1、1材料物理性能材料物理性能2序论序论1.1.材料的性能问题回顾材料的性能问题回顾 研究材料和生产材料的研究材料和生产材料的目的目的应用应用材料材料 材料材料能否达到要求能否达到要求和和优劣优劣、性能价格比（科技发展对材料的性能要求越来越高）。性能价格比（科技发展对材料的性能要求越来越高）。对于每一实际应用的材料对于每一实际应用的材料要求其具有要求其具有一种一种或或多种（综合）多种（综合）性能。性能。有些场合要求材料某方面的指标越高越好，如超导材料：在努力有些场合要求材料某方面的指标越高越好，如超导材料：在努力提高其临界温度提高其临界温度TcTc，扩大其应用领域；有些场合要考虑其，扩大其应用领域
2、；有些场合要考虑其“性能价性能价格格比比”，即达到使用要求即可。，即达到使用要求即可。那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响性能的因素、那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响性能的因素、如何正确选择材料和提高材料的性能是材料科学的基础知识。如何正确选择材料和提高材料的性能是材料科学的基础知识。总之，我们使用和研究材料，必须首先对其性能要有充分的了解。总之，我们使用和研究材料，必须首先对其性能要有充分的了解。材料性能分类、概况？材料性能分类、概况？3力学性能力学性能 在外力作用下所表现出的行为：在外力作用下所表现出的行为：弹性变形、塑性变形、断裂弹性变形、塑性变形、断裂弹性模量、
3、硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量、硬度、强度、塑性、韧性、疲劳等等。作为疲劳等等。作为结构材料结构材料最重要的性能指标。最重要的性能指标。物理性能物理性能 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。如密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热性、熔点等。作为性、熔点等。作为功能材料功能材料最重要的性能指标。最重要的性能指标。化学
4、性能化学性能 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。能、抗氧化性能等。工艺性能工艺性能 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，是物理、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。性能等。直接影响材料使用的方式、成本、生产效率等。材料的性能（使用性能和工艺性能）材料的性能（使用性能和工艺性能）4 材料性能
5、学是材科科学与工程材料性能学是材科科学与工程一级一级学科专业基础课。学科专业基础课。因为因为材料科材料科学的学的根本任务根本任务是：材料制备、提高材料性能、开发性能优异的新材料、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。最终归结到材料性能上。归结到材料性能上。通过材料通过材料性能性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、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
6、影响材料性能的各种因素及材料性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、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的性能为什么要学习和研究材料的性能5工程材料按照其用途可分为：
7、工程材料按照其用途可分为：结构材料结构材料和和功能材料功能材料 在以在以机械工业机械工业为主导的为主导的时代时代：主要使用：主要使用结构材料结构材料，主要追求材料高，主要追求材料高强度、高韧性、耐高温等，即材料强度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能力学性能。当今人类进入了当今人类进入了信息时代信息时代：功能材料功能材料越来越重要，发展迅速。如信越来越重要，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。高的功能性。材料物理材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁性能是功能材料的基础，
8、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、光导纤维与材料的光学性能有关等。能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。学习材料学习材料物理性能物理性能主要是为主要是为功能材料功能材料的研究和使用打基础。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6 学习热学性能、电学性能、磁学性能和光学性能。学习热学性能、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、热电效有关概念与现象及表征，如热导率、磁畴、硬磁
9、与软磁材料、热电效应、半导体的热敏、光敏现象等等。应、半导体的热敏、光敏现象等等。物理本质：物理本质：如热膨胀是怎么产生的，不同材料为什么有不同的磁性等。从材料原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。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
10、？等等。数小？石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了解物理性能指标的测试测试方法和原理，相关仪器，试样准备。方法和原理，相关仪器，试样准备。注意：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，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意义等等。学习时将三大类材料物理性能的共性融应只对
11、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。合在一起，同时兼顾其个性。本课程学习的内容和要求本课程学习的内容和要求7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/Q712TB303/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 W3575.211 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 71.2
12、241/46071.2241/460工程材料的性能、设计与选材工程材料的性能、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,石德珂编石德珂编 71.22/50171.22/501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：8 热学性能热学性能：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，所表现出的不同热物理性能。用过程中将对不同的温度做出反映，所表现出的不同热物理性能。如环境温度变化材料膨胀或收缩，同时吸收或放出热量，但不同材如环境
13、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料表现不同的值；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。能的有关概念、物理本质、影响因素、测量方法和工程意义。第一章第一章 材料的热学性能材料的热学性能第第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，均与材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动晶格热振动有关。有关。晶格热振动晶
14、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）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、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。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，晶体材料表现出固
15、定熔点。度，振动周期破坏，材料熔化，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。9第第1节节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础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。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。相邻质点振动位移间的关系。相邻质点振动位移间的关系。
16、临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤立的，与临近质点存在相互作用。立的，与临近质点存在相互作用。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。温度升高，质点振动点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。与热容热容有关。有关。104 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
17、，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，这种弹性波称为性波称为格波格波。弹性波是多频率振动的组合波，频率高者传播较快。弹性波是多频率振动的组合波，频率高者传播较快。声频支振动声频支振动：振动质点中频率甚低的格波，质点彼此之间位相差不大，：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
18、音频率相当）。光频支振动光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间位相差很大，邻近质格波中频率甚高的振动波，质点间位相差很大，邻近质点的运动几乎相反，频率住往在红外点的运动几乎相反，频率住往在红外光光区。区。声频支振动声频支振动可看成相邻质点具有可看成相邻质点具有相同的振动方向相同的振动方向；光频支振动光频支振动可看成可看成相邻质点相邻质点振动方向相反。振动方向相反。对于对于离子型晶体离子型晶体，正、负离子间存在相对振动，对于光频支振动，异，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
19、程中此偶极子的偶极矩周期性变化，根据电动力学，它会发射偶极矩周期性变化，根据电动力学，它会发射电磁波电磁波，其强度决定于振，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 热学性能的物理基础热学性能的物理基础11第第2 2节节 材料的热容材料的热容1.1.热容热容：在没有相变、化学反应的条件下，材料
20、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，晶格热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。温度升高，晶格热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。影响物质热容的因素：影响物质热容的因素：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
21、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123.3.摩尔热容摩尔热容：1mol1mol材料的热容。单位：材料的热容。单位：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，工程上往往用单位质量的材料从同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往用单位质量的材料从温度温度T T1 1升高到升高到T T2 2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：较粗略，但工程上常用，使用时注意：温度范围温度范围。一、热容的基本概念一
22、、热容的基本概念5.5.比定压热容和比定容热容比定压热容和比定容热容 比定压热容比定压热容：材料温度升高时，压强恒定，所测得的比热容。：材料温度升高时，压强恒定，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。略，但高温下差别增大。c cp p、c cv v与温度之间的关
23、系（三个阶段）。与温度之间的关系（三个阶段）。13 (1)经典热容理论：固体中每一个自由度的振动（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/Kmo
24、l 二、晶态固体热容的经验定律与经典理论二、晶态固体热容的经验定律与经典理论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，即晶态固体材料每含，即晶态固体材料每含1mol1mol原原子，热容为子，热容为25J/molK25J/molK。（举例）。（举例）(2)(2)实际上大部分元素的在实际上大部分元素的在常温以上常温以上原子热容接近该值，但对于原子热容接近该值，但对于轻元素轻元素与实际值差别较大。与实际值差别较大
25、。142.2.化合物的热容定律化合物的热容定律奈曼柯普定律奈曼柯普定律 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H H2 2O O、SiOSiO2 2、CaSiOCaSiO3 3 摩尔热容？摩尔热容？其来由是根据杜隆伯替定律，也是基于经典热容理论。其来由是根据杜隆伯替定律，也是基于经典热容理论。二、晶态固体热容的经验定律与经典理论二、晶态固体热容的经验定律与经典理论 （1 1）认为热容与温度无关，与事实不符。）认为热容与温度无关，
26、与事实不符。实际上？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的影响。）未考虑体积是否变化及电子的影响。（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，原假设与前提问题
27、，依据气体分子动力学，认为质点内能连续，原子（各种元素）子（各种元素）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。现了固体热容的量子理论。153.3.热容经验定律评价热容经验定律评价三、晶态固体热容的三、晶态固体热容的量子理论量子理论 晶态固体热容的经典理论过于简化，存在较多的问题。晶态固体热容的经典理论过于简化，存在较多的问题。2020世纪初期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。
28、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普朗克首先提出了质点振动能量能量的的“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为最小单为最小单位，称量子能阶。质点的能量都是这一最小单位的位，称量子能阶。质点的能量都是这一最小单位的整数倍整数倍。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
29、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点都在独立振动，原子间彼此无关，每个质点振动频率相同，简化、简化、推导而得。推导而得。kTRfeekTkNTECekTkTAmV31322,kTfe爱因斯坦比热函数爱因斯坦比热函数 E k爱因斯坦温度爱因斯坦温度 16讨论：讨论：（1 1）高温时（）高温时（T TE E），），即为杜隆伯替定律的
30、形式，实际上杜隆伯替定律在较高温度即为杜隆伯替定律的形式，实际上杜隆伯替定律在较高温度 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（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。TeETE1RTeTkNCETEAmVE3322,17 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
31、足：在不足：在T TE E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。德拜模型在这一方面原因：前提、没有考虑低频率振动对热容的贡献。德拜模型在这一方面作了改进，故能得到更好结果。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18 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；对热容的贡献主要是频率对热容的贡献主要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；把晶体看作连续介质；把晶体看作连续介质；max m
32、ax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 讨论：讨论：（1 1）高温时（）高温时（T TD D ）=即杜隆伯替定律形式。即杜隆伯替定律形式。TTDxDmVDDeTdxexTRC033,131123xex1kTxTDDDmVDTTxdxxTRC033,11311123RTTRDD3331233192.2.德拜模型德拜模型评价：评价：一般场合已足够精确。但随着测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量技术的进步，发现其在低温下还不能与实际完全相符；不能解释超导现能与实际完全相符；不能解释超导现象；不完全适用于复杂化合物。象；不完全适用于复杂化合
33、物。原因：晶体毕竟不是一个连续体原因：晶体毕竟不是一个连续体（如晶界、杂质等缺陷）。对于金属（如晶界、杂质等缺陷）。对于金属晶体，没有考虑自由电子的贡献等。晶体，没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，与事实十分符合，较爱因斯坦模，与事实十分符合，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。34,512DmVTRC20四、无机材料的热容四、无机材料的热容 1.材料都有材料都有D（0.20.5T熔熔），），D以上热容逐渐趋于以上热容逐渐趋于25J/molK，绝，绝大多数氧化物
34、、碳化物，至大多数氧化物、碳化物，至1273K附近热容近似于附近热容近似于25J/molK，温度进一，温度进一步增加热容基本不变。步增加热容基本不变。2.热容与材料组织结构关系不大，如热容与材料组织结构关系不大，如CaO和和SiO2mol比为比为1：1的混合物的混合物与与CaSiO3的热容的热容T曲线基本重合。但单位体积的热容与气孔率有关，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，用多孔材料质轻，体积热容小。因此周期加热炉，用多孔的多孔的硅藻上砖、泡硅藻上砖、泡沫刚玉等，减少热量损耗，加快升降温速度。沫刚玉等，减少热量损耗，加快升降温速度。3.在相变
35、、多晶转化、铁电转变、有序无序转变等点上，热容突变。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同样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。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？原因？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 abTcT2 一些无机材料在一些无机材料在不同温度范围不同温度范围的的 a、b、c可通过相关资料（如物理性可通
36、过相关资料（如物理性能手册）查出。能手册）查出。工程上一般采用工程上一般采用。较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程上也常用查得的构成该较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程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（如化合物的元素或简单化合物的热容总和作为其热容（如CaSiO3）。）。21五、金属材料的热容五、金属材料的热容 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容的贡献在3 32k2k（玻尔茨曼常数）数量级，且与温度无关，金
37、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。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。常温下常温下电子电子对热容的贡献只占对热容的贡献只占1 1100100；但在；但在极高温度和极低温度极高温度和极低温度下，对热容的贡献下，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到热运不可忽视。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，动中，因此，高温区高温区随温度升高热容继续上升。随温度升高热容继续上升。极低温极低温下，电子热容不下，电子热容不像离子热容那样急剧减小，因而在极低温度
38、下起着主导作用。像离子热容那样急剧减小，因而在极低温度下起着主导作用。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D D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
39、对铁磁合金不适用适用。热处理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。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）P P9 9六、热容的测量（自学）六、热容的测量（自学）七、热分析及其工程应用（自学）七、热分析及其工程应用（自学）22第第3 3节节 材料的热膨胀材料的热膨胀一、热膨胀的概念及热膨胀系数一、热膨胀的概念及热膨胀系数1.1.热膨胀热膨胀：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 热胀冷缩热胀冷缩现象。现象。不同物质的热膨胀特性不同。不同物质的热
40、膨胀特性不同。有的物质随温度变化有较大的体积变化，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，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，晶体结构不同晶体结构不同（如如石英玻璃石英玻璃与与SiOSiO2 2晶体晶体），也将有），也将有不同的热膨胀性能不同的热膨胀性能，等等。，等等。意义：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，精密仪器等。器等。选择、设计膨胀性能满足使用要求的材料。选择、设计膨胀性能满足使用要求的材料。2.热膨胀系数：热膨胀系数：1）线膨胀系数）线膨胀系数（1）物体温度升高自）物体温
41、度升高自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。表示物体在该温度范围内，温度每平均升高该温度范围内，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。是材料在一个温度范围内一个温度范围内的的平均平均膨胀特性。工业上通常使用。膨胀特性。工业上通常使用。123一、热膨胀的概念及热膨胀系数一、热膨胀的概念及热膨胀系数（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
42、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105106K 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
43、）。）。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
44、、c c 可得：可得：V V a ab b c c 推导略。推导略。24二、热膨胀的机理二、热膨胀的机理 1.1.简谐振动问题简谐振动问题 前面将质点热振动前面将质点热振动近似近似看作简谐振动。即质点只看作简谐振动。即质点只围绕其平衡位置围绕其平衡位置做热振动，温做热振动，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，显然与实际不符，即简谐振动不能解释热膨胀现象，只能变，这样不会有热膨胀，显然与实际不符，即简谐振动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
45、揭示热容的本质。那么热膨胀是怎样通过质点的热振动质点的热振动产生的哪？（前面讲过，材产生的哪？（前面讲过，材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关）。料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关）。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，将引起质点平均距离增大，实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。从而导致物体热膨胀。(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。两质点间存在着相互作用力：相邻两
46、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。252.热膨胀的物理本质（机理）热膨胀的物理本质（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。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，随间距减小增大速度不同，斥力增斥力增加快加快，合力曲线斜率不等（，合力曲线斜率不等（平衡平衡位置位置左左侧大侧大，右侧小
47、右侧小），所以质点振动时其），所以质点振动时其平平均均位置位置不在振动的不在振动的平衡平衡位置位置，而，而靠右靠右。温度升高，振幅增大，其温度升高，振幅增大，其平均平均位置位置偏离偏离平衡平衡位置位置靠右靠右的距离越大，两质点间的的距离越大，两质点间的距离增大，晶胞参数增大，物体膨胀。距离增大，晶胞参数增大，物体膨胀。26(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温线），图中平行的横线代表不同的温度。任一温度下，质点在其度。任一温度下，质点在其平衡平衡位置位置动能最大，势能为零；在左右动能最大，势能为零；在左
48、右最远距最远距离离势能最大，动能为零。随势能最大，动能为零。随温度升高温度升高，质点振幅增大，左右侧最大势能都增质点振幅增大，左右侧最大势能都增加，但由于加，但由于斥力增加的快斥力增加的快，左侧势能，左侧势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的对称。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，中心位置右移，质点间的距离增大，物体膨胀。物体膨胀。2.2.热膨胀的物理本质（机理）热膨胀的物理本质（机理）271.1.与热容之间的关系与热容之间的关系 格律乃森定律：格律乃森定律：物体的膨胀系数与定容热容成正比（表达式见式物体的膨
49、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）。它们有相似温度依赖关系相似温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。图温则趋于平缓。图1.191.19是铝根据其理论关系所得的曲线与实测结果的对比，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。基本一致。原因：原因：固体的热膨胀实质上是由于材料温度升高晶格热振动加剧引起的。固体的热膨胀实质上是由于材料温度升高晶格热振动加剧引起的。振幅增加越大，热膨胀越大，同时振动能量越大。而晶格热振动加剧，质点振幅增加越大，热膨胀越大，同时振动能量越大。而晶格热振
50、动加剧，质点振动能量增加，升高单位温度能量的增加值正是热容的定义。振动能量增加，升高单位温度能量的增加值正是热容的定义。2.2.与原子结合能、熔点之间的关系与原子结合能、熔点之间的关系 热膨胀系数与熔点、原子间结合能、德拜温度的平方成反比。热膨胀系数与熔点、原子间结合能、德拜温度的平方成反比。原因：原因：固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，质点的位能固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，质点的位能性质又由质点间的结合力特性决定。原子间结合力越强的材料，其性质又由质点间的结合力特性决定。原子间结合力越强的材料，其位阱位阱越深越深而狭（位能随质点位移变化陡峭），升高同样温度，
