材料热学性能.答案说课讲解.ppt

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1、材料热学性能.答案第一节焓和热容一、基本知识在等压时，物体吸收或者放出的热量在数值上等于焓的变化：定义：在等压时，1克物体从0K到T时所需热量Q为该物体的焓。Q=CmTC是0K到TK区间的平均比例数。将m克物体升高1K所需热量定义为热容C,单位质量为c，单位为：J/K.二、物理意义：热容量反映了材料中原子热振动能量状态改变时需要的热量。加热时，材料吸收的热能主要为点阵吸收，增加了材料离子的振动能量。其次为自由电子吸收，增加了电子的动能。所以，热振动为主要贡献。自由电子运动为次要贡献。定容和定压时的不同：定容时，吸收的热量增加其内能，提高了温度；定压时：吸收的热量大

2、部分增加内能，小部分做对外膨胀功。据此：由于在定压时材料需要对外做膨胀功，其温度升高1K需吸收更多热量，故Cp>Cv。据定压与定容摩尔热容间的关系：：体膨胀系数；K：压缩系数；Vm：摩尔体积。研究方法：定容过程材料无膨胀，则易于讨论，但测量很难。故用定压热容来换算定容热容。材料无相变时的热容随温度变化：如图3-1，3-2。溶解特征温度：材料在高于此温度时，摩尔热容接近于一个常数25J/molk。图中：第一阶段：热容变化是由自由电子运动贡献。第二、三阶段：热容变化是由晶格振动贡献；有相变时，其内部结构状态需要吸收或者放出一部分热量，使焓和热容有突变。据此可以作为研究

3、相变的依据。第二节材料的热容理论一、杜隆—柏替定律假设：固体中的原子是彼此孤立地做热运动，且原子振动的能量是连续的。认为与气体分子的热运动相类似。1摩尔气体的总能量为：R：气体常数；NA：阿伏加得罗常数；K：波尔兹曼常数。气体定容摩尔热容：.固体材料的热运动既具有动能，又有位能。摩尔材料的总内能：材料的定容摩尔热容为：结论：所有材料的摩尔热容是一个与温度无关的常数，其值接近于3R。不足：在高温时与实验相符合，在低温时与实验不符合。问题在于把原子振动的能量认为是连续的。二、爱因斯坦量子热容理论晶格中每个原子都在其格点做振动，各个原子的振动是独立而互不依赖的；每个原子

4、都具有相同的周围环境，因而其振动频率是相同的；原子振动的能量是不连续量子化的。即把原子的振动当作谐振子的振动。为爱因斯坦特征温度。讨论：（1）、高温时，T>>，则，,CV=3R.说明：在高温时与杜隆—柏替定律相一致。（2）、低温时，T<<，则，将上式中1忽略，得：问题：这不符合实验的的关系，这是因为忽略了振子振动频率的差别。（1）、高温时，则代入后：CV=3R与前面两个理论一致；（2）、低温时,即CV与T3成正比。反映了材料温度升高所吸收的热量主要用来加强晶格的振动；（3）、当T=0时，CV=0.在接近于0K的范围内，该理论与实验规律存在着偏差，是由于未考虑自由电

5、子的动能。三、德拜(Debye)量子热容理论晶体中各个原子间存在着弹性的斥力和引力。这种力使原子的振动相互受着牵连而达到相邻原子间协调地振动。第三节合金的热容一、合金相的热容x1,x2化合物中各个组元的摩尔分数C1m,C2m各个组元的摩尔热容。该定律不适合于低温条件及铁磁性合金。二、合金相形成热形成热的大小：稳定化合物不稳定化合物中间相固溶体。具体数值见表3-5。P73第四节相变对焓和热容的影响一、一级相变一级相变时熵与体积呈现不连续变化，即相变进行时有相变潜热和体积突变。如图3-7，P75。在固—液转变时，使焓突然增大，即为材料熔化时所吸收的熔化潜热。图中虚线为

6、自液态快速冷却时获得非晶态材料时的变化曲线，此时无潜热释放。二、纯铁的热容曲线如图3-9，P76。实线为实验测定曲线，虚线为若无A3,A4点相变时的曲线。第五节热容和热效应的测量一、撒克司(sykes)法测比热容。如图3-10，P77。P为电功率,P=IV；为试样升温速度。关键点：必须保持Tb-Ts的动态为零。二、示差热分析法如图3-15、3-16、3-17P81。当试样与标样温度相同时，两对热电偶中无电流通过；当试样与标样温度不同时，有热电势出现，有电流流过。可以测得两条曲线：温差—时间曲线；温度—时间曲线。第六节热学性能分析的应用一、测定钢的临界点图3-18，

7、P82为对共析钢测定的例子。图中abc峰为珠光体向A氏体转变的吸热造成。同理，在冷却时有一个负峰a1,b1,c1。二、测定钢的转变曲线（自学）图3-20，P83：1为试样；2为标样；3为热电偶丝；4为热电偶丝；5为耐热管。冷却时以冷却介质使冷却速度变化。三、测定钢的回火如图3-26，P85。曲线a中有三个放热反应：（1）、淬火M氏体向回火M体转变析出ε碳化物；（2）、残余A氏体转变，析出ε碳化物；（3）、回火M体向回火屈氏体转变，ε碳化物为Fe3C。曲线b：先经过250回火后再加热得到此曲线。与a相比，第一阶段已经没有，只有第二、三阶段。第二章材料的热膨胀第一节材

8、料的热膨胀