《材料性能学》PPT课件

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1、复习蠕变一般规律：约比温度、蠕变三阶段蠕变变形的三种机理：位错滑移、原子扩散、晶界滑动蠕变断裂机理：晶间断裂、等强温度、断口特征蠕变极限：、持久强度：松弛稳定性：σsh蠕变性能的影响因素：化学成分、组织结构、晶粒尺寸、外部因素2021/9/61第八章材料的热学性能河海大学机电工程学院充分认识环境的作用，与优秀人士交往、向顶尖人士学习。本章主要内容介绍材料的热容、热膨胀和热传导机理、材料的热容、热膨胀和热传导性能的影响因素、材料的热容、热膨胀和热传导的测试方法以及在工程中的应用。重点要掌握材料热容、热膨胀和热传导的测试

2、和应用。2021/9/63热学性能的物理基础晶格热振动格波、弹性波2021/9/64简谐振动方程低频率高频率第一节热容一、热容的基本概念在没有相变，没有化学反应，没有对外热交换，物体温度升高1K所吸收的热量（Q）称做该物体的热容，单位为J/K，表示为：CT=∆Q/∆T热容称为比热容或质量热容，单位J/kg·K；摩尔热容，单位J/mol·K。比热容是随温度而变化的，一般使用的是平均比热容，即C均=Q/m(T2-T1)2021/9/65平均比热容测量方便，但比较粗糙。(T2-T1)范围越大，精度越差，超出范围，误差可能更

3、大。当T2无限接近T1时，为材料在T1时的比热容：恒压加热时，叫比定压热容，Cp表示；恒容加热时，叫比定容热容，Cv表示。表达式为：式中：Q为热量，E为内能，H为焓。2021/9/66二、热容理论（固体材料、经验定律）1、杜隆—珀替定律（经典热容理论）把气体分子热容理论用于晶体热容。原子在每一个振动自由度的平均动能和平均位能都是(1/2)kT，一个原子有3个振动自由度，平均动能和位能的总和是3kT，1mol材料中有NA个原子，则总能量为：E=3NAkT=3RT式中，NA为阿佛加德罗常数，T为绝对温度，k为波尔茨曼常数

4、，R为气体普适常数。2021/9/671mol单原子固体物质的摩尔定容热容为：对于双原子固体化合物，1mol物质中的原子数是2NA，则摩尔定容热容为Cv.m=2×25J/K·mol三原子固态化合物的摩尔定容热容为Cv.m=3×25J/K·mol。依次来推。（——柯普定律）化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。2021/9/68杜隆—珀替定律的特点高温时，实验结果符合，低温时相差很大。实际上材料的热容是随温度而变化的，定律没有反映热容与温度的关系。热容随温度的变化只能用量子理论来解释。2021/9/692、

5、爱因斯坦模型爱因斯坦认为晶格中每个原子都在独立地振动，且振动频率都相同。引用量子化的概念，把原子振动看作谐振子，可以推导出热容与温度的关系式：2021/9/610h为普朗克常数；νi为谐振子的振动频率爱因斯坦模型的优点：Cv，m与温度T有关。T趋于0K，Cv，m趋于0，与实验一致。爱因斯坦模型的不足：在低温时，Cv，m与温度T成指数关系，而实验结果是成T3关系。2021/9/611原因：原子振动有耦合作用3、德拜理论晶体中各原子间存在着斥力和吸力，这种力使原子的振动相互受到牵制，使相邻原子齐步协调地振动。晶体是连续介

6、质，原子振动谱为0~νmax（最大声频），高于νmax为光频范围，对热容的贡献很小，可以忽略不计。2021/9/612德拜理论导出的热容表达式：式中：θD≈4.8×1011νmax为德拜温度；为德拜比热函数，x=hν/kT。德拜理论导出的热容结论：（1）T较高»θD，Cv.m≈3R，与杜隆—珀替定律一致（2）当T很低时«θD，Cv.m与T3关系，与实验结果非常相符。2021/9/613德拜T立方定律德拜模型的不足：在低温下与实际情况还不能完全相符；德拜理论也解释不了超导现象；产生差异的根源：假设晶体是一个连续体；除了

7、晶格振动能外，电子运动能对热容也有贡献在一般场合下，德拜理论的精度已经是足够了。2021/9/614三、热容的影响因素1、对固体材料，热容与材料的构成形式关系不大，如CaO和SiO21:1的混合物与CaSiO3(硅石灰)的热容—温度曲线基本相符。2021/9/615热容的影响因素2、一级相变（α-Fe→γ-Fe）、二级相变（有序—无序）都影响热容。在一级相变转变临界点Tc，热容发生突变。（a）二级相变是在一个温度范围进行，热焓在相变区突然升高，热容也急剧增大。（b）2021/9/616热容的影响因素3、材料的热容与温

8、度有关。Cp=Ce+Cg=γT+βT3式中：Ce为电子热容；Cg为晶格热容；γ和β是与材料热容有关的常数。在温度较低时，电子热容较小，热容与温度成T3的关系；当温度较高时，晶格热容很小，热容与温度呈线性关系。2021/9/617热容的影响因素4、在较高温度下，固体热容具有加和性，物质的摩尔热容等于构成该化合物各元素原子热容的总和——柯普定律。C