物理意义。热容热容是物体温度升高是物体温度升高1K1K所需要增加的能量所需要增加的能量。比热容单位比热容单位 ,摩尔热容单位摩尔热容单位 平均热容平均热容恒压热容恒压热容 恒容热容恒容热容 lQ热量lE内能lH热焓第一节第一节 材料的热容材料的热容a.a.恒容热容：恒容热容：加热过程中材料的体积不变，则所供给的热量加热过程中材料的体积不变，则所供给的热量只满足温度升高只满足温度升高1K1K时物体内能的增加。时物体内能的增加。b.b.恒压热容：恒压热容：保持压力不变的情况下，加热过程中材料的体积保持压力不变的情况下，加热过程中材料的
3、体积膨胀，则所供给的热量除满足温度升高膨胀，则所供给的热量除满足温度升高1K1K时物体时物体内能的增加外，还必须补充对外做功的损耗。内能的增加外，还必须补充对外做功的损耗。比热容：比热容：焓和热容是材料焓和热容是材料发生相变发生相变时的重要参量。时的重要参量。l热分析热分析研究焓和温度的关系，可以确定热容的变研究焓和温度的关系，可以确定热容的变化和相变潜热。热分析法是建立在热测量化和相变潜热。热分析法是建立在热测量和温度测量基础上的现代测试方法。和温度测量基础上的现代测试方法。热分析：程序控制温度，测量物质的物理热分析：程序控制温度，测量物质的物理性质和温度关系的技术。性质和温度关系的技术。热
4、分析方法的种类：热分析方法的种类：l差热分析（差热分析（DTA）探测过程中的热效应并确定热探测过程中的热效应并确定热效应的大小和发生温度。效应的大小和发生温度。l差热分析是在测定热分析曲线的同时，利用示差热分析是在测定热分析曲线的同时，利用示差热电偶测定待测试样差热电偶测定待测试样1 1和标准试样和标准试样2 2的温度而的温度而进行的热分析。进行的热分析。l示差热电偶由两对热电偶极性反接串联而成，示差热电偶由两对热电偶极性反接串联而成，热端处于试样热端处于试样1 1和和2 2中。中。待测试样待测试样1 1、标准试样、标准试样2 2和和3 3分别处于加热炉分别处于加热炉温度场中的对称位置。温度场
5、中的对称位置。l标样的选择要求是在研究温区内无相变的材标样的选择要求是在研究温区内无相变的材料，质量和尺寸与待测样相当，以便于加热和料，质量和尺寸与待测样相当，以便于加热和冷却速率相同。冷却速率相同。l热分析应用实例热分析应用实例l测定并建立合金相图测定并建立合金相图l热分析应用实例热分析应用实例l热弹性马氏体相变研究热弹性马氏体相变研究l升降温过程中热弹性马氏体的可逆转变都出现显著升降温过程中热弹性马氏体的可逆转变都出现显著的吸热与放热峰，据此可以准确地判断相变开始及的吸热与放热峰，据此可以准确地判断相变开始及终了温度。终了温度。l热分析应用实例热分析应用实例l有序有序无序转变的研究无序转变
6、的研究l曲线曲线a：无序的合金：无序的合金加热到加热到350-470时，时，合金发生部分有序化并合金发生部分有序化并放出潜热；继续加热到放出潜热；继续加热到470470以上发生吸热的以上发生吸热的无序转变。无序转变。l曲线曲线b表示的是完全有序到完全无序的吸热效应表示的是完全有序到完全无序的吸热效应第二节第二节 材料的热膨胀材料的热膨胀l热膨胀的本质热膨胀的本质简谐振动简谐振动一、热膨胀系数一、热膨胀系数热膨胀:物体的体积或长度随温度升高而增大的现象l 线 膨 胀 系 数，即 温 度 升 高 1K时，物 体 的 相对伸长。同理，物体体积随温度的增加可表示为：V为体膨胀系数，相当于温度升高1k时
7、物体体积相对增长值。举例：立方体举例：立方体 由于l 值很小，可略 以上的高次项，则：l二、热膨胀和其他性能关系二、热膨胀和其他性能关系l 1 1热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结合能、熔点的关系l 质点间结合力愈强，热膨胀系数愈小。l2 2热膨胀与温度、热容关系热膨胀与温度、热容关系l2 2热膨胀与温度、热容关系热膨胀与温度、热容关系l热膨胀是固体材料受热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以就
8、是热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容热膨胀系数显然与热容密切相关并有着相似的密切相关并有着相似的规律规律l (1)(1)机械膨胀仪：机械膨胀仪：采用机械的方法放大并检测试样的热采用机械的方法放大并检测试样的热膨胀量。包括干分表式膨胀仪、机械杠杆式膨胀仪等。膨胀量。包括干分表式膨胀仪、机械杠杆式膨胀仪等。l (2)(2)光学膨胀仪：光学膨胀仪：利用各种光学原理放大并检测试样的利用各种光学原理放大并检测试样的热膨胀员。包括热膨胀员。包括光杠杆式膨胀仪光杠杆式膨胀仪、光干涉法膨胀仪等。、光干涉法膨胀仪等。l (3)(3)电学膨胀仪：电学膨胀仪：利州各种咆学原理放大并检测试样的利州各种咆学原理放大并
9、检测试样的热膨胀量。包括电感式膨胀仪、电容式膨胀仪等。热膨胀量。包括电感式膨胀仪、电容式膨胀仪等。l (4)(4)直接观测式膨胀仪：直接观测式膨胀仪：利用精密的测长仪器，如：比利用精密的测长仪器，如：比长仪、垂高计等，直接观测试样的热膨胀员。长仪、垂高计等，直接观测试样的热膨胀员。l (5)x(5)x射线衍射法：射线衍射法：是一种微观的检测方法。借助晶体是一种微观的检测方法。借助晶体对对X X射线的衍射，测量品格常数射线的衍射，测量品格常数(原子间距原子间距)随温度的变化随温度的变化.三、热膨胀系数的测量三、热膨胀系数的测量1.1.光杠杆式膨胀仪法光杠杆式膨胀仪法绝对法光三角架放大的膨胀仪1.
10、1.标准样（用以测温）标准样（用以测温）2.2.被测样被测样 3.3.凹面镜凹面镜光杠杆式膨胀仪的工作原理光杠杆式膨胀仪的工作原理总则：用照相方法直接记录出膨胀曲线。总则：用照相方法直接记录出膨胀曲线。将试样的膨胀通过一根传递杆引出，传递杆推动将试样的膨胀通过一根传递杆引出，传递杆推动一个带小镜的光三角架（或其它光杠杆机械）转一个带小镜的光三角架（或其它光杠杆机械）转动，将试样的膨胀量转成光点的位移量，并借助动，将试样的膨胀量转成光点的位移量，并借助于照像或光电转换的主法观察和测量光点的位移。于照像或光电转换的主法观察和测量光点的位移。既可直接测得伸长量，又可用示差法测得标准试既可直接测得伸长
11、量，又可用示差法测得标准试样和待测试样的差。样和待测试样的差。2 2、直接观测法：、直接观测法：利用双筒望远镜、垂高计、比长仪等仪利用双筒望远镜、垂高计、比长仪等仪器直接观测加热过程中试样两标距间的器直接观测加热过程中试样两标距间的长度，从而计算出膨胀系数。长度，从而计算出膨胀系数。优点：最直观最简便稳定可靠的测量方优点：最直观最简便稳定可靠的测量方法；法；缺点：难于实现自动记录，费力、费时。缺点：难于实现自动记录，费力、费时。l3 3、光干涉法：、光干涉法：光干涉法是将试样的长度变化量转变成光干涉法是将试样的长度变化量转变成光束的光程差，使之在视场中产生干涉光束的光程差，使之在视场中产生干涉
12、条纹相对于参考标记的移动，即用一已条纹相对于参考标记的移动，即用一已知单色波长来量度试样的长度变化。光知单色波长来量度试样的长度变化。光干涉膨胀仪所用的干涉方法有几种类型，干涉膨胀仪所用的干涉方法有几种类型，其中应用最多的是其中应用最多的是“等厚干涉等厚干涉”和和“等等倾干涉倾干涉”两种。两种。4 4、X X光法：光法：X X光法是利用测量晶胞内晶格常数变化的方法来光法是利用测量晶胞内晶格常数变化的方法来测量热膨胀系数的，其主要方法有粉末照像法，测量热膨胀系数的，其主要方法有粉末照像法，衍射仪法和单晶法等。衍射仪法和单晶法等。X X光法测量膨胀系数：光法测量膨胀系数：优点优点：试样极小且不规则
13、，对不能加工的材料：试样极小且不规则，对不能加工的材料有特别的意义。有特别的意义。X X光所测点阵常数的变化，真实光所测点阵常数的变化，真实地反映了被测晶体的热膨胀，不会因试样中某地反映了被测晶体的热膨胀，不会因试样中某些杂质和缺陷的存在影响测量结果。能测量单些杂质和缺陷的存在影响测量结果。能测量单晶的热膨胀和各向异性的热膨胀而不需要制备晶的热膨胀和各向异性的热膨胀而不需要制备单晶试样。单晶试样。缺点：缺点：不能连续测量在温度变化过程中膨胀量不能连续测量在温度变化过程中膨胀量的不连续变化。的不连续变化。5、电容法：该法的原理是电容器两极间距离的变化，在一定范围内与电容量的变化存在线性关系，若以
14、试样为电容的一极，由于试样的膨胀使极间距离发生变化，测出电容量的变化，即可求得试样的膨胀系数，这一方法非常精密，多用在低温下测量膨胀量较小、或者试验温度较窄的情况下使用。1、千分表 2、支架 3、冷却水套 4、顶杆 5、试样载管 6、耐火材料 7、炉体 8、试样将试样的膨胀将试样的膨胀量通过一根与量通过一根与试样载管的材试样载管的材质相同且膨胀质相同且膨胀系数很小的顶系数很小的顶杆传递出来，杆传递出来，用千分表、差用千分表、差动变压器或其动变压器或其它测量仪器检它测量仪器检测测 第三节第三节 材料的热传导材料的热传导物体的各部分之间不发生相对位移，依靠内部微观粒子（原子、分子、离子）的热运动而
15、产生的热量传递称为导热（热传导）。导热特点导热特点 1)物体之间不发生宏观相对位移2)依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动3)是物质的固有本质导热基本定律-Fouriers law（1）的意义:热量传递指向温度降低的方向（2）:通过该点的等温线上的法向单位矢量,指向温度升高的方向（3）热流方向总是与等温线(面)垂直（4）引起物体内部及物体间热量传递的根本原因:温度梯度 直角坐标系下导热微分方程直角坐标系下导热微分方程 导热项 内热源生成项-内能变化项物理意义：物理意义：热扩散率：物体内部温度扯平的能力；热扩散率：物体内部温度扯平的能力；分子为物体的导热系数，分母为单位体积物体温度升分子为物体的导热系数，分母为单位体积物体温度升高高11所需的热量。所需的热量。导温系数：材料传播温度变化大小的能力导温系数：材料传播温度变化大小的能力