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材料物理化学性能一章.ppt

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2019/9/6,1,材料物理化学性能,主讲教师:韩立影,2019/9/6,2,金属组织变化 产生热效应,,,,材料及其制品在使用过程中,将对不同的温度作出反映,表现出不同的热物理性能.,第一章 热学性能分析,本章讨论 热容的物理概念 物理本质 测量方法 热容测量在材料研究中的应用,,从热效应可以确定出组织转变的类型,转变温度和进行的情况,,2019/9/6,3,,,,1.1 表征热学性能的基本参数及热学性能,1.2热焓及热容的测量、热分析法的应用,第一章 热学性能分析,2019/9/6,4,1.1 表征热学性能的基本参数及热学性能,一.热容的基本概念,,,,材料在温度上升或下降时要吸热或放热,在没有相变或化学反应的条件下,材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容,单位为J/K,所以在温度T时材料的热容可表达为,(1-1),单位质量材料的热容又称之为“比热容”或“质量热容”,单位为J/(kg·K).,1mol材料的热容则称为“摩尔热容”,单位为J/(mol·K)。,2019/9/6,5,(1-2),,,当温度T2无限趋近于T1时,材料的比热容,即,(1-3),当加热过程在恒压条件下进行时,所测定的比热容称为比定压热容;,,,,,平均比热容是指单位质量的材料从温度T1到T2所吸收的热量的平均值:,加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行时,所测定的热容称为比定容热容。,2019/9/6,6,式中: 为热量, 为内能, 为焓。可以直接从系统的能量增量来计算.,(1-4),(1-5),,,,,,,比定压热容和比定容热容的表达式,比较比定压热容和比定容热容的大小?,,2019/9/6,7,在等压过程中,将一个质量为 的物体从0K升高到 所需要的热量称为该物体的热焓。,2019/9/6,8,对于固体材料的热容,在上世纪已发现了两个经验定律:,,元素的热容定律——杜隆—珀替定律,化合物热容定律——柯普定律,,恒压下元素的原子热容等于25J/(K·mol),化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和,2019/9/6,9,经典热容理论,,,在固体中用谐振子来代表每个原子在一个自由度的振动,,,,,一个摩尔固体中有NA个原子,总能量为,2019/9/6,10,1mol单原子固体物质的摩尔定容热容为:,,由式(1-8)可知,热容是与温度无关的常数,这就是杜隆—珀替定律的实质.,对于双原子的固态化合物,1mol中原子为2NA,故摩尔定容热容为Cv,m=2×25J/(K·mol),,(1-8),三原子固态化合物的摩尔定容热容Cv,m=3×25 J/(K·mol),余类推.,杜隆—珀替定律在高温时与实验结果是很符合的,但在低温时却相差较大.,2019/9/6,11,实验结果表明,材料的摩尔热容如下图1-1(P139图8-2)所示,是随温度而变化的.,,,图1-1 NaCl的摩尔热容—温度曲线,在高温区,摩尔热容的变化很平缓;在低温区, 、 ∝ ,温度接近0K时, 、 =0。,,,,由此可见,经典的热容理论在低温下是不适用的,热容随温度的变化只能用量子理论来解释。,2019/9/6,12,1.1 表征热学性能的基本参数及热学性能,1.爱因斯坦模型爱因斯坦模型认为:晶体中每一个原子都是一个独立的振子,原子都以相同的频率振动,这样就推导出如下的热容温度关系式,二、固体热容的量子理论,,,,在热容量子理论的数学模型中,爱因斯坦模型和德拜模型与实验较为相符,下面将作简要介绍.,,,假设前提:,而且振动能量是量子化的.,2019/9/6,13,式中 —谐振子的振动频率;,,,,适当的选取频率 ,可以使理论与实验吻合。又因为 令 。则式(1-9)可以改写成,,,,,,,,(1-9),,,,(1-10),,式中: 为爱因斯坦特征温度; 为爱因斯坦比热函数.,,2019/9/6,14,这就是杜隆—珀替定律的形式。,,,,当温度较高时T» ,则将 展开成,,,(1-11),式(1-10)中,当T趋于零时, 逐渐减小,当T=0时, =0,这都是爱因斯坦模型与实验相符之处。,,但是在低温下,T« ,时. »1,故式(1-10)得到如下形式:,,(1-12),上式表明, 依指数规律随温度而变化,而不是从试验中得出的按 变化的规律.导致这一差异的原因是爱因斯坦采用了过于简化的假设.,忽略振动之间频率的差别是此模型在低温时不准确的原因.德拜模型在这一方面作了改进,故能得到更好的结果。,,略去 的高次项,式(1-10)可化为,,2019/9/6,15,2.德拜模型,德拜考虑到了晶体中原子的相互作用。 晶体中对热容的主要贡献是弹性波的振动。由于声频波的波长远大于晶体的晶格常数,就把晶体近似视为连续介质,所以声频支的振动也近似地看作是连续的,具有频率从0到 的谱带。,由这样的假设导出的热容表达式为 :,,(1-13),根据式(1-13)还可以得到如下的结论: (1)当温度较高时,即T»θD, ≈3R这就是杜隆—珀替定律。(2)当温度很低时,即T«θD,则经计算:,式中: 为德拜特征温度; 为德拜比热函数;。,,,,,,(1-14),2019/9/6,16,德拜理论在低温下不能完全符合事实,由于晶体毕竟不是一个连续体。,这表明当 趋于0 时, 与 成比例地趋于零,它和实验结果十分符合,温度越低,近似越好。,,,,,2019/9/6,17,三.影响材料热容的因素,(1)对于固体材料,热容与材料的组织结构关系不大,见P141图 8-3,(2)相变时,由于热量的不连续变化,热容出现突变。,(3)在室温以上不发生相变的温度范围,合金的热容与温度间呈线性关系,一旦发生相变,热容偏离直线规律,向下拐折。,2019/9/6,18,1.2热容的测量、热分析法的应用,一.热容的测量,热容(或比热容)的测量方法通常采用混合法和电热法.,1.混合法测量固体材料的比热容.,混合法测量固体材料的比热容是在加热器和量热器中进行.量热器如图1-2(P143图8-5)所示,,图1-2量热器示意图,C为量热器筒(铜制),T为曲管温度计,P为搅拌器,J为套筒,G为保温用玻璃棉.,2019/9/6,19,将精确称重的待测试样由细线吊挂在加热器中加热.加热后将待测试样迅速投入量热器中进行测量.,混合法测量固体材料的比热容原理:温度不同的物体混合之后,热量将由高温物体传给低温物体.如果在混合过程中和外界没有热交换,最后达到均匀稳定的平衡温度,在此过程中,高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量,称为热平衡原理.,,2019/9/6,20,试样质量m、温度T2 量热器热容q、 水的质量m0、比热容c0 、测量前水温T1 、 混合温度T3,,(1-15),测量时将试样投入量热器的水中,忽略量热器与外界的热交换,按照热平衡原理,2019/9/6,21,2.电热法测固体的比热容,电热法测量固体材料的比热容是在两圆柱形待测物的中间夹上加热器之后,置于量热器中,如图1-3(P144图8-6)所示,,图1-3 用电热法测定热容的装置示意图,,2019/9/6,22,(1-18),变换式(1-18)可得 :,,(1-19),待测物的周围注入蒸馏水,插入温度计并联结电路。 电流强度 I 电压V 在 秒间加热器放出热量J 这些热量传给量热器及其中各物体,使其温度从T1升到T2,假定量热器与外界无热交换得,,被测物质量m、比热容c 水的质量m0、比热容c0 量热器的质量m1、比热容c1 加热器热容q1 温度计插入水中部分的热容q2,2019/9/6,23,二 热分析方法的应用,1.热分析方法,材料组织结构变化,(1)差热分析(differential thermal analysis,简称DTA )测量试样与参比物之间温差(∆T)随温度(T)或时间(t)的变化关系.,,热量 质量 体积,,产生变化,,热分析方法有差热分析及差动分析、热重分析、热膨胀分析等。,2019/9/6,24,二 热分析方法的应用,1.热分析方法,(2)差示扫描量热法(differential scanning calarmeutry,简称DSC)在试样和标样的温度差保持为零时,所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术.,(3)热重法(themogrivimetry,简称TG)在程序控制温度下测量材料的质量与温度关系的一种分析技术。,2019/9/6,25,2.热分析的应用,应用1:淬火钢在回火过程各阶段组织转变的热效应不同,可通过对其比热容的测定,研究各转变阶段的情况.图1-4(P145图8-7)是用撤克司法测定含w(C)=0.74%钢回火时比热容曲线。,2019/9/6,26,2.热分析的应用,图1-4 w(C)=0.74%的碳钢淬火后加热时的比热容曲线 1.淬火态样品 2. 250℃回火2h的样品,2019/9/6,27,曲线1:无组织转变,比热容呈直线变化. 由于加热过程发生组织转变,在不同 温度区间产生3种不同热效应.,热效应Ⅰ:淬火马氏体转变为回火马氏体,热效应Ⅱ:残余奥氏体分解引起,热效应Ⅲ:碳化铁转变为渗碳体,2019/9/6,28,预先将试样在250℃回火2h,使残余奥氏体发生分解,再用上述方法测量比热容,则得图1-4所示的比热容曲线2.,曲线2: 热效应Ⅰ已完全消失,表明马氏体已转变为回火马氏体.,热效应Ⅱ显著减少,意味250℃回火已使部分残余奥氏体分解,尚未分解的继续分解。,与曲线1相同的热效应Ⅲ表明,250℃回火对碳化铁转变为渗碳体不产生影响。,2019/9/6,29,2.热分析的应用,应用2:研究有序-无序转变,当Cu-Zn合金成分接近CuZn时,形成具有体心立方点阵的固溶体,它在低温时为有序状态.,随温度升高便逐渐转变为无序。这样的转变为吸热过程,用比热容测量对CuZn合金的有序-无序转变进行研究,测得的比热容曲线见下图。,2019/9/6,30,2.热分析的应用,2019/9/6,31,若合金在加热过程中不发生相变,则比热容随温度变化应沿着AE呈直线增大. 由于CuZn合金在加热时产生了有序-无序转变,其真实热容是沿着AB曲线增大,随后再沿着BC下降到C点,温度再升高,CD曲线则沿着稍高于AE的平行线增大。 比热容沿着AB线上升的过程是有序减少和无序增大的共存状态,曲线上升得越剧烈,转变为无序状态的数量愈多。,
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