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1、会计学1材料材料(cilio)物理性能物理性能第一页，共131页。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(rngdin)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
2、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。材料材料(cilio)的性能（使用性能和工艺性能）的性能（使用性能和工艺性能）第1页/共131页第二页，共131页。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、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
3、性能上。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、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、组织性能与其化学成分、组织(zzh)(zzh)结构间的关系，掌握改善和提高材料结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充性能、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。及相关仪器设备。只有这样才能在合理选用材料、提高材
4、料性能和开发新材料过程中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。具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。2.2.为什么要学习和研究材料为什么要学习和研究材料(cilio)(cilio)的性能的性能第2页/共131页第三页，共131页。工程工程(gngchng)(gngchng)材料按照其用途可分为：材料按照其用途可分为：结构材料结构材料(cilio)和和功能材料功能材料(cilio)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、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
5、力学性能。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当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要(zhngyo)(zhngyo)，发展迅速。，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、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
6、性能有关等。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。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。3.3.本课程的学习本课程的学习目的目的、内容内容第3页/共131页第四页，共131页。学习热学学习热学(rxu)(rxu)性能、电学性能、磁学性能和光学性能。性能、电学性能、磁学性能和光学性能。掌握基本概念：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。的热敏、光敏现象等等。物理本质：物理本质：如热膨胀是怎么产生的，不
7、同材料为什么有不同的磁性等。从材料原子结构、电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。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：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。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：物理性能指标的工程意义：物理性能指标在实际工
8、程上有何应用。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。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。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。本课程学习本课程
9、学习(xux)(xux)的内容和要求的内容和要求第4页/共131页第五页，共131页。材料物理性能材料物理性能 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 邱成军等邱成军等 TB303/Q712 TB303/Q712材料物理性能材料物理性能 机械工业出版社，陈騑騢机械工业出版社，陈騑騢 TB303/C417 TB303/C417 金属材料物理性能金属材料物理性能 冶金工业出版社冶金工业出版社 王润王润 75.211 W35 75.211 W35无机材料物理性能无机材料物理性能 清华大学出版社清华大学出版社 关振铎等关振铎等 71.2241/460 71.2241/460工程工程(gngchng)
10、(gngchng)材料的性能、设计与选材材料的性能、设计与选材 机械工业出版社，柴惠芬机械工业出版社，柴惠芬,石德石德珂编珂编 71.22/501 71.22/501材料物理性能材料物理性能 中南大学出版社中南大学出版社 龙毅，李庆奎，强文江龙毅，李庆奎，强文江参考书：参考书：第5页/共131页第六页，共131页。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同的温度做出反映(fnyng)(fnyng)，所表现出的不同热物理性能。，所表现出的不同热物理性能。如环境温度变化材料膨胀或
11、收缩，同时吸收或放出热量，但不同材料表现不同的值；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、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。物理本质、影响因素、测量方法和工程意义。第一章第一章 材料材料(cilio)(cilio)的的热学性能热学性能第第1节节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础1、各种热学性能的物理本质、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
12、动有关。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、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(面心立方面心立方)中离子中离子。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
13、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(rnghu)，晶体材料表现出固定熔点。，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。只讨论温度不太高时材料的热学性能。第6页/共131页第七页，共131页。第第1节节 热学热学(rxu)性能的物理基础性能的物理基础2、质点的简谐振动方程、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，在任一瞬间该质点在x方向的位移为方向的位移为xn。其相邻质点的位移为。其相邻质点的位移为xn-1 xn+1。
14、该质点的运动方程为：。该质点的运动方程为：Em为微观弹为微观弹性模量。性模量。相邻相邻(xin ln)质点振动位移质点振动位移间的关系。间的关系。临近质点的振动存在临近质点的振动存在(cnzi)一定的相位差，即各质点的热振动不是一定的相位差，即各质点的热振动不是孤立的，与临近质点存在孤立的，与临近质点存在(cnzi)相互作用。相互作用。描述描述：说明说明：3 3、质点的热振动与物体热量、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构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量物体的热量。温度升高，质点。温度升高，质点振动振动频率频率和和振幅振幅增加，热量增加。与增加，热量增加。与热
15、容热容有关。有关。第7页/共131页第八页，共131页。4 4、声频支振动和光频支振动、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。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。
16、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，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）。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(ln jn)(ln jn)质点的运动几乎相反，频率住往在红外光区。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。相邻质点振动方
17、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。这就是离应频率的红外光，则会被晶体强烈吸收，从
18、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。子晶体具有很强的红外光吸收特性的原因。第第1节节 热学性能热学性能(xngnng)的物理基础的物理基础第8页/共131页第九页，共131页。第第2 2节节 材料材料(cilio)(cilio)的热容的热容1.1.热容热容：在没有相变、化学反应的条件下，材料温度升高在没有相变、化学反应的条件下，材料温度升高1K所所吸收的热量吸收的热量。单位单位J/K （在（在T温度时）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？）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，晶格温度升高，晶格(jn)热振动
19、加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。对外做功。影响物质影响物质(wzh)热容热容的因素：的因素：物质的性质、温度、是否发生体积变化、电子。物质的性质、温度、是否发生体积变化、电子。2.2.比热容比热容（质量热容）：单位质量材料的热容，单位（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、热容的基本概念及其与温度的关系（一）热容的基本概念和物理本质（一）热容的基本概念和物理本质第9页/共131页第十页，共131页。3.3.摩尔热容：摩尔热容：1mol1mol材料的热容。单位材料的热容。单位(dnwi)(d
20、nwi)：4.4.平均比热容：平均比热容：同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往用单位同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往用单位(dnwi)(dnwi)质量的材料从温度质量的材料从温度T1T1升高到升高到T2T2所吸收热量的平均值表示其热容，称平均比热容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。较粗略，但工程上常用，使用时注意：温度范围。一、热容一、热容(r rn)(r rn)的基本概的基本概念念5.5.比定压热容和比定容热容比定压热容和比定容热容 比定压热容：材料温度升高时，压强比定压热容：材料温度升高时，压强(yqing)(yqing)
21、恒定，所测得的比热容。恒定，所测得的比热容。P内能内能焓焓 比定容热容比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。c cp p与与c cv v哪个大？哪个大？c cp pc cv v 原因？原因？c cp p测量方便，测量方便，c cv v更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽略，但高更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽略，但高温下差别增大。温下差别增大。c cp p、c cv v与温度之间的关系（三个阶段）。与温度之间的关系（三个阶段）。第10页/共131页第十一页，共131页。(1)经典热容理论：固体中每一个自由度的振动（
22、共经典热容理论：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为玻尔茨曼常数为玻尔茨曼常数 1.3810-23，则，则每个原子每个原子平均动能和位能之和为：平均动能和位能之和为：3 2 1/2kT3kT,1mol原子的原子个数为原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数（阿佛加德罗常数 6.02 1023），），1mol原子原子的总能量为：的总能量为：E3NkT3RT 3R3 8.31425J/Kmol 二、晶态固体热容的经验定律二、晶态固体热容的经验定律(dngl)(dngl)与经典与经典理论理
23、论1919世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。1.1.元素的热容定律元素的热容定律杜隆伯替定律杜隆伯替定律 恒压下元素的原子热容等于恒压下元素的原子热容等于25J/molK25J/molK，即晶态固体，即晶态固体(gt)(gt)材料每含材料每含1mol1mol原子，热容原子，热容为为25J/molK25J/molK。（举例）。（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(duy)轻元素与实轻元素与实际值差别较大。际值差别较大。第11页/共131页第十二页，共131页。2.2.化
24、合物的热容定律化合物的热容定律(dngl)(dngl)奈曼柯普定律奈曼柯普定律(dngl)(dngl)化合物的分子热容等于构成此化合物各原子热容之和。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：如双原子固体：如NaClNaCl、TiC TiC 摩尔热容？摩尔热容？多原子固体：如多原子固体：如H2OH2O、SiO2 SiO2、CaSiO3 CaSiO3 摩尔热容？摩尔热容？其来由是根据杜隆伯替定律其来由是根据杜隆伯替定律(dngl)(dngl)，也是基于经典热容理论。，也是基于经典热容理论。二、晶态固体热容的经验定律二、晶态固体热容的经验定律(dngl)(dngl)与经典与经典理
25、论理论 （1 1）认为热容与温度无关，与事实不符。实际上？）认为热容与温度无关，与事实不符。实际上？（2 2）低温时、轻元素与事实差别很大。）低温时、轻元素与事实差别很大。（3 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）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。容之和，与事实不完全相符。（4 4）未考虑体积是否变化及电子）未考虑体积是否变化及电子(dinz)(dinz)的影响。的影响。（5 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。）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。3.3.热容经验定律评价热
26、容经验定律评价原因：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）元素）在相同温度下，平均动能、位能相等，模型过于简化。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。容的量子理论。第12页/共131页第十三页，共131页。3.3.热容热容(r rn)(r rn)经验定律经验定律评价评价三、晶态固体热容三、晶态固体热容(r rn)(r rn)的量子的
27、量子理论理论 晶态固体热容的经典理论过于晶态固体热容的经典理论过于(guy)(guy)简化，存在较多的问题。简化，存在较多的问题。2020世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。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普朗克首先提出了质点振动能量的“量子化量子化”理论。认为在一物体理论。认为在一物体内，即使温度相同，不同质点热振动的频率（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）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，都以一质点能量也时大时小。但它们的能量都是量子化的，都以hh为最小单为
28、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。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。有代表性的为爱因斯坦模型和德拜模型。1.1.爱因斯坦模型爱因斯坦模型 19061906年爱因斯坦根据普朗克质点振动量子化的观点，并年爱因斯坦根据普朗克质点振动量子化的观点，并假设假设每个质点都在独立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。简化、推导而得。爱因斯
29、坦比热函数爱因斯坦比热函数 E 爱因斯坦温度爱因斯坦温度 第13页/共131页第十四页，共131页。讨论：讨论：（1 1）高温时（）高温时（T TE E），），即为杜隆伯替定律即为杜隆伯替定律(dngl)(dngl)的形式，实际上杜隆伯替定律的形式，实际上杜隆伯替定律(dngl)(dngl)在较高温度在较高温度 时与事实符合较好。时与事实符合较好。1.1.爱因斯坦模型爱因斯坦模型(mxng)(mxng)（2 2）低温时（）低温时（T TE E），），热容以指数规律随热容以指数规律随T T减小而减小，但减小而减小，但不是不是按按T T的三次方的三次方变化，计算值变化，计算值 较实际值小，但较经验
30、定律有明显进步。较实际值小，但较经验定律有明显进步。（3 3）T0T0时，热容为时，热容为0 0，与事实相符。，与事实相符。第14页/共131页第十五页，共131页。进步：能量量子化，考虑了温度因素。进步：能量量子化，考虑了温度因素。不足：在不足：在T TEE温区理论值较实验值下降得过快。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原因：前提、没有考虑低频率振动对热容的贡献(gngxin)(gngxin)。德拜模型在这。德拜模型在这一方面作了改进，故能得到更好结果。一方面作了改进，故能得到更好结果。1.1.爱因斯坦模型爱因斯坦模型(mxng)(mxng)第15页/共
31、131页第十六页，共131页。前提：前提：考虑了晶体中各质点的相互作用；考虑了晶体中各质点的相互作用；对热容的贡献主要对热容的贡献主要(zhyo)(zhyo)是频率是频率较低的声频支振动（较低的声频支振动（0 0maxmax），光频支振动对热容的贡献很小，忽略；），光频支振动对热容的贡献很小，忽略；把晶体把晶体看作连续介质；看作连续介质；max max由分子密度和声速决定。由分子密度和声速决定。2.2.德拜模型德拜模型(mxng)(mxng)讨论：讨论：（1 1）高温）高温(gown)(gown)时（时（T TD D）=即杜隆伯替定律形式。即杜隆伯替定律形式。第16页/共131页第十七页，共1
32、31页。2.2.德拜模型德拜模型(mxng)(mxng)评价：评价：一般场合已足够精确。但随着测量技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；不能解释超导完全相符；不能解释超导(cho do)现象；现象；不完全适用于复杂化合物。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。有考虑自由电子的贡献等。（2）低温时（）低温时（TD），），热容与热容与T的的3次方成比例地趋于次方成比例地趋于0，
33、与事实十分，与事实十分(shfn)符合，较爱因斯坦模符合，较爱因斯坦模型进步。型进步。（3）T0时，热容为时，热容为0，与事实相符。，与事实相符。第17页/共131页第十八页，共131页。四、无机四、无机(wj)(wj)材料的热材料的热容容 1.1.材料都有材料都有D D（0.20.20.5T0.5T熔），熔），DD以上热容逐渐趋于以上热容逐渐趋于25J/molK25J/molK，绝大多，绝大多数氧化物、碳化物，至数氧化物、碳化物，至1273K1273K附近热容近似于附近热容近似于25J/molK25J/molK，温度进一步增加热容基，温度进一步增加热容基本不变。本不变。2.2.热容与材料组织
34、结构关系不大，如热容与材料组织结构关系不大，如CaOCaO和和SiO2molSiO2mol比为比为1 1：1 1的混合物与的混合物与CaSiO3CaSiO3的热容的热容T 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，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，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。加快升降温速度。3.3.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
35、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？属的回复、再结晶等温度也存在这一现象。原因？4.4.材料热容与温度关系的经验公式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：根据实验结果加以整理，可得经验公式：Cp Cp a abTbTcTcT2 2 一些无机材料在不同温度范围的一些无机材料在不同温度范围的 a a、b b、c c可通过相关资料（如物理性能手册）可通过相关资料（如物理性能手册）查出。工程查出。工程(gngchng)(gng
36、chng)上一般采用。上一般采用。较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程(gngchng)(gngchng)上也常用查得的构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CaSiO3CaSiO3）。）。第18页/共131页第十九页，共131页。五、金属材料的热容五、金属材料的热容(r rn)(r rn)1.1.自由电子对热容的贡献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
37、容的贡献在3 32k2k（玻尔茨曼常数）数量级，且与温度无关，金属化合物、（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对热容的贡献只占1 1100100；但在极高温度和极低温；但在极高温度和极低温(dwn)(dwn)度下，对热容度下，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。极低温到热运动中，因此，高温区随温度升高热
38、容继续上升。极低温(dwn)(dwn)下，下，电子热容不像离子热容那样急剧减小，因而在极低温电子热容不像离子热容那样急剧减小，因而在极低温(dwn)(dwn)度下起着主度下起着主导作用。导作用。2.2.合金成分对热容的影响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。温度高于于DD时，计算出的热容值与实测结果相差不超过时，计算出的热容值与实测结果相差不超过4 4。该定律具有一定。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，并能准的普遍性，它不仅适用于金属化合物、金属与非金属的化合
39、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。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。3.3.相变时热容变化（自学）相变时热容变化（自学）P9P9六、热容的测量（自学）六、热容的测量（自学）七、热分析及其工程七、热分析及其工程(gngchng)(gngchng)应用（自学）应用（自学）第19页/共131页第二十页，共131页。第第3 3节节 材料材料(cilio)(cilio)的热膨胀的热膨胀一、热膨胀的概念及热膨胀系数一、
40、热膨胀的概念及热膨胀系数1.1.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。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，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SiO2SiO2晶体），也将有不同的热膨胀性能，等等。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，精密仪意义：集
41、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、设计膨胀性能满足器等。选择、设计膨胀性能满足(mnz)(mnz)使用要求的材料。使用要求的材料。2.热膨胀系数：热膨胀系数：1）线膨胀系数）线膨胀系数（1）物体温度升高）物体温度升高(shn o)自自T1T2，其长度增加自，其长度增加自L1L2，则，则 即为即为T1T2温度区间的温度区间的平均线膨胀系数平均线膨胀系数,单位：单位：K 。表示物体在该温度。表示物体在该温度范围内，温度每平均升高范围内，温度每平均升高1个单位，长度的个单位，长度的相对相对变化量。是材料在变化量。是材料在一个温一个温度范围内度范围内的的平均平均膨胀特性
42、。工业上通常使用。膨胀特性。工业上通常使用。1第20页/共131页第二十一页，共131页。一、热膨胀的概念一、热膨胀的概念(ginin)(ginin)及热膨胀系及热膨胀系数数（2）当）当T和和L0时，得时，得 即即T温度下温度下的的真线膨胀系数真线膨胀系数，或微分线膨胀系数。或微分线膨胀系数。（3）一般随温度的升高而升高。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）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。其使用温度范围。（5）一般无机非金属）一般无机非金属 较小，金属材料较大。大多在较小，金属材料较大。大多在105
43、106K 1 数量级。如（数量级。如（106K 1）：）：Al:23.8（303273K）；）；钢钢:1020（273373K）；）；Cu:17.18（373K）Si:6.95（273373K）；）；SiC:4.7（2731273K）；）；Si3N4:2.7（2731273K）；）；石英玻璃石英玻璃:0.5（2731273K）。）。2 2）体积膨胀系数（体膨胀系数）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：物体的体积随温度升高而增大，表示为：V VT T=V=V0 0(1+(1+V V T)T)，V V即为即为平均体积膨胀系数平均体积膨胀系数。表示物体温度升高表示物体温度升
44、高1K1K，体积的，体积的相对相对增大量。增大量。真体积膨胀系数？真体积膨胀系数？（1 1）各项同性立方体材料：）各项同性立方体材料：V V 3 3L L 推导略。推导略。（2 2）各项异性立方体材料：）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：各晶轴方向的线性膨胀系数不同，分别为表示为：a a、b b、c c 可得：可得：V V a ab b c c 推导略。推导略。第21页/共131页第二十二页，共131页。二、热膨胀的机理二、热膨胀的机理(j l)(j l)1.1.简谐振动简谐振动(zhndng)(zhndng)问题问题 前面将质点热振动前面将质点热振动(zhndn
45、g)(zhndng)近似看作简谐振动近似看作简谐振动(zhndng)(zhndng)。即质点只围绕。即质点只围绕其平衡位置做热振动其平衡位置做热振动(zhndng)(zhndng)，温度升高不改变其平衡位置，只影响振幅、，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，即简谐振动不符，即简谐振动(zhndng)(zhndng)不能解释热膨胀现象，只能揭示热容的本质。那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么热膨胀是怎样通过质点的热
46、振动(zhndng)(zhndng)产生的哪？（前面讲过，材料各产生的哪？（前面讲过，材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动种热学性能的物理本质，均与晶格热振动(zhndng)(zhndng)有关）。有关）。2.2.热膨胀的物理本质（机理）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，将引起实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起(ynq)(ynq)质点平均距离增大，从而导质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。致物体热膨胀。(1)(1)双原子模型（从临近质点间的相互作用力解释）双原子模型（从临近质点间的相互作用力解释）先讨论先讨论相邻两质点，以左质点为参照位置。两质
47、点间存在着相互作用力：相邻两质点，以左质点为参照位置。两质点间存在着相互作用力：引力引力异性电荷之间的库仑吸引力。异性电荷之间的库仑吸引力。斥力斥力同性电荷之间的库仑排斥力同性电荷之间的库仑排斥力泡利不相容原理引起的斥力。泡利不相容原理引起的斥力。第22页/共131页第二十三页，共131页。2.热膨胀的物理热膨胀的物理(wl)本质（机理）本质（机理）引力与斥力都与质点间距有关：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。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，合力曲线随间距减小增大速度不同，
48、斥力增加快，合力曲线(qxin)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。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。第23页/共131页第二十四页，共131页。(2)(2)用势能曲线解释用势能曲线解释 质点相作用的位能曲线（图中虚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线），图中平行的
49、横线代表不同的温度。任一温度下，质点在其平衡温度。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，但由于斥力增加最大势能都增加，但由于斥力增加的快，左侧的快，左侧(zu c)(zu c)势能增加较右势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。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，物位置右移，质点间的距离增大，物体膨胀。体膨胀。2.2.热膨胀的物理热
50、膨胀的物理(wl)(wl)本质（机理）本质（机理）第24页/共131页第二十五页，共131页。1.1.与热容之间的关系与热容之间的关系 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1.401.40、1.411.41）。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）。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高温则趋于平缓(pnghun)(pnghun)。图。图1.191.19是铝根据其理论关系所得的曲线与实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。测结果的对比，基本一致。原