第四章 热学性能.ppt

弹性波（格波）：材料质点间有很强的相互作用力，一个质点的振动会影响邻近点的振动，使相邻质点间的振动存在一定的相位差，形成弹性波。 包括振动频率低的声频支和振动频率高的光频支。 19世纪，杜隆-珀替（Dulong-Petit）把气体分子的热容理论直接用于固体，假定晶体类似于金属气体，其点阵是孤立的。只考虑晶格振动对比热的贡献。 根据经典动力学理论，以点阵结点为中心振动的原子，一个自由度所具有的平均动能为1/2kT，平均势能也为1/2kT。原子振动有三个自由度，振动时所具有的总的平均能量为3kT。1mol晶体有N个原子，总能量： 爱因斯坦理论的不足之处及原因： 在低温区，理论值较实验值下降过快。 假设原子振动互不相关，振动频率相同。 实际晶体阵点相互关联，点阵波频率不同。 没有考虑低频振动对热容的贡献。 热分析法主要用于测定相变过程的热效应。 热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术，物理性质包括温度、热量、质量、尺寸、力学特性、声学特性、光学特性、电学特性及磁学特性等。 热分析方法主要有普通热分析法、差热分析法、差示扫描量热法、微分热分析法、热机械分析法等。 普通热分析法是连续测定试样在加热或冷却过程中温度和时间的关系曲线（热分析曲线）。确定金属及合金的结晶和熔化温度或温度区间。适用于研究热效应较大的物态转变。 利用示差膨胀曲线可以精确测定钢的临界点； 图4-60和4-64； 对实验条件的要求：1.钢的原始组织相同，退火；2.采用相同的加热及冷却速度；3.奥氏体化温度和保温时间保持一致；4.为防止试样氧化与脱碳，试验在真空或保护气氛中进行，或镀镍、镀铬处理。 获得膨胀曲线，确定临界点； 切线法：根据膨胀曲线上偏离正常热膨胀的开始点来确定；缺点是切离点不易取准。 极值法：根据膨胀曲线上的极值来确定；优点是极值温度容易判断，缺点是所测定的临界值与真实值有偏差。 温度超过700℃，曲线偏离直线急速升高；珠光体析出石墨，比体积增大。 温度升高至800℃，曲线缓慢向下变化；试样发生奥氏体转变，比体积减小，石墨继续析出。 继续加热，珠光体转变成奥氏体，比体积减小；形成的奥氏体受热膨胀。曲线出现最低点，然后直线上升。 含Ni、Co、Mo的马氏体时效钢不同加热速度下的膨胀曲线和与其对应的膨胀速度曲线； 加热速度比较小时，奥氏体转变开始温度前有组织转变，分为两个阶段；第一阶段同时析出体心立方的贫镍相和面心立方的富镍相，第二阶段为铁素体到奥氏体的转变。 高速加热，马氏体直接逆变为奥氏体，通过切变方式进行。 图4-79 淬火碳钢回火膨胀曲线 1-320℃回火冷却 2-退火后冷却 回火过程中马氏体和残余奥氏体分解伴随体积效应； 80～160℃，马氏体析出碳化物； （五）研究淬火钢的回火 230～280℃，残余奥氏体转变为回火马氏体，体积膨胀，后期与三阶段重叠； 260～360℃，马氏体分解为铁素体和渗碳体的混合物；ε碳化物转变为Fe3C，体积收缩。 图4-80 热循环对铁基合金Ni20Co9的稳定化作用 热循环，尤其是相变范围内的热循环，在材料内部产生缺陷和内应力； 随着热循环次数增加，相变引起的膨胀幅度有规律减小，最终完全消失； 材料内部未松弛应力的作用使马氏体和奥氏体趋于亚稳定状态； 19次循环，加热温度大于750℃，稳定的马氏体发生奥氏体化转变。 （六）研究热循环对材料的影响 图4-81 可伐合金的膨胀曲线 电真空工业中，可伐合金（Kovar）Ni29Co18的马氏体相变影响与玻璃封接； （七）可伐合金的马氏体相变 EF为铁素体和残余奥氏体两相的热膨胀；F点铁素体转变为奥氏体，B点转变结束； 冷却曲线，AC为顺磁性奥氏体收缩，C点为铁磁性转变点，CD为铁磁相奥氏体收缩，D点转变为铁素体，体积膨胀。 图4-82 球墨铸铁、灰铸铁和碳钢凝固线收缩示意图 铸件在铸型中凝固与冷却期间发生尺寸变化，一般为线收缩； （八）球墨铸铁的石墨化 碳钢凝固到一定阶段开始发生线收缩，微小的共析膨胀； 铸铁先有线膨胀过程，共晶过程有石墨析出，析出1%体积的石墨，比体积增大2%； 球墨铸铁收缩前的膨胀比灰铸铁大得多，析出大量球状石墨，铸件具有粥状凝固特性。 不同温度的物体或区域，相互靠近或接触时，以传热的形式交换能量； 热传导：因材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移。 第三节 热传导 一、材料的导热性及热导率 （一）热导率、热扩散率和热阻 两端温度为T1、T2均匀金属棒，各点温度不随时间变化，单位时间内通过单位截面上的热流密度正比于温度梯度： 比例系数λ称为热导率，单位为W*m-1K-1或W*cm-1K-1，简化的傅里叶导热定律。λ反映了物质的导热能力。 热扩散率： 热扩散率的引入是不稳定热传导过程的需要，表示温度变化的速率；