1、材料物理性能檢測標準中國計量學(xué)院標準化學(xué)院主講：史耀君課程體系 材料科學(xué)基礎(chǔ) 標準化入門 標準化基礎(chǔ) 標準化原理 材料標準化 大學(xué)物理 材料物理性能檢測標準課程介紹v 材料物理性能檢測標準材料物理性能檢測標準是標準化工程專業(yè)材料標準化方向教學(xué)計是標準化工程專業(yè)材料標準化方向教學(xué)計劃中一門理論性和實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課。劃中一門理論性和實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課。v 該課程在學(xué)習(xí)該課程在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理大學(xué)物理、材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)等課等課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)有關(guān)材料物理性能等分析測試的基本理論和技術(shù)，程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)有關(guān)材料物理性能等分析測試的基本理論和技術(shù)，為后續(xù)材料專業(yè)檢測標準學(xué)

2、習(xí)打基礎(chǔ)。為后續(xù)材料專業(yè)檢測標準學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。v 課程的任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握材料熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、課程的任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握材料熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和彈性等性能的分析測試標準化方法與技術(shù)。學(xué)生通過本課程的光學(xué)和彈性等性能的分析測試標準化方法與技術(shù)。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可以在以后制定材料檢測技術(shù)標準的學(xué)習(xí)和研究過程中應(yīng)用所學(xué)習(xí)，可以在以后制定材料檢測技術(shù)標準的學(xué)習(xí)和研究過程中應(yīng)用所學(xué)的知識分析問題、解決問題。學(xué)的知識分析問題、解決問題。課程介紹成績構(gòu)成：平時成績（30%）+期末考試（70%）平時成績：課堂出勤、課堂回答、課后作業(yè)、實踐環(huán)節(jié)等。考核方式：考試課程介紹推

3、薦教材：1、邱成軍、王元化、王義杰等，材料物理性能，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003。主要參考書：1、馬小娥主編，材料實驗與測試技術(shù)，中國電力出版社, 2008。2、吳其勝主編，材料物理性能，華東理工大學(xué)出版社，2006。 第一章第一章 材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能1第三章第三章 材料的磁學(xué)性能材料的磁學(xué)性能34第二章第二章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能2第四章第四章 材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)課程介紹第五章第五章 材料的彈性及內(nèi)耗分析材料的彈性及內(nèi)耗分析56第六章第六章 核物理檢測方法及其應(yīng)用核物理檢測方法及其應(yīng)用1課程介紹23實踐一實踐一 材料導(dǎo)電性能的測量材料導(dǎo)電性能的測量實踐二實踐二

4、振動樣品磁強計（振動樣品磁強計（VSM）測試及分析）測試及分析實踐三實踐三 BH測試儀及其測試儀及其PFM磁性測量系統(tǒng)磁性測量系統(tǒng)4實踐四實踐四 材料彈性模量的測量材料彈性模量的測量課程介紹教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容教學(xué)時數(shù)（教學(xué)時數(shù)（22）第一章第一章 材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能2第二章第二章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能4第三章第三章 材料的磁學(xué)性能材料的磁學(xué)性能6第四章第四章 材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)4第五章第五章 材料的彈性及內(nèi)耗分析材料的彈性及內(nèi)耗分析4第六章第六章 核物理檢測方法及其應(yīng)用核物理檢測方法及其應(yīng)用2課程介紹序序號號實驗項目實驗項目學(xué)學(xué)時時基本要求基本要求實驗實驗性質(zhì)性質(zhì)實驗

5、實驗類別類別1材料導(dǎo)電性能的測量材料導(dǎo)電性能的測量2掌握材料電阻測量的基本方掌握材料電阻測量的基本方法與原理、熟悉檢流計的使法與原理、熟悉檢流計的使用，計算分析出材料的電阻用，計算分析出材料的電阻 綜合綜合必做必做2振動樣品磁強計（振動樣品磁強計（VSM）測）測試及分析試及分析4了解振動樣品磁強計（了解振動樣品磁強計（VSM）的結(jié)構(gòu)、工作原理及操作）的結(jié)構(gòu)、工作原理及操作過程，通過樣品的測試分析過程，通過樣品的測試分析磁特性磁特性綜合綜合必做必做3BH測試儀及其測試儀及其PFM磁性測磁性測量系統(tǒng)量系統(tǒng)2熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及操作過程，通過實際操作及操作過程，通過實際

6、操作演示，分析兩臺設(shè)備對磁性演示，分析兩臺設(shè)備對磁性能測試的區(qū)別與共同點能測試的區(qū)別與共同點綜合綜合必做必做4材料彈性模量的測量材料彈性模量的測量2掌握測量材料彈性模量的方掌握測量材料彈性模量的方法與原理，根據(jù)不同方法計法與原理，根據(jù)不同方法計算并分析出材料的彈性模量算并分析出材料的彈性模量 綜合綜合必做必做引言 材料科學(xué)與工程四要素引言引言v材料的物理性能有哪些？電、介電、熱、光、磁、彈性和內(nèi)耗本課程的學(xué)習(xí)就是以上述這些物理性能為主要內(nèi)容，研究其物理本質(zhì)、測試方法以及測試標準。第一章 材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能：材料的熱學(xué)性能：主要包括熱容，熱膨脹，熱傳導(dǎo)，熱穩(wěn)定性等。主要包括熱容，熱膨脹

7、，熱傳導(dǎo)，熱穩(wěn)定性等。教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：v1.1 概述概述v1.2 材料的熱容材料的熱容v1.3 材料的熱膨脹材料的熱膨脹v1.4 材料的熱傳導(dǎo)材料的熱傳導(dǎo)v1.5 材料的熱穩(wěn)定性材料的熱穩(wěn)定性 F熱學(xué)性能的主要應(yīng)用：熱學(xué)性能的主要應(yīng)用： 微波諧振腔、精密天平、標準尺、標準電容等使用的材料微波諧振腔、精密天平、標準尺、標準電容等使用的材料要求的熱膨脹系數(shù)低；要求的熱膨脹系數(shù)低； 電真空封裝材料要求具有一定的熱膨脹系數(shù)；電真空封裝材料要求具有一定的熱膨脹系數(shù)； 熱敏元件要求盡可能有高的熱膨脹系數(shù)；熱敏元件要求盡可能有高的熱膨脹系數(shù)； 工業(yè)爐襯、建筑材料、以及航天飛行器重返大氣層的隔熱工業(yè)爐襯、

8、建筑材料、以及航天飛行器重返大氣層的隔熱材料要求具有優(yōu)良的隔熱性能；材料要求具有優(yōu)良的隔熱性能； 晶體管散熱器等要求優(yōu)良的導(dǎo)熱性能晶體管散熱器等要求優(yōu)良的導(dǎo)熱性能1.1 概述式中：式中： = 微觀彈性模量，微觀彈性模量， = 質(zhì)點質(zhì)量，質(zhì)點質(zhì)量， = 質(zhì)點在質(zhì)點在x方向上位移。方向上位移。 熱性能的物理本質(zhì)：晶格熱振動熱性能的物理本質(zhì)：晶格熱振動根據(jù)牛頓第二定律，一維簡諧振動方程為：根據(jù)牛頓第二定律，一維簡諧振動方程為： 1.1 概述21122nnnndxm( xxx )dt mx 溫度升高時，動能加大，振幅和頻率均加大。溫度升高時，動能加大，振幅和頻率均加大。 晶胞中每個質(zhì)點所處的環(huán)境不同，

9、晶胞中每個質(zhì)點所處的環(huán)境不同，不同，每個質(zhì)點在熱不同，每個質(zhì)點在熱振動時都有一定的振動頻率，振動時都有一定的振動頻率，N個不同質(zhì)點，就有個不同質(zhì)點，就有N個頻率組個頻率組合在一起。合在一起。 各質(zhì)點熱運動時，動能的總和為物體的熱量。各質(zhì)點熱運動時，動能的總和為物體的熱量。(熱運動能量熱運動能量)i = 熱量熱量1.1 概述12m ni z 晶格振動對晶體的物理性質(zhì)有影響晶格振動對晶體的物理性質(zhì)有影響. .例如：固體的比熱、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等直接與晶格的振動有關(guān)。例如：固體的比熱、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等直接與晶格的振動有關(guān)。 晶格振動的傳播：晶格振動的傳播：以彈性波（格波）的形式。以彈性波（格波）的形式

10、。 由于材料中質(zhì)點間有很強的相互作用力，因此一個質(zhì)點由于材料中質(zhì)點間有很強的相互作用力，因此一個質(zhì)點的振動會使臨近質(zhì)點隨之振動。因相鄰質(zhì)點間的振動存在一的振動會使臨近質(zhì)點隨之振動。因相鄰質(zhì)點間的振動存在一定的相位差，故晶格振動以彈性波的形式（格波）在整個材定的相位差，故晶格振動以彈性波的形式（格波）在整個材料內(nèi)傳播。彈性波是多頻率振動的組合波。料內(nèi)傳播。彈性波是多頻率振動的組合波。1.1 概述格波：格波：晶格中的所有質(zhì)點以相同頻率振動而形成的波，或某晶格中的所有質(zhì)點以相同頻率振動而形成的波，或某一個質(zhì)點在平衡位置附近的振動是以波的形式在晶體中傳播形一個質(zhì)點在平衡位置附近的振動是以波的形式在晶體

11、中傳播形成的波。成的波。 格波的特點：格波的特點： 晶格中質(zhì)點的振動；晶格中質(zhì)點的振動； 相鄰質(zhì)點間存在固定的位相。相鄰質(zhì)點間存在固定的位相。1.1 概述根據(jù)振動頻率的高低，分為根據(jù)振動頻率的高低，分為聲頻支聲頻支振動和振動和光頻支光頻支振振動（紅外光區(qū)）。動（紅外光區(qū)）。頻率甚低的格波，質(zhì)頻率甚低的格波，質(zhì)點彼此之間的位相差點彼此之間的位相差不大，則格波類似于不大，則格波類似于彈性體中的應(yīng)變波，彈性體中的應(yīng)變波，稱為稱為“聲頻支振動聲頻支振動”。對于聲學(xué)波，相鄰原子都是沿著同一方向振動，當波對于聲學(xué)波，相鄰原子都是沿著同一方向振動，當波長很長時，聲學(xué)波實際上代表原胞質(zhì)心的振動。長很長時，聲學(xué)

12、波實際上代表原胞質(zhì)心的振動。1.1 概述格波中頻率甚高的振動格波中頻率甚高的振動波，質(zhì)點彼此之間的位波，質(zhì)點彼此之間的位相差很大，鄰近質(zhì)點的相差很大，鄰近質(zhì)點的運動幾乎相反時，頻率運動幾乎相反時，頻率往往在紅外光區(qū)，稱為往往在紅外光區(qū)，稱為“光頻支振動光頻支振動”。原胞的質(zhì)心保持不動，由此也可以定性的看出，光學(xué)原胞的質(zhì)心保持不動，由此也可以定性的看出，光學(xué)波代表原胞中兩個原子的相對振動。波代表原胞中兩個原子的相對振動。如離子晶體中正如離子晶體中正負離子間的相對振動。負離子間的相對振動。1.1 概述 由于光頻支是不同原子相對振動引起的，由于光頻支是不同原子相對振動引起的，所以一個分子中有所以一個

13、分子中有n個不同原子，會有個不同原子，會有（n-1）個不同頻率的光頻波。如果晶格有個不同頻率的光頻波。如果晶格有N個分子，個分子，則有個則有個N（n-1）光頻波。光頻波。 對于離子晶體，可利用紅外吸收光譜，通對于離子晶體，可利用紅外吸收光譜，通過共振吸收，了解離子間的結(jié)合情況。過共振吸收，了解離子間的結(jié)合情況。1.1 概述熱容熱容 是物體溫度升高是物體溫度升高1K所需要增加的能量。所需要增加的能量。它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。是分它反映材料從周圍環(huán)境中吸收熱量的能力。是分子熱運動的能量隨溫度而變化的一個物理量。不子熱運動的能量隨溫度而變化的一個物理量。不同環(huán)境下，物體的熱容不同。同環(huán)

14、境下，物體的熱容不同。（J/K） 1.2 材料的熱容()TQCT（1 1）定容熱容）定容熱容CvCv 在加熱過程中體積不變在加熱過程中體積不變不對外做功，所供給的熱量只用于物體內(nèi)能增加。不對外做功，所供給的熱量只用于物體內(nèi)能增加。1.2 材料的熱容HUpVVVVVQHUC()()()TTT(2)定壓熱容定壓熱容Cp 在加熱過程中壓強不變。在加熱過程中壓強不變。所供給的熱量除了用于物體內(nèi)能增加外，還對外做功。所供給的熱量除了用于物體內(nèi)能增加外，還對外做功。1.2 材料的熱容HUpVpppQUVC()()pTTT(3)(3)比熱容比熱容 質(zhì)量為質(zhì)量為1Kg的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)條件下的物質(zhì)在沒

15、有相變和化學(xué)反應(yīng)條件下升高升高1K所需的熱量。它與物質(zhì)的本性有關(guān)，通常用所需的熱量。它與物質(zhì)的本性有關(guān)，通常用小寫的英文字母小寫的英文字母c表示，單位為表示，單位為J/(kg.K)。1.2 材料的熱容11ppVVQc()mTQc()mT (4) 摩爾熱容摩爾熱容 質(zhì)量為質(zhì)量為1mol的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)條件的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)條件下升高下升高1K所需的熱量。它與物質(zhì)的本性有關(guān)，通常所需的熱量。它與物質(zhì)的本性有關(guān)，通常用大寫的英文字母用大寫的英文字母Cm表示，單位為表示，單位為J/(mol.K)。1.2 材料的熱容11p,mpV ,mVQC()MTQC()MT 實際中測得的熱容是定壓

16、熱容實際中測得的熱容是定壓熱容Cp，通常簡稱熱容。，通常簡稱熱容。 由于定容熱容由于定容熱容CV反映系統(tǒng)內(nèi)能的變化，由其可直反映系統(tǒng)內(nèi)能的變化，由其可直接計算系統(tǒng)的能量增量，其更有理論意義。接計算系統(tǒng)的能量增量，其更有理論意義。 定壓熱容定壓熱容Cp 定容熱容定容熱容CV 計算計算 在固體材料的研究中，通常使用摩爾熱容表示熱容。在固體材料的研究中，通常使用摩爾熱容表示熱容。1.2 材料的熱容根據(jù)熱力學(xué)第二定律可以導(dǎo)出：根據(jù)熱力學(xué)第二定律可以導(dǎo)出： Vm 摩爾體積，摩爾體積， 體膨脹系數(shù)，體膨脹系數(shù)， 壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)。2VmPmVmV TCCK 1.2 材料的熱容VdVVdT dVKVdP

17、對于固體材料對于固體材料CP，m與與CV，m差異很小差異很小 1.2 材料的熱容 熱容是隨溫度而變化的，在不發(fā)生相變的條件下，多數(shù)物質(zhì)的摩爾熱容測量表明，定容熱容C和溫度的關(guān)系與定壓熱容有相似的規(guī)律。 (1) 在高溫區(qū) Cv的變化平緩 (2) 低溫區(qū) Cv T3 (3) 溫度接近0K時， Cv T (4) 0K時， Cv 0 熱容來源： 受熱后點陣離子的振動加劇和體積膨脹對外做功，此外還和電子貢獻有關(guān)，后者在溫度極高（接近熔點）或極低（接近0K）的范圍內(nèi)影響較大，在一般溫度下則影響很小。1.2 材料的熱容1.3.1 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象叫做物體的體積或長

18、度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象叫做熱膨脹熱膨脹。式中，式中，l線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)，即溫度升高，即溫度升高1K時，物體的時，物體的 相對伸長。相對伸長。物體在溫度物體在溫度 T 時的長度時的長度lT為為： 1.3 材料的熱膨脹0llTl00(1)TlllllT 無機材料的無機材料的 ,l通常隨通常隨T升高而加大。同理，升高而加大。同理，物體體積隨溫度的增加可表示為：物體體積隨溫度的增加可表示為： 式中，式中，V體膨脹系數(shù)體膨脹系數(shù)，相當于溫度升高，相當于溫度升高1k時物體體積相對增長時物體體積相對增長值。值。 對于物體是立方晶體對于物體是立方晶體 由于由于l 值很小，可略值很小，可略 以上的高次項，

19、則：以上的高次項，則： 0(1)TVVVT561010/lK333300(1)(1)TTllVllTVT2l0(1 3)TlVVT1.3 材料的熱膨脹與上式比較，就有以下近似關(guān)系：與上式比較，就有以下近似關(guān)系：對于各向異性的晶體對于各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別為假如分別為a、b、c，則則 同樣忽略同樣忽略二次方以上項：二次方以上項： 所以所以1.3 材料的熱膨脹3Vl000(1)(1)(1)TaT bT cTabcabcVl l ll l lTTT01 ()TabcVVTVabc 1.3.2 熱膨脹的物理本質(zhì)熱膨脹的物理本質(zhì) 當物體溫度升高時

20、，晶體中原子的振動加劇，當物體溫度升高時，晶體中原子的振動加劇，相鄰原子之間的平衡距離也隨溫度變化而變化，因相鄰原子之間的平衡距離也隨溫度變化而變化，因此溫度升高而發(fā)生膨脹現(xiàn)象。此溫度升高而發(fā)生膨脹現(xiàn)象。一般膨脹系數(shù)的精確表達式：一般膨脹系數(shù)的精確表達式：1.3 材料的熱膨脹lll TVVV T1.3 材料的熱膨脹勢能曲線不是嚴格對稱拋物線。勢能曲線不是嚴格對稱拋物線。隨著溫度的升高，原子的振動隨著溫度的升高，原子的振動能量、最大勢能增加能量、最大勢能增加振動原子的振動原子的平衡平衡位置漂移位置漂移造成平衡距離的增大，發(fā)生晶造成平衡距離的增大，發(fā)生晶格膨脹。格膨脹。1.3 材料的熱膨脹1膨脹系

21、數(shù)與熱容的關(guān)系膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系 格律乃森格律乃森根據(jù)晶格熱振動理論導(dǎo)出了它們之間的關(guān)系。根據(jù)晶格熱振動理論導(dǎo)出了它們之間的關(guān)系。格律乃森定律指出：格律乃森定律指出：體膨脹與定容熱容成正比，它們有相似的體膨脹與定容熱容成正比，它們有相似的溫度依賴關(guān)系。溫度依賴關(guān)系。 r 為格律乃森常數(shù)，為格律乃森常數(shù)，K0 為為 0K 時的體積彈性模量。時的體積彈性模量。1.3.3 熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系0VVrCK V 03VlrCK V 2膨脹系數(shù)與熔點的關(guān)系 格律乃森總結(jié)出格律乃森總結(jié)出金屬金屬膨脹系數(shù)與熔點的膨脹系數(shù)與熔點的反比例反比例關(guān)系：關(guān)系：為熔點溫度，為熔點溫度，為熔點溫度固態(tài)金屬的體積

22、，為熔點溫度固態(tài)金屬的體積，為為 0K 金屬的體積，金屬的體積，C 為常數(shù)，約在為常數(shù)，約在0.060.076之間。之間。熔點較高的金屬，具有較低的膨脹系數(shù)。熔點較高的金屬，具有較低的膨脹系數(shù)。00mTmVVVTCV mTmTV0V1. 相變的影響相變的影響一級相變：有潛熱、比熱容無限大，體積發(fā)生突變，膨脹一級相變：有潛熱、比熱容無限大，體積發(fā)生突變，膨脹 系數(shù)發(fā)生突變。系數(shù)發(fā)生突變。二級相變：無潛熱，無體積發(fā)生突變，比熱容和膨脹系數(shù)二級相變：無潛熱，無體積發(fā)生突變，比熱容和膨脹系數(shù) 發(fā)生突變。發(fā)生突變。 1.3.4 影響膨脹性能的因素（2）不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的物質(zhì)）不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的物質(zhì) 對于相同組成

23、的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)大。對于相同組成的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊密的晶體膨脹系數(shù)大。 單晶單晶 多晶多晶 納米納米 非晶非晶 孔隙越多，膨脹系越小。孔隙越多，膨脹系越小。 2. 組織成分的影響組織成分的影響（1）形成固溶體）形成固溶體 固溶體的膨脹與溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)和含量有關(guān)。溶質(zhì)元固溶體的膨脹與溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)和含量有關(guān)。溶質(zhì)元素的膨脹系數(shù)高于溶劑基體時，將增大膨脹系數(shù)。素的膨脹系數(shù)高于溶劑基體時，將增大膨脹系數(shù)。1.3.4 影響膨脹性能的因素3. 各向異性的影響各向異性的影響 單晶體的線性膨脹系數(shù)是各向異性的，不同的晶向有不同單晶體的線性膨脹系數(shù)是各向異性的，不同的晶向有不同的線膨脹系數(shù)，

24、因而單晶體的膨脹特性不能以單一的量值表征。的線膨脹系數(shù)，因而單晶體的膨脹特性不能以單一的量值表征。4. 鐵磁性轉(zhuǎn)變的影響鐵磁性轉(zhuǎn)變的影響 鐵磁性金屬和合金，比如鐵、鈷、鎳及其某些磁性合金。鐵磁性金屬和合金，比如鐵、鈷、鎳及其某些磁性合金。1.3.4 影響膨脹性能的因素膨脹測量是材料熱性能的一種物理方法。膨脹測量是材料熱性能的一種物理方法。核心：核心：設(shè)法將膨脹量放大，精確測量熱膨量。設(shè)法將膨脹量放大，精確測量熱膨量。測量方法：測量方法：光學(xué)式、電測式、機械式。光學(xué)式、電測式、機械式。1.3.5 膨脹的測量1.1.光學(xué)膨脹儀光學(xué)膨脹儀 （1 1）光杠桿膨脹儀）光杠桿膨脹儀 （2 2）光干涉法）光

25、干涉法2.2.電測式膨脹儀電測式膨脹儀 （1 1）電感式膨脹儀）電感式膨脹儀 （2 2）電容式膨脹儀）電容式膨脹儀3. 3. 機械式膨脹儀機械式膨脹儀 （1 1）千分表式膨脹儀）千分表式膨脹儀 （2 2）杠桿式膨脹儀）杠桿式膨脹儀1.3.5 膨脹的測量主要用于相轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究。主要用于相轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究。一級相變：有潛熱、比熱容無限大，一級相變：有潛熱、比熱容無限大，體積有突變體積有突變， 膨脹系數(shù)發(fā)生突變。膨脹系數(shù)發(fā)生突變。二級相變：無潛熱，二級相變：無潛熱，體積無突變體積無突變，比熱容和膨脹，比熱容和膨脹 系數(shù)發(fā)生突變。系數(shù)發(fā)生突變。 依據(jù)：1.3.6 膨脹分析的應(yīng)用1.4.1

26、1.4.1 熱傳導(dǎo)的基本概念和定律熱傳導(dǎo)的基本概念和定律1.1.傅里葉定律和熱導(dǎo)率傅里葉定律和熱導(dǎo)率 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 （ ）：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過）：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過 單位截面積的熱量。單位截面積的熱量。熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)：不同溫度的物體或區(qū)域，在相互靠近或接觸時，不同溫度的物體或區(qū)域，在相互靠近或接觸時， 會以傳熱的形式交換能量（能量遷移）。會以傳熱的形式交換能量（能量遷移）。溫度梯度（溫度梯度（ ） ：單位長度的溫度變化。：單位長度的溫度變化。矢量，方向指向溫度升高方向矢量，方向指向溫度升高方向1.4 材料的熱傳導(dǎo)dTdx 板材厚度為板材厚度為 ，板兩面溫差為，板兩面溫差

27、為 ，板的面積為，板的面積為 則單位時間通過該板面的熱量為：則單位時間通過該板面的熱量為： 稱為熱量遷移率稱為熱量遷移率傅立葉（傅立葉（Fourer）定律：）定律： 由于熱量沿溫度降低的方向流動，熱量遷移率方向由于熱量沿溫度降低的方向流動，熱量遷移率方向與溫度梯度方向相反，所以二量符號相反。與溫度梯度方向相反，所以二量符號相反。dxdTdQdTSdtdx dQdt1.4 材料的熱傳導(dǎo)S2. 2. 熱擴散率熱擴散率 對于不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的體系，引對于不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的體系，引入入熱擴散率來描述體系的熱擴散率來描述體系的熱傳導(dǎo)能力和溫度長隨時間的變化。熱傳導(dǎo)能力和溫度長隨時間的變化。為熱擴散率，為熱擴

28、散率， 為熱導(dǎo)率，為熱導(dǎo)率，為密度，為密度，c c為比熱容。為比熱容。 在不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中，材料內(nèi)經(jīng)歷著熱導(dǎo)的同時，還有在不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中，材料內(nèi)經(jīng)歷著熱導(dǎo)的同時，還有溫度場隨時間的變化，溫度場隨時間的變化，越大的材料各處的溫差越小。越大的材料各處的溫差越小。 主要用于計算材料達到均勻溫度所用的時間。主要用于計算材料達到均勻溫度所用的時間。c 1.4 材料的熱傳導(dǎo)固體的導(dǎo)熱機制：固體的導(dǎo)熱機制： 熱傳導(dǎo)過程是材料內(nèi)部的能量傳輸過程，在固體中其熱傳導(dǎo)過程是材料內(nèi)部的能量傳輸過程，在固體中其載體有：載體有： 自由電子自由電子、聲子聲子（點陣波）和（點陣波）和光子光子（電磁輻射）。（電磁輻射）。

29、固體的導(dǎo)熱包括：固體的導(dǎo)熱包括： 電子導(dǎo)熱、聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱三種形式。電子導(dǎo)熱、聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱三種形式。 借助氣體導(dǎo)熱系數(shù)公式近似描述固體材料中電子、借助氣體導(dǎo)熱系數(shù)公式近似描述固體材料中電子、聲子和光子的導(dǎo)熱機制，則有：聲子和光子的導(dǎo)熱機制，則有：1.4.2 熱傳導(dǎo)的物理機制elr光子熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：光子熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：1.光子熱導(dǎo)光子熱導(dǎo)只在極高溫度才考慮，其它溫度時不考慮其影響。只在極高溫度才考慮，其它溫度時不考慮其影響。通常固體的熱導(dǎo)為：通常固體的熱導(dǎo)為：比熱容比熱容速度速度平均自由程平均自由程13elrjjjc v l 3rT el1.4.2 熱傳導(dǎo)的物理機制2.電子和

30、聲子熱導(dǎo)電子和聲子熱導(dǎo)電子和聲子的熱導(dǎo)率分別與其平均自由程成正比。電子和聲子的熱導(dǎo)率分別與其平均自由程成正比。平均自由程大小由散射過程決定。平均自由程大小由散射過程決定。1133elee ell lc v lc v l1.4.2 熱傳導(dǎo)的物理機制（1）金屬導(dǎo)熱機制）金屬導(dǎo)熱機制 電子導(dǎo)熱率約是聲子的導(dǎo)熱率的電子導(dǎo)熱率約是聲子的導(dǎo)熱率的30倍，電子導(dǎo)熱倍，電子導(dǎo)熱起主要作用。起主要作用。（2）半導(dǎo)體導(dǎo)熱機制）半導(dǎo)體導(dǎo)熱機制 電子導(dǎo)熱和聲子導(dǎo)熱率的作用大體相當。電子導(dǎo)熱和聲子導(dǎo)熱率的作用大體相當。（3）絕緣體導(dǎo)熱機制）絕緣體導(dǎo)熱機制 聲子導(dǎo)熱其主要作用作用。聲子導(dǎo)熱其主要作用作用。1.4.2 熱傳

31、導(dǎo)的物理機制魏德曼定律：在室溫下，魏德曼定律：在室溫下，金屬金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之比 不隨金屬材料而改變，比值與溫度成不隨金屬材料而改變，比值與溫度成 正比。（正比。（一般經(jīng)驗規(guī)律一般經(jīng)驗規(guī)律）為洛倫茲數(shù)為洛倫茲數(shù) 洛倫茲數(shù)只有在洛倫茲數(shù)只有在0以上的較高溫度時才近似為以上的較高溫度時才近似為常數(shù)，常數(shù)，在在0以下隨溫度的降低而減小，在以下隨溫度的降低而減小，在趨近于趨近于絕絕對零度時為對零度時為0 0。 低溫時電子的作用減弱，聲子作用逐漸顯現(xiàn)。低溫時電子的作用減弱，聲子作用逐漸顯現(xiàn)。1.4.3 熱傳導(dǎo)的一般規(guī)律LT L1.溫度對金屬熱導(dǎo)率的影響溫度對金屬熱導(dǎo)率的影響 對金

32、屬熱傳導(dǎo)其阻擋作用的主要有：對金屬熱傳導(dǎo)其阻擋作用的主要有： 缺陷阻擋缺陷阻擋和和聲子阻擋聲子阻擋兩部分。兩部分。低溫：低溫：缺陷阻擋缺陷阻擋起主要作用。起主要作用。高溫：高溫：聲子阻擋聲子阻擋起主要作用。起主要作用。中溫：中溫： 聲子阻擋聲子阻擋和和缺陷阻擋缺陷阻擋都起作用。都起作用。1.4.4 熱傳導(dǎo)的影響因素玻璃體：玻璃體： 一般有熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大的規(guī)律。一般有熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大的規(guī)律。1.4.4 熱傳導(dǎo)的影響因素2.原子結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)的影響原子結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)的影響根據(jù)魏德曼定律：根據(jù)魏德曼定律：金屬的電導(dǎo)率越高，熱傳導(dǎo)性能越好。金屬的電導(dǎo)率越高，熱傳導(dǎo)性能越好。電子結(jié)構(gòu)對熱傳

33、導(dǎo)性有重大影響。電子結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)性有重大影響。1.4.4 熱傳導(dǎo)的影響因素LT 3.合金成分和晶體結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)的影響合金成分和晶體結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)的影響 合金中由于加入雜質(zhì)元素使雜質(zhì)缺陷形成的熱阻增強，使得合金中由于加入雜質(zhì)元素使雜質(zhì)缺陷形成的熱阻增強，使得熱導(dǎo)率降低。雜質(zhì)原子與金屬原子的結(jié)構(gòu)差異越大，影響越大。熱導(dǎo)率降低。雜質(zhì)原子與金屬原子的結(jié)構(gòu)差異越大，影響越大。1.4.4 熱傳導(dǎo)的影響因素4.氣孔率對熱傳導(dǎo)的影響氣孔率對熱傳導(dǎo)的影響 氣孔率越大，熱導(dǎo)率越低。氣孔率越大，熱導(dǎo)率越低。原因：原因： 空氣是熱的不良導(dǎo)體?？諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體。絕熱材料多采用多孔材料絕熱材料多采用多孔材料1.4.4 熱

34、傳導(dǎo)的影響因素 通常低溫時有較高熱導(dǎo)率的材料，隨著溫度升高，熱導(dǎo)通常低溫時有較高熱導(dǎo)率的材料，隨著溫度升高，熱導(dǎo)率降低。如石墨率降低。如石墨, BeO和和MgO等。等。低溫時有較低熱導(dǎo)率的材料，隨著溫度升高，熱導(dǎo)率升低溫時有較低熱導(dǎo)率的材料，隨著溫度升高，熱導(dǎo)率升高。高。 1.4.5 某些無機材料的熱導(dǎo)率1.4.5 某些無機材料的熱導(dǎo)率1. 穩(wěn)態(tài)法穩(wěn)態(tài)法2. 非穩(wěn)態(tài)法非穩(wěn)態(tài)法1.4.6 熱導(dǎo)率的測量熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力。力。熱沖擊損壞類型：熱沖擊損壞類型：1一種是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，一種是在熱沖擊

35、循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。抵抗這類破壞的能力稱并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。抵抗這類破壞的能力稱為為抗熱沖擊損傷性抗熱沖擊損傷性。2一種是材料發(fā)生瞬時斷裂。抵抗這類破壞的能力稱一種是材料發(fā)生瞬時斷裂。抵抗這類破壞的能力稱為為抗熱沖擊斷裂性抗熱沖擊斷裂性。 1.5 材料的熱穩(wěn)定性不改變外力作用狀態(tài)，材料僅因熱沖擊造成開裂和斷裂而損不改變外力作用狀態(tài)，材料僅因熱沖擊造成開裂和斷裂而損壞，這是由于材料在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了材料的壞，這是由于材料在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了材料的力學(xué)強度極限所致。力學(xué)強度極限所致。材料的內(nèi)應(yīng)力材料的內(nèi)應(yīng)力( (熱應(yīng)力熱應(yīng)力)

36、)：1.5.1 1.5.1 熱穩(wěn)定的表示方式熱穩(wěn)定的表示方式（熱穩(wěn)定因子）（熱穩(wěn)定因子）1.5.2 1.5.2 熱應(yīng)力及第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子熱應(yīng)力及第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子彈性模量彈性模量線性膨脹系數(shù)線性膨脹系數(shù)0()( )lEETTl 1.5 材料的熱穩(wěn)定性1.5 材料的熱穩(wěn)定性1、第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R 值愈大，說明材料能承受的溫度變化值愈大，說明材料能承受的溫度變化愈大，即熱穩(wěn)定性愈好，定義：愈大，即熱穩(wěn)定性愈好，定義：為泊松系數(shù)。為泊松系數(shù)。R R表示材料熱穩(wěn)定性的因子，稱為第表示材料熱穩(wěn)定性的因子，稱為第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第一熱應(yīng)力因子。一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第一熱應(yīng)力因子。(

37、1)fRaEmax0TTT1.5 材料的熱穩(wěn)定性2、第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R材料是否出現(xiàn)熱應(yīng)力斷裂，因然與熱應(yīng)力材料是否出現(xiàn)熱應(yīng)力斷裂，因然與熱應(yīng)力 密切相密切相關(guān)，但還與材料中應(yīng)力的分布，產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間、材關(guān)，但還與材料中應(yīng)力的分布，產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間、材料特性（如塑性、均勻性、馳豫性）以及原先存在的裂紋、料特性（如塑性、均勻性、馳豫性）以及原先存在的裂紋、缺陷等有關(guān)。缺陷等有關(guān)。RR表示材料熱穩(wěn)定性的因子，單位表示材料熱穩(wěn)定性的因子，單位J/(J/(cm.scm.s) )，稱為第二熱應(yīng)，稱為第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第二熱應(yīng)力因子。力斷裂抵抗因子或第二熱應(yīng)力因子。為泊松系數(shù)。為泊松系數(shù)。max(1)fRaE 1.5 材料的熱穩(wěn)定性 熱應(yīng)力引起的材料斷裂破壞，還涉及到材料的散熱問題，散熱應(yīng)力引起的材料斷裂破壞，還涉及到材料的散熱問題，散熱使熱應(yīng)力得以緩解。與此有關(guān)的因素包括：熱使熱應(yīng)力得以緩解。與此有關(guān)的因素包括：（1 1）材料的熱導(dǎo)率）材料的熱導(dǎo)率愈快，熱應(yīng)力持續(xù)一