材料物理性能-辽宁科技大学金材10-1

热容

一. 热容的基本概念

1.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。CT??Q??????T?T

2.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). 3.1mol材料的热容则称为“摩尔热容”，单位为J／(mol·K)。

4.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：

C均?Q1

T2?T1m5.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；

??Q?1??H?1CP????????T?Pm??T?Pm

6.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。CV??Q?1??E?1???????Tm?T??V??Vm

?CV7.比较比定压热容和比定容热容的大小？CP

8.对于固体材料的热容，两个经验定律：

①元素的热容定律——杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容等于25J／(K·mol)

②化合物热容定律——柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和

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??

E?3NAkT?3RTCV,m?3R?25J/?K?mol?

10.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． 二、固体热容的量子理论

11.爱因斯坦模型：在同一温度下，物质中不同质点的热振动频率不尽相同和同一质点其振动所具有的能量也时大时小，并不一致，而且振动能量是量子化的。晶体中每一个原子都是一个独立的振子，原子之间彼此无关，原子都以相同的频率振动。 结论：

?ET???ECV,m?3ReT?3R?25J/(K?mol)

出的按T变化的规律3T???ECV,m依指数规律随温度而变化，而不是从实验中得

（?E为爱因斯坦特征温度；???fE?E?为爱因斯坦比热函数?T? ）

12.德拜模型：在同一温度下，物质中不同质点的热振动频率不尽相同和同一质点其振动所具有的能量也时大时小，并不一致，而且振动能量是量子化的。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 Vmax的谱带。

结论：

(1)当温度较高时，即T?θD， Cv,m≈3R这就是杜隆—珀替定律。 (2)当温度很低时，即T?θD，T趋于0K时，CV,m与T3成比例地趋于零，和实验

结果相符，温度越低，近似越好。

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。

四．热容的测量：

13.热容(或比热容)的测量方法通常采用混合法和电热法．

14.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． 五．热分析方法的应用：

15.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。

⑴差热分析：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． ⑵差示扫描量热法：（差动分析）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．

⑶热重分析：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。 16. 热分析方法的应用：

淬火钢在回火过程各阶段组织转变。

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，即残余 奥氏体转变为回火马氏体并析出碳化铁； 热效应Ⅲ:碳化铁转变为渗碳体及位错大 量减少。

第二章电阻分析

一、电阻与导电的基本概念

1.材料的导电性与材料的结构、组织、成分等因素有关；研究材料的导电性，可以通过电阻分析研究材料的相变及组织转变等．

2.不同材料的导电能力相差很大，是由它们的结构与导电本质所决定的。 二.金属导电机理

3.对材料导电性物理本质的认识是从金属开始的，先后提出了经典自由电子导电理论、量子自由电子理论和能带理论． 4.经典电子理论：

⑴在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样．自由电子之间及它们与正离子的相互作用类似于机械碰撞． ⑵导电原因：对金属施加外电场，自由电子沿电场方向作加速运动，形成了电流． ⑶产生电阻原因：自由电子定向运动时，不断与正离子发生碰撞，使电子受阻．

5.量子自由电子理论：

⑴（与经典电子理论相同之处：）金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动．（比经典电子理论先进之处：）金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。

⑵泡利不相容原理:每一个能态只能存在沿正反方向运动的一对电子，自由电子从低能态一直排到高能态，

⑶导电原因：有外加电场时，外电场使向着其正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高，由于能量的变化，使部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电．

⑷产生超导现象的原因：量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0K时，电磁波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象． ⑸产生电阻原因：电磁波在传播过程中，由于金属内部存在着缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，然后相互干涉而形成电阻． ⑹电导率：??nefe2m2称为有效自由电子数 t nef:单位体积内参与导电的电子数，

量子自由电子理论先进性：较好地解释了金属导电的本质。缺陷：它假定金属中

的离子所产生的势场是均匀的，与实际情况有差异． 6.能带理论:

由于晶体中电子能级间的间隙很小，所以能级的分布可以看成是准连续的，称为能带．

与自由电子理论相同之处：该理论也认为金属中的价电子是公有化和能量是量子化的。

比自由电子理论先进之处：该理论认为金属中由离子造成的势场不是均匀的，而是呈周期变化的．

能隙对应的能带称为禁带。

将电子可以具有的能级所组成的能带称为允带。 空能级是指允带中未被填满电子的能级.

具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场的作用下参与导电，这样的允带称为导带．

如果允带内的能级未被填满,允带之间没有禁带或允带相互重叠，有这种能带结构的材料是导体．

一个允带所有的能级都被电子填满，这种能带称为满带．

若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，有这种能带结构的材料是绝缘体． 半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄．

7.能带理论能解释金属的导电性及绝缘体、半导体的导电性。 如果允带内的能级未被填满；允带之间没有禁带，或允带相互重叠，有这种能带结构的材料是导体；若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，有这种能带结构的材料是绝缘体；半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄。

三、超导电性

7.在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性．

⑴材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度，并以Tc表示。 ⑵超导体的两个基本特性：完全导电性; 完全抗磁性

①完全导电性: 例如：在室温下把超导体做成圆环放在磁场中，并↓T使其转入超导态。这时把原来的外磁场突然去掉，则通过磁感应作用，沿着圆环将产生感生电流。由于圆环的电阻为零，感生电流将永不衰竭，称为永久电流。

②完全抗磁性: 完全抗磁性通常称为迈斯纳效应。例如：当用超导体制成球体并处在常导态时，磁通通过球体，当它处于超导态时，进入球体内部的磁通将被排出球外，使内部磁场为零， ⑶超导体的3个重要指标:

①临界转变温度TC: 超导体T＜ Tc时，出现完全导电和迈斯纳效应．超导材料的Tc越高越好，越有利于应用．

②临界磁场HC: 能破坏超导态的最小磁场． ③临界电流密度Jc

四.影响金属材料导电性的因素

⑴温度的影响: 金属电阻率随温度↑而↑。 ⑵冷塑性变形和应力的影响

①冷塑性变形使金属的电阻率↑

②拉应力使金属电阻率↑；压应力使金属电阻率↓。 ⑶合金化对导电性的影响

①一般情况下，形成固溶体时合金的电导率↓。

②金属化合物的导电能力较差，比各组元的导电能力要小得多。 ③多相合金的电阻率为各相电阻率的加权平均值。 五．导电性的测量及应用 8.电阻测量方法：

⑴双电桥法： 适合测量小电阻．

⑵电位差计法：测量小电阻有很高的精度

⑶安培—伏特计法：这种测量方法所用毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小．

⑷直流四端电极法：对于具有中、高电导率的材料，通常采用此方法。

9.电阻分析的应用：由于电阻率ρ是材料组织敏感参量，因此常用测量电阻率的变化来研究金属与合金的组织结构变化。 ⑴测量固溶体的溶解度曲线:

固溶体的电阻率随溶质原子的↑而↑

形成两相混合物时的电阻约是两相电阻率的加权平均值．

先制成一组不同成分的试样，在 t1 温度加热保温，使组织成分均匀，再淬火，以保留其在 t1 温度时的组织。然后分别测定每个试样的R，算出电阻率，作出在 下加热淬火的 ρ—w 曲线再分别-------

⑵测定形状记忆合金中的相变温度

开始转变温度 终了转变温度

马氏体→母相 AfAS母相→马氏体 MfMS

⑶研究Al-Cu合金的时效

第三章 热电性分析

1.金属的热电现象可概括为3个基本热电效应。 ⑴帕尔帖效应

①在某T下，金属A和B接触时，若A的电子能量高，则电子要从A流向B，于是在A与B间产生静电势VAB，称为接触电势.

②在某T下，金属A和B接触时，若A的电子能量高，由于接触电势的存在，沿AB方向通电流，接触点处吸收热量；从反方向通电流，接触点处放出热量，这种现象称为帕耳帖效应。 ⑵汤姆逊效应

当一根金属导线两端温度不同时，若通电流，在导线中除产生焦尔热外，还要产生额外的吸放热现象．这种热电现象称为汤姆逊效应．

⑶赛贝克效应

两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接点处T不同，则回路中将产生电流，这种现象称赛贝克效应 相应的电动势称为热电势。我们规定热电势方向为:在热

端，若电流由A流向B，则B为正A为负，即在热端电流由负流向正。 2.影响热电势的因素 ⑴金属本性的影响 ⑵温度的影响 ⑶合金化的影响

①形成连续固溶体时，热电势与浓度关系呈悬链式变化

②当合金某一成分形成化合物时，热电势发生突变（↑或↓） ③多相合金的热电势处于组成相的热电势之间 ⑷含碳量对钢热电势的影响 钢中的含碳量越高热点势越负

3.热电势的测量：金属的热电势可采用示差测量法测量。 4.材料的热电势的应用：

⑴可利用作为测温用的热电偶，可用以进行材料科学研究。

⑵用热电势研究马氏体的回火转变：α-Fe中的C﹪越高电势越负。淬火态M中的C﹪最高热电势值最负．对淬火钢回火时，碳从固溶体中析出，使热电势上升．热电势可直接反映M中C﹪的变化。

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