材料物理（热学）2

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1、材料物理（材料热学部分）3热膨胀3.1概念定义：物体的体积或长度随温度的变化而变化的现象称为热膨胀。线胀系数L：温度升高1K时，物体长度的相对变化率。LT=L0+L=L0(1+LT)体胀系数V：温度升高1K时，物体体积的相对变化率。VT=V0+V=V0(1+VT)热膨胀系数体胀系数与线胀系数的关系各向同性V3L各向异性Va+b+c3.2热膨胀的物理本质热膨胀的双原子模型热膨胀的物理本质原子间作用力与原子间距的关系原子相互作用的势能曲线热膨胀的物理本质当温度升高时，原子在平衡位置附近的振动会发生改变，由于引力和斥力作用方式的不同，使得原子在

2、平衡位置两侧的变化幅度不同，从而使得平衡位置偏离原来的位置，微观上表现为两原子距离的拉长，宏观上表现为材料在该方向上的膨胀。3.3热膨胀与其它物理性能的关系热膨胀与热容热膨胀与熔点热膨胀与结构热膨胀与热容的关系体膨胀与质量定容热容成正比。有相似的温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。铝的线胀系数与实测值的比较氧化铝的热容与热膨胀系数在宽广范围内的平行变化热膨胀与熔点的关系熔点较高的金属具有较低的膨胀系数。各元素线胀系数与熔点关系热膨胀系数与结构的关系对于组成相同的物质，结构紧密的晶体，膨胀系数较大，而类似于无定形的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。石英

3、：12×10-6/K石英玻璃：0.5×10-6/K陶瓷制品中的热膨胀系数陶瓷材料与其它材料复合，应考虑膨胀系数的匹配。陶瓷表面釉层的残余压应力（釉层的膨胀系数小于坯体）3.4负热膨胀系数材料水的反常膨胀现象与机理水：0-4oCSi,Ge,GaAs,CdTe,CuCl,Cu2O,RbI,ZrP2O7,Zr(P1-xVx)2O7,ZrV2O7,ZrW2O8,ThP2O7,UP2O7,HfW2O8ZrW2O8：0.3-1050K立方晶型，由以O为顶点W在中间的[WO4]四面体和O为顶点Zr在中间的[ZrO6]八面体通过O原子共顶点相连。每个[WO4]四面体中都有一个O原子不与其

4、它单元相连接。ZrW2O8：0.3-1050K发现与负热膨胀机理1996年，A.W.Sleight在Science上发表了0.3-1050K下ZrW2O8的负热膨胀性。1997年，美国《发现》百项重大发现奖。1998年，PhysicaB，横向振动，多面体刚性模式。发现与负热膨胀机理ALexandra等，由于W-O和Zr-O键能非常大，使得多面体[WO4]和[ZrO6]能转动而不破坏各自的多面体结构，即多面体具有刚性结构模式（RUM）。1998年，G.Ernst等，与能量低于10meV的声子振动有关系。2002年，D.Cao等，[WO4]四面体在温度为5-315K时为刚性模

5、式而[ZrO6]八面体不是，Zr-O-W也不是，因此，Zr-O-W的横向振动不是负膨胀的根源。2003年，D.Cao等，[WO4]四面体及其相连的三个[ZrO6]八面体的联系运动是引起负热膨胀的根源，且[WO4]四面体的刚度使其必须沿着<111>方向振动。ZrW2O8的合成GlenR.Kowach等按化学计量比将ZrO2和WO3混合后置于铂坩锅中，再在混合物上层铺适量WO3升温速率：700C/h升温至1573K，保温2h，再按0.5C/h降温到1503K，再急冷到室温。获得无色透明的ZrW2O8晶体。负热膨胀系数的应用Cu/ZrW2O8复合材料Al/ZrW2O8复合材

6、料ZrO2/ZrW2O8复合材料3.5影响热膨胀的因素相变的影响：一级相变与二级相变同素异构转变：有序无序转变：磁转变发生有序无序转变的热膨胀曲线Fe、Ni、Co在磁性转变区域的膨胀曲线几种铁镍合金的系数和温度的关系曲线3.6热膨胀系数的测量示差法（顶杆法）测微望远镜直接观察法干涉仪法X射线法体积测定法3.7陶瓷材料的热膨胀行为与金属材料相比，陶瓷材料热膨胀系数一般比较小；陶瓷材料热膨胀系数随晶轴不同而不同；（1）确定钢的组织转变温度转变点的测定（2）研究钢的等温转变动力学曲线测定与TTT图的绘制3.7热膨胀分析的应用在确定钢的组织转变临界点时，为了测试结果准确而有可比性

7、，除对钢的成分有严格要求外，还对钢的原始组织、加热和冷却速率、奥氏体化温度及保温时间等有下列要求：（1）钢的原始组织应当相同，一般采用退火组织，并且有相同的晶粒度；（2）采用相同的加热及冷却速率，一般要小于200C/h；对于高合金钢，冷却速率要小于120C/h；（3）奥氏体化温度和保温时间按给定要求保持一致。组织转变临界点的测定