第一章 材料的热学性能
合集下载
南昌大学 材料性能学重点 第一章 材料热学性能
第一章材料热学性能内容概要：本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容，并简述其物理本质。
主要内容和学时安排如下：第一节材料的热容重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容；理解温度、相变等对热容的影响；了解热容的几种测量方法，对热分析法的原理和应用要重点理解。
第二节材料的热膨胀重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质；了解热膨胀的测量方法；理解热膨胀分析方法在材料中的应用。
第三节材料的热传导掌握热传导定律；热传导的物理本质；理解热传导的影响因素。
（共6个学时）第一节 材料的热容一、热容的定义：不同的物体升高相同的热量时其温度会不同，温度升高1K 所需要的能量定义为热容： ∆T ∆=Q C 定容热容：如果在加热过程中，体积不变，则所提供的热量全部用于粒子动能（温度）的增加，用Cv 表示 ()V V Q C ∆=∆T定压热容：如果在加热过程中保持压力不变，则物体的体积自由膨胀，这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度，一部分用于体系对外做功，用Cp 表示()()V V V Q U P V U C T ∆∆+∆∆===∆T ∆∆T ()()()()()P P P P P P Q U P V U V H C P T T T∆∆+∆∆∆∆===+=∆T ∆∆T ∆∆ T c m H =c 为0-TK 时平均比热容，即质量为1Kg 的物质在没有化学反应条件下，温度升高1K 时所需的热量，单位为J/（Kg.K ）定压热容>定容热容，一般实验测得的是恒压热容CpTQ m C P ∆∆=1 即在T T T -+∆温度范围内的平均热容： 当0T ∆→时，P C 即可认为是TK 时的热容dTdQ m C P 1= 摩尔恒压热容：1mol 物质在没有化学反应和相改变条件下，升高1K 所需的能量，用C pm 表示 摩尔恒容热容：KT V v C C m Vm Pm 2∂=- M C C P Pm =（M 为摩尔质量）二、热容理论实验发现：在不发生相变条件下，多数物质的热容Cv 在高温下，逐于一恒定值；低温区3V C T ∝；0T →时，0V C =。
材料的热学性能
辐射防热：利用材料表面的热辐射性能的特殊防热 方式，要求材料表面热发射率高，关键参数是材料 表面的热发射率。
吸收防热：利用材料本身的具有较大的比热容和导 热系数，以便将热量尽多地吸收或导出。关键性能 参数：材料的比热容和导热系数。
烧蚀防热：则要求协调各方面的性能参数， 如：要求高的热发射率，以便让头部表面散 失更多的热量；尽可能高的热容和尽可低的 导温系数，以便让头部吸收更多的热量而又 不至于升温过快；尽可能小的导热系数，头 部表面的热量就难以传递到内壁；头部材料 与基体材料之间的热应力应尽可能小，要求 两者间的膨胀系数尽可能地匹配。
一维双原子晶格的热振动模型运动方程：
m1x2n1 Ke (x2n2 x2n 2x2n1)
m2x2n Ke (x2n1 x2n1 2x2n )
假设 m2 m1, 则该方程的解为：
x2n1 AeitL(2n1)a
x2n
热力学定律
1 热力学第一定律：
Q E A
微分形式为：
dQ dE dA
局限性：只能说明能 量转化的数量关系， 不能解决过程进行的 限度问题，以及过程 进行的方向问题。
2 热力学第二定律：
（1）可劳修斯说法：不可能把 热从低温物体传到高温物体而 不引起其它的变化。 （2）开尔文的说法：不可能从 单一热源取热使之完全变为有 用的功而不引起其它的变化。 （3）数学表达式
本章就介绍固体材料的热容理论、材料热性能的一般规 律、主要测试方法等及其在材料中的应用，这些内容加以探 讨，以便在选材、用材、探讨新材料和新工艺方面打下物理 理论基础。
第一节 热学性能的物理基础
热运动：物质中的分子和原子均处在不停的 无规则运动状态。
吸收防热：利用材料本身的具有较大的比热容和导 热系数，以便将热量尽多地吸收或导出。关键性能 参数：材料的比热容和导热系数。
烧蚀防热：则要求协调各方面的性能参数， 如：要求高的热发射率，以便让头部表面散 失更多的热量；尽可能高的热容和尽可低的 导温系数，以便让头部吸收更多的热量而又 不至于升温过快；尽可能小的导热系数，头 部表面的热量就难以传递到内壁；头部材料 与基体材料之间的热应力应尽可能小，要求 两者间的膨胀系数尽可能地匹配。
一维双原子晶格的热振动模型运动方程：
m1x2n1 Ke (x2n2 x2n 2x2n1)
m2x2n Ke (x2n1 x2n1 2x2n )
假设 m2 m1, 则该方程的解为：
x2n1 AeitL(2n1)a
x2n
热力学定律
1 热力学第一定律：
Q E A
微分形式为：
dQ dE dA
局限性：只能说明能 量转化的数量关系， 不能解决过程进行的 限度问题，以及过程 进行的方向问题。
2 热力学第二定律：
（1）可劳修斯说法：不可能把 热从低温物体传到高温物体而 不引起其它的变化。 （2）开尔文的说法：不可能从 单一热源取热使之完全变为有 用的功而不引起其它的变化。 （3）数学表达式
本章就介绍固体材料的热容理论、材料热性能的一般规 律、主要测试方法等及其在材料中的应用，这些内容加以探 讨，以便在选材、用材、探讨新材料和新工艺方面打下物理 理论基础。
第一节 热学性能的物理基础
热运动：物质中的分子和原子均处在不停的 无规则运动状态。
材料力学性能---热稳定性
Anhui University of Technology Materials Physics Properties
14
2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提 高抗热冲击损伤性能，措施有： 降低材料的强度σf，提高弹性模量E，使 材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性 应变能小； 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂 就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。
5
2. 热应力的计算 (1) 平面陶瓷薄板：
αl E σx =σz = ∆T 1− µ
在t = 0的瞬间， σ x=σz=σmax，如果正好 达到材料的极限抗拉强 度σf ，则前后两表面开 平面陶瓷薄板的热应力图 裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为： (2) 对于其他非平面薄板状材料：
∆Tmax
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
7
1. 第一热应力断裂抵抗因子R
σ f (1 − µ ) 由 ∆Tmax = 可知： Tmax值越大，说明材料能承 αl E 受的温度变化越大，即热稳定性越好。
3 2 rm
11
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
1.5 热稳定性
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬 时扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材 料的完全断裂。 考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即 材料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而 且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在 一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
14
2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提 高抗热冲击损伤性能，措施有： 降低材料的强度σf，提高弹性模量E，使 材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性 应变能小； 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂 就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。
5
2. 热应力的计算 (1) 平面陶瓷薄板：
αl E σx =σz = ∆T 1− µ
在t = 0的瞬间， σ x=σz=σmax，如果正好 达到材料的极限抗拉强 度σf ，则前后两表面开 平面陶瓷薄板的热应力图 裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为： (2) 对于其他非平面薄板状材料：
∆Tmax
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
7
1. 第一热应力断裂抵抗因子R
σ f (1 − µ ) 由 ∆Tmax = 可知： Tmax值越大，说明材料能承 αl E 受的温度变化越大，即热稳定性越好。
3 2 rm
11
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
1.5 热稳定性
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬 时扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材 料的完全断裂。 考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即 材料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而 且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在 一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
1.4 热传导
3
不同材料的导热能力有很大的差异，与非金属相比，金 属为热的良导体，而气体为热的绝缘体。
通常将λ＜0.22 W· m-1· K-1的材料称为隔热材料。
不同材料常温下的热导率 (W· m-1· K-1)
金属
非金属
气体
傅立叶定律的适用条件为稳定传热过程，即物体内温度 分布不随时间而变化。
4
2. 热扩散率（导温系数） 在不稳定热传导过程中，材料内经历着热传导的同时还有 温度场随时间的变化。热扩散率正是把两者联系起来的物理量， 表征材料在温度变化时，材料内部温度趋于均匀的能力。
经 验 公 式
0 (1 bT )
24
某些无机材料的热导率
11
固体中辐射传热过程的定性解释：
热稳定状态
T1
T2
吸收 能量转移
辐射
对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大，如：单晶、 玻璃，在773---1273 K辐射传热已很明显；
对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小，大多数陶 瓷，一些耐火材料在1773 K高温下辐射才明显； 对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略。
17
固溶体MgO-NiO的热导率
3. 结构的影响 ☼ 结晶构造的影响。晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程 度愈大，格波受到的散射愈大。因此，声子平均自由程较小， 热导率较低。 例如：镁铝尖晶石的热导率比 A12O3 和 MgO 的热导率都 低。莫来石的结构更复杂，所以热导率比尖晶石还低得多。 ☼ 各向异性晶体的热导率。非等轴晶系晶体的热导率呈各向 异性。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为 温度升高，晶体的结构总是趋于更好的对称。 例如：石英、金红石、石墨等都是在膨胀系数低的方向 热导率最大。
不同材料的导热能力有很大的差异，与非金属相比，金 属为热的良导体，而气体为热的绝缘体。
通常将λ＜0.22 W· m-1· K-1的材料称为隔热材料。
不同材料常温下的热导率 (W· m-1· K-1)
金属
非金属
气体
傅立叶定律的适用条件为稳定传热过程，即物体内温度 分布不随时间而变化。
4
2. 热扩散率（导温系数） 在不稳定热传导过程中，材料内经历着热传导的同时还有 温度场随时间的变化。热扩散率正是把两者联系起来的物理量， 表征材料在温度变化时，材料内部温度趋于均匀的能力。
经 验 公 式
0 (1 bT )
24
某些无机材料的热导率
11
固体中辐射传热过程的定性解释：
热稳定状态
T1
T2
吸收 能量转移
辐射
对于辐射线是透明的介质，热阻小，lr较大，如：单晶、 玻璃，在773---1273 K辐射传热已很明显；
对于辐射线是不透明的介质，热阻大，lr很小，大多数陶 瓷，一些耐火材料在1773 K高温下辐射才明显； 对于完全不透明的介质，lr=0，辐射传热可以忽略。
17
固溶体MgO-NiO的热导率
3. 结构的影响 ☼ 结晶构造的影响。晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程 度愈大，格波受到的散射愈大。因此，声子平均自由程较小， 热导率较低。 例如：镁铝尖晶石的热导率比 A12O3 和 MgO 的热导率都 低。莫来石的结构更复杂，所以热导率比尖晶石还低得多。 ☼ 各向异性晶体的热导率。非等轴晶系晶体的热导率呈各向 异性。温度升高时，不同方向的热导率差异减小。这是因为 温度升高，晶体的结构总是趋于更好的对称。 例如：石英、金红石、石墨等都是在膨胀系数低的方向 热导率最大。
1. 材料物理性能
热容研究意义
• 热容（或热焓）的测量是研究材料相变过程
的重要手段。分析热容（或热焓）与温度的 关系，测量热和温度能够确定临界点，并建 立合金状态图，能够获得材料中相变过程的 规律。
相变
相结构：固态－液态－气态三种结构，也可称为三种 “相”。 “相”、“晶”、“元”的区别： 多元合金：指的是有多种元素。既可能是单相，也可
（1）克劳修斯：不可能把热从低温物体传到高温物体而不 引起其它的变化。
（2）开尔文：不可能从单一热源取热使之完全变为有用的
功而不引起它的变化。
（3）玻尔兹曼：自然界里的一切过程都是向着状态概率增
长的方向进行的。这是热力学第二定律的统计意义。
• 实际应用中，热力学第二定律常用熵（S）来表述。 • 熵（S）函数的物理意义：S是组成系统的大量微观粒 子无序度的量度，系统越无序、越混乱，S就越大。 • 热力学第二定律用熵（S）表述也就是熵增加原理：在 孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵不减小的方向 进行的，它是不可逆的。平衡态对应于熵最大的状态， 即熵增加原理。
G = H - TS H = U + PV
• 热力学第三定律——规定熵
• 普朗克（M.Planck,1858-1947,德）表述为：热力学第三
定律可表述为“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切
完美晶体的熵值等于零。”所谓“完美晶体”是指没有任
何缺陷的规则晶体。 • 热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系 统等温可逆过程的熵变化趋近于零。绝对零度不可达到这 个结论称做热力学第三定律。
第一章 材料的热学性能
航天飞机穿 过大气层返 回时，表面 最高温度超 过1500℃
热膨胀； 热传导； 热稳定性；
热膨胀； 热传导； 热稳定性；
无机材料-热学性能
0
0
若要A和B有非零解，其系数行列式必须等于 零，即 m1 2 2ke 2ke cosLa =0 2ke cosLa m2 2 2ke
其解如下：
ke
(
1 m1
1 m2
)
(1 m1
1 m2
)2
4sin 2 La
m1m2
ke
(
1 m1
1 m2
)
(1 m1
1 m2
)2
4sin 2 La
按热容定义：
由上式可知，热容是与温度T无关的常数 （constant），这就是杜隆一珀替定律。 对于双原子的固体化合物，1mol中的原子数为2N，故 摩尔热容为
对于三原子的固态化合物的摩尔热容 ：
其余依此类推。 杜隆—珀替定律在高温时与实验结果很吻合。 但在低温时，CV 的实验值并不是一个恒量， 下面将要作详细讨论。
吉布斯（Gibbs）函数G: G=F+PV
微分形式为： dG=-SdT+VdP-dA
3 化学势Ej
前面的讨论是在系统粒子数保持不变的前提 下，即认为系统的能量变化仅是由于系统吸 收热量或对外做功的结果，而对于组成系统 力学的粒子数有变化的情况下，热力学第一 定律的表达式则成为：
式中：
dE dQ dA EjdN j
四、晶态固体热容的量子理论（quantum theory）
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量
都是以 hv 为最小单位.
谐振子的振动能量可以表示为： Ei
n
1 2
hvi
简化为：
式中,
＝普朗克常数，
＝普朗克常数，
= 园频率。
根据麦克斯威—波尔兹曼分配定律可推导出， 在温度为T时，一个振子的平均能量为:
第1章 材料的热学性能4
（2）金属热导率的影响因素
热导与缺陷有关
3.无机非金属材料的热传导
（1）热传导的微观机制 （2）热导率的影响因素 （3）复相陶瓷的热导率
总
• • • •
结
热传导宏观规律 热传导微观机理 金属的热传导 无机非金属材料的热传导
§1.1 晶格热振动 §1.2 材料的热容 §1.3 材料的热膨胀 §1.4 材料的导热性 §1.5 热电性
概念2：κ—热导率或导 热系数(电导率σ )
：α—热扩散率或 导温系数
k：热导率或导热系数
概念4：R—热阻，Φ --热流 量（电阻 R
U ，电流量I） I
（3）导热的微观机制
2.金属的热传导
（1）热导率和电导率的关系
温度较低时，需考虑声子对热导的贡献
§1.6 材料的热稳定性
§1.6 材料的热稳定性
1.热稳定性的表征
2.热应力
3.抗热冲击断裂性能
总
结
•热稳定性定义 •热应力及产生原因 •抗热冲击参数
§1.1 晶格热振动 §1.2 材料的热容 §1.3 材料的热膨胀 §1.4 材料的导热性 §1.5 热电性
§1.6 材料的热稳定性
§1. 4 材料的导热性
◆宏观规律及其微观机制 ◆金属的热传导
◆无机非金属材料的热传导
1.宏观规律和微观机制
（1）傅里叶导热定律—宏观
概念1：q—热流密度：单位时间内通过单位 垂直截面的热量（电流密度J）
§1.6 材料的热稳定性
§1.5 热电性
1.热电效应
2.热电效应产生的微观机制
3.热电性的应用及热电材料
半导体制冷板原理图
半导体制冷板
半导体制冷箱
热电偶 半导体制冷板应用
第一章 材料的热学性能
1.2.2 晶态固体热容的量子理论回顾
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量 都是以 hv 为最小单位.
式中,
＝普朗克常数，
＝普朗克常数， = 园频率。
根据麦克斯威—波尔兹曼分配定律可推导出， 在温度为T时，一个振子的平均能量为:
将上式中多项式展开各取前几项，化简得：
在高温时，
所以
即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。 由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自 由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的 合成运动，则1mol固体的平均能量为：
1.1 概述
热学性能的主要应用：
（1）微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等 使用的材料要求的热膨胀系数低； （2）电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系； （3）热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数； （4）工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大 气层的隔热材料要求具有优良的隔热性能； （5）晶体管散热器等要求优良的导热性能„„
微分热分析：测定试样温度随时间的变化率。
1.2.6 热分析应用实例 1、建立合金的相图 2、热弹性马氏体相变 的研究 3、有序－无序转变的 研究 4、钢中临界点分析
本节重点掌握内容：
1、热容的德拜模型及其局限性 2、热容随温度的变化规律 3、热分析方法在相变、有序-无序转变的应用
1.3 材料的热膨胀
4、热分析测定法
热分析法分为普通热分析、示差热分析和微分热分析
普通热分析：利用加热或冷却过程中热效应所产生的 温度变化和时间关系的一种分析技术。
示差热分析：利用示差热电偶（由两对热电偶互相串 联、极性反接而成，取得热电偶两热端的温差电势） 测定待测试样和标准温差而得到的。（示差热分析仪 DTA和示差扫描量热计DSC）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
为后续材料专业检测标准学习打基础。
课程的任务是通过本课程的学习，使学生掌握材料热学、电学、磁学、 光学和弹性等性能的分析测试标准化方法与技术。学生通过本课程的
学习，可以在以后制定材料检测技术标准的学习和研究过程中应用所
学的知识分析问题、解决问题。
课程介绍
成绩构成：平时成绩（30%）+期末考试（70%） 平时成绩：课堂出勤、课堂回答、课后作业、实践 环节等。 考核方式：考试
1 Q cp ( )p m T 1 Q cV ( )V m T
1.2 材料的热容
(4) 摩尔热容 质量为 1mol 的物质在没有相变和化学反应条件 下升高 1K 所需的热量。它与物质的本性有关，通常 用大写的英文字母Cm表示，单位为J/(mol.K)。
1 Q C p ,m ( )p M T 1 Q CV ,m ( )V M T
1.2 材料的热容
热容
是物体温度升高1K所需要增加的能量。
Q C ( )T （J/K） T
它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。是分 子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。不 同环境下，物体的热容不同。
1.2 材料的热容
（1）定容热容Cv
在加热过程中体积不变
H U pV
Q H U CV ( )V ( )V ( )V T T T
“光频支振动”。
原胞的质心保持不动，由此也可以定性的看出，光学 波代表原胞中两个原子的相对振动。如离子晶体中正 负离子间的相对振动。
1.1 概述
由于光频支是不同原子相对振动引起的， 所以一个分子中有n个不同原子，会有（n-1） 个不同频率的光频波。如果晶格有N个分子， 则有个N（n-1）光频波。
对于离子晶体，可利用红外吸收光谱，通 过共振吸收，了解离子间的结合情况。
1
材料导电性能的测量
2
综合
必做
2
振动样品磁强计（VSM）测 试及分析
4
综合
必做
3
BH测试仪及其PFM磁性测 量系统
2
综合
必做
4
材料弹性模量的测量
2
综合
必做
引言
材料科学与工程四要素
引言
引言 材料的物理性能有哪些？
电、介电、热、光、磁、弹性和内耗
本课程的学习就是以上述这些物理性能为主要内 容，研究其物理本质、测试方法以及测试标准。
课程介绍
推荐教材：
1、邱成军、王元化、王义杰等，《材料物理性能》，哈尔滨工业大学出 版社，2003。
主要参考书：
1、马小娥主编，《材料实验与测试技术》，中国电力出版社, 2008。 2、吴其胜主编，《材料物理性能》，华东理工大学出版社，2006。
课程介绍
1
2 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 材料的热学性能 材料的电学性能 材料的磁学性能 材料的光学性质 材料的弹性及内耗分析
例如：固体的比热、热膨胀、热传导等直接与晶格的振动有关。
1.1 概述
格波：晶格中的所有质点以相同频率振动而形成的波，或某 一个质点在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形 成的波。
格波的特点：
晶格中质点的振动；
相邻质点间存在固定的位相。
1.1 概述
根据振动频率的高低，分为声频支振动和光频支振 动（红外光区）。
rCV l 3 K 0V
r 为格律乃森常数，K0 为 0K 时的体积弹性模量。
格律乃森定律指出：体膨胀与定容热容成正比，它们有相似的 温度依赖关系。
2．膨胀系数与熔点的关系
格律乃森总结出金属膨胀系数与熔点的反比例关系：
TmV
VTm V0 V0
C
Tm 为熔点温度， VTm 为熔点温度固态金属的体积，
3
4 5 6
第六章
核物理检测方法及其应用
课程介绍
1 实践一 材料导电性能的测量 2 实践二 振动样品磁强计（VSM）测试及分析 3 实践三 BH测试仪及其PFM磁性测量系统 4 实践四 材料弹性模量的测量
课程介绍
教学内容 第一章 材料的热学性能 第二章 材料的电学性能 第三章 材料的磁学性能 第四章 材料的光学性质 第五章 材料的弹性及内耗分析 第六章 核物理检测方法及其应用 教学时数（22） 2 4 6 4 4 2
由于αl 值很小，可略
l2以上的高次项，则：
VT V0 (1 3l T )
1.3 材料的热膨胀
与上式比较，就有以下近似关系： V 3l
对于各向异性的晶体，各晶轴方向的线膨胀系数不同，
假如分别为αa、αb、αc，则
VT laT lbT lcT la0lb0lc0 (1 a T )(1 b T )(1 c T )
频率甚低的格波，质 点彼此之间的位相差 不大，则格波类似于 弹性体中的应变波， 称为“声频支振动”。
对于声学波，相邻原子都是沿着同一方向振动，当波 长很长时，声学波实际上代表原胞质心的振动。
1.1 概述
格波中频率甚高的振动 波，质点彼此之间的位 相差很大，邻近质点的 运动几乎相反时，频率
往往在红外光区，称为
同样忽略α二次方以上项：
VT V0 [1 (a b c )T ]
所以
V a b c
1.3 材料的热膨胀
一般膨胀系数的精确表达式：
l l l T
1.3.2 热膨胀的物理本质
V V V T
当物体温度升高时，晶体中原子的振动加剧， 相邻原子之间的平衡距离也随温度变化而变化，因 此温度升高而发生膨胀现象。
1.3 材料的热膨胀
1.3.1 热膨胀系数 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做 热膨胀。 l l T l0 式中， αl ＝线膨胀系数，即温度升高 1K 时，物体的 相对伸长。 物体在温度 T 时的长度lT为：
lT l0 l l0 (1 l T )
1.3 材料的热膨胀
课程介绍
序 号 实验项目 学 时 基本要求 掌握材料电阻测量的基本方 法与原理、熟悉检流计的使 用，计算分析出材料的电阻 了解振动样品磁强计（VSM ）的结构、工作原理及操作 过程，通过样品的测试分析 磁特性 熟悉设备的结构、工作原理 及操作过程，通过实际操作 演示，分析两台设备对磁性 能测试的区别与共同点 掌握测量材料弹性模量的方 法与原理，根据不同方法计 算并分析出材料的弹性模量 实验 性质 实验 类别
材料物理性能检测标准
中国计量学院 标准化学院 主讲：史耀君
课程体系
大学物理
标准化入门
标准化基础
材料科学基础
标准化原理
材料标准化 材料物理性能检测标准
课程介绍
《材料物理性能检测标准》是标准化工程专业材料标准化方向教学计 划中一门理论性和实践性很强的专业基础课。 该课程在学习《高等数学》、《大学物理》、《材料科学基础》等课 程的基础上，学习有关材料物理性能等分析测试的基本理论和技术，
测量方法： 光学式、电测式、机械式。
1.3.5 膨胀的测量
1.光学膨胀仪 （1）光杠杆膨胀仪 （2）光干涉法 2.电测式膨胀仪 （1）电感式膨胀仪 （2）电容式膨胀仪 3. 机械式膨胀仪 （1）千分表式膨胀仪 （2）杠杆式膨胀仪
1.3.6 膨胀分析的应用
主要用于相转变和结构转变的研究。 依据： 一级相变：有潜热、比热容无限大，体积有突变， 膨胀系数发生突变。 二级相变：无潜热，体积无突变，比热容和膨胀
3. 各向异性的影响
单晶体的线性膨胀系数是各向异性的，不同的晶向有不同 的线膨胀系数，因而单晶体的膨胀特性不能以单一的量值表征。
4. 铁磁性转变的影响
铁磁性金属和合金，比如铁、钴、镍及其某些磁性合金。
1.3.5 膨胀的测量
膨胀测量是材料热性能的一种物理方法。 核心： 设法将膨胀量放大，精确测量热膨量。
不对外做功，所供给的热量只用于物体内能增加。
1.2 材料的热容
(2)定压热容Cp
在加热过程中压强不变。
H U pV
Q U V Cp ( )p ( )p p T T T
所供给的热量除了用于物体内能增加外，还对外做功。
1.2 材料的热容
(3)比热容 质量为1Kg的物质在没有相变和化学反应条件下 升高 1K 所需的热量。它与物质的本性有关，通常用 小写的英文字母c表示，单位为J/(kg.K)。
1.2 材料的热容
由于定容热容CV反映系统内能的变化，由其可直 接计算系统的能量增量，其更有理论意义。 实际中测得的热容是定压热容Cp，通常简称热容。 计算 定压热容Cp 定容热容CV
在固体材料的研究中，通常使用摩尔热容表示热容。
1.2 材料的热容
根据热力学第二定律可以导出：
C Pm CVm
Vm
dV V VdT dV K VdP
VmT
2 V
K
摩尔体积，
体膨胀系数，
压缩系数。
1.2 材料的热容 对于固体材料CP，m与CV，m差异很小
1.2 材料的热容
热容是随温度而变化的，在不发生相变的条件下，多数物质 的摩尔热容测量表明，定容热容C和温度的关系与定压热容有相 似的规律。 (1) 在高温区 Cv的变化平缓 (2) 低温区 Cv ～ T3 (3) 温度接近0K时， Cv ～ T (4) 0K时， Cv ～ 0 热容来源： 受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功，此外还和 电子贡献有关，后者在温度极高（接近熔点）或极低（接近0K） 的范围内影响较大，在一般温度下则影响很小。
V0 为 0K 金属的体积，
C 为常数，约在0.06～0.076之间。
熔点较高的金属，具有较低的膨胀系数。
1.3.4 影响膨胀性能的因素
1. 相变的影响
一级相变：有潜热、比热容无限大，体积发生突变，膨胀