第10次课教案-材料的热膨胀PPT格式课件下载.ppt
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对于物体是立方体对于物体是立方体由于由于l值很小,可略去值很小,可略去以上的高次项以上的高次项则:
则:
与前式比较,就有以下近似关系:
对于各向异性的晶体,假设各晶轴方向的线膨胀系数为:
a,b,c则:
略去略去二次方以上的项,得:
二次方以上的项,得:
所以:
某些无机材料热膨胀系数与温度的关系某些无机材料热膨胀系数与温度的关系2、一般材料的膨胀系数、一般材料的膨胀系数一般固体膨胀系数在一般固体膨胀系数在10-210-5(1/K)数量级,各种数量级,各种金属及合金膨胀系数在金属及合金膨胀系数在10-510-6(1/K)数量级。
在仪器、数量级。
在仪器、仪表及电真空技术中,要求应用具有特殊膨胀系数的仪表及电真空技术中,要求应用具有特殊膨胀系数的合金,这些合金统称为膨胀合金。
膨胀合金是精密合合金,这些合金统称为膨胀合金。
膨胀合金是精密合金中的一大类,这类合金按膨胀系数大小可分为金中的一大类,这类合金按膨胀系数大小可分为3种:
种:
(1)低膨胀合金(或称因瓦合金):
其)低膨胀合金(或称因瓦合金):
其l(20-100)1.810-6/K,如含,如含Ni36%的铁的铁-镍合金,镍合金,主要用于制造主要用于制造精密仪器仪表中随温度变化尺寸近似恒定的元件,如精密仪器仪表中随温度变化尺寸近似恒定的元件,如精密天平的臂、标准钟摆杆、摆轮、长度标尺、大地精密天平的臂、标准钟摆杆、摆轮、长度标尺、大地测量基准尺、谐振腔、微波通信的波导管、标准频率测量基准尺、谐振腔、微波通信的波导管、标准频率发生器等,还用作热双金属的被动层。
发生器等,还用作热双金属的被动层。
合金合金/(106-1)TC或或TN/备注备注Fe-36Ni1.8232因瓦合金因瓦合金Fe-32Ni-4Co1.0230超因瓦合金超因瓦合金Fe-52Co-11Cr1.0117不锈因瓦合金不锈因瓦合金Fe-36Ni-0.2Se1.5-易切削低膨胀合金易切削低膨胀合金Fe-33Ni-7.5Co2.0-高温低膨胀合金高温低膨胀合金(20300)Fe-25Pt-3080铁铁-铂合金铂合金Fe-35Pd0.0340铁铁-钯合金钯合金Fe-(2832)Ni-(5.510)Pd0.5300铁铁-镍镍-钯合金钯合金(20200)Pd-35.5Mn1.5-锰锰-钯合金钯合金Fe-94Cr-0.5Mn约约0.0约约50(TN)无磁因瓦合金无磁因瓦合金一些低膨胀系数的合金一些低膨胀系数的合金
(2)定膨胀合金(或称可伐合金):
其)定膨胀合金(或称可伐合金):
其l(20-400)=(411)10-6/K,这类合金的膨胀系数,这类合金的膨胀系数在某一温度范围内接近某一需要值。
在某一温度范围内接近某一需要值。
这种合金这种合金的膨胀系数与玻璃、陶瓷和云母等接近,可与的膨胀系数与玻璃、陶瓷和云母等接近,可与之匹配封接,所以又称为封接合金,被广泛地之匹配封接,所以又称为封接合金,被广泛地应用于电子管、晶体管、集成电路等电真空器应用于电子管、晶体管、集成电路等电真空器件中作封接、引线和结构材料。
件中作封接、引线和结构材料。
软玻璃的软化点为软玻璃的软化点为450,(20450)=(911)10-6/K;
硬玻璃的软化点为硬玻璃的软化点为550,(20550)=510-6/K;
含;
含95%(质质量分数量分数)Al2O3的陶瓷的陶瓷(20800)=710-6/K,电真空器件通过,电真空器件通过钎焊使合金与陶瓷封接在一起。
钎焊使合金与陶瓷封接在一起。
定膨胀合金性能要求:
膨胀系数与被封接材料匹配,定膨胀合金性能要求:
膨胀系数与被封接材料匹配,塑性好,易加工,在工作的温度范围内不发生相变,有良塑性好,易加工,在工作的温度范围内不发生相变,有良好的导电、导热性,及较高的力学性能和加工性。
用于封好的导电、导热性,及较高的力学性能和加工性。
用于封接的定膨胀合金有接的定膨胀合金有Fe-Ni、Fe-Ni-Co、Fe-Ni-Cr、Ni-Co系,系,还有无氧铜、钨、钼及其合金、复合材料等。
还有无氧铜、钨、钼及其合金、复合材料等。
(3)高膨胀合金:
其)高膨胀合金:
其l(20-400)1210-6/K,如,如Mn75Ni15Cu20的的l(20-200)高达高达232810-6/K。
主主要用作要用作热双金属的主动层热双金属的主动层和和控温敏感元件控温敏感元件。
热双。
热双金属金属(片片)是由两层或两层以上具有不同热膨胀系是由两层或两层以上具有不同热膨胀系数的金属材料沿层间接触面牢固地结合在一起的数的金属材料沿层间接触面牢固地结合在一起的片状复合材料。
具有高膨胀系数的合金作主动层,片状复合材料。
具有高膨胀系数的合金作主动层,具有低膨胀系数的合金作被动层。
具有低膨胀系数的合金作被动层。
右图是热双金属片随温度变化的示意图。
在室温时的状态,是平直的图在室温时的状态,是平直的图aa;
加热时加热时,它,它将变成图将变成图bb的形状,具有高膨胀系数的主动层,的形状,具有高膨胀系数的主动层,受热时伸长较大,而具有低膨胀系数的被动受热时伸长较大,而具有低膨胀系数的被动层伸长较小,由于两层是牢固地结合在一起,层伸长较小,由于两层是牢固地结合在一起,因此,加热时使热双金属片向被动层方向弯因此,加热时使热双金属片向被动层方向弯曲;
曲;
冷却时冷却时则相反,它将弯曲成图则相反,它将弯曲成图cc的形状。
的形状。
由于热双金属片在温度变化时发生弯曲,从由于热双金属片在温度变化时发生弯曲,从而产生一定的推力和位移,利用这一功能,而产生一定的推力和位移,利用这一功能,热双金属片可实现热热双金属片可实现热-机械能转换。
机械能转换。
热双金属片随温度变化示意图热双金属片随温度变化示意图热双金属片被广泛地用作温度测量及自动控制设备中的热敏元件、热双金属片被广泛地用作温度测量及自动控制设备中的热敏元件、传感器元件,实现温度指示,温度控制,程序控制和温度补偿等功能。
传感器元件,实现温度指示,温度控制,程序控制和温度补偿等功能。
主动层主动层被动层被动层主动层材料应选用具有大膨胀系数的高膨胀合金。
在被动主动层材料应选用具有大膨胀系数的高膨胀合金。
在被动层材料确定的情况下,主动层材料的膨胀系数越高,热双金属层材料确定的情况下,主动层材料的膨胀系数越高,热双金属片的热敏感性越好。
另外,要求两层合金都应具有较高的熔点片的热敏感性越好。
另外,要求两层合金都应具有较高的熔点和良好的焊接性,具有相近的弹性模量和良好的焊接性,具有相近的弹性模量E且值很高。
同时,要且值很高。
同时,要保证在较宽的温度范围内不发生可逆相变,否则由于相变的体保证在较宽的温度范围内不发生可逆相变,否则由于相变的体积效应引起的膨胀系数的变化,导致热双金属片弯曲功能下降。
积效应引起的膨胀系数的变化,导致热双金属片弯曲功能下降。
被动层材料具有较小的热膨胀系数。
一般选用一般选用Ni36、Ni42、Ni50合金作为热双金属片的被动层合金作为热双金属片的被动层材料,这材料,这3种材料的最高使用温度范围分别为:
种材料的最高使用温度范围分别为:
180200,340370,450480。
热双金属片的热灵敏度、电阻率、弹性模量和线性温度的热双金属片的热灵敏度、电阻率、弹性模量和线性温度的范围是其性能要求的基本要素。
范围是其性能要求的基本要素。
热双金属片热双金属片热灵敏度热灵敏度表示热双金属片由于温度变化表示热双金属片由于温度变化而发生弯曲的程度,由热双金属片组合层的线膨胀系数而发生弯曲的程度,由热双金属片组合层的线膨胀系数的差值所决定。
当热双金属片的厚度一定时,组合层线的差值所决定。
当热双金属片的厚度一定时,组合层线膨胀系数的差值越大,热灵敏度越高,当两层厚度比为膨胀系数的差值越大,热灵敏度越高,当两层厚度比为1:
1时,可获得最大的热灵敏度。
时,可获得最大的热灵敏度。
电阻率电阻率表示热双金属片抵抗电流通过时的特性参数,表示热双金属片抵抗电流通过时的特性参数,按电阻率大小,热双金属片分为高、中、低电阻率类型。
按电阻率大小,热双金属片分为高、中、低电阻率类型。
弹性模量弹性模量是计算热双金属元件的推力、力矩、内应力的是计算热双金属元件的推力、力矩、内应力的必要参数。
必要参数。
线性温度范围线性温度范围是热双金属片弯曲位移量与温是热双金属片弯曲位移量与温度成线性关系的温度范围。
在此温度范围内,热双金属度成线性关系的温度范围。
在此温度范围内,热双金属片具有最大的热敏感性。
这个温度范围的大小主要取决片具有最大的热敏感性。
这个温度范围的大小主要取决于组成热双金属片的金属材料的膨胀特性和居里温度于组成热双金属片的金属材料的膨胀特性和居里温度Tc。
二、热膨胀的物理本质二、热膨胀的物理本质固体材料热膨胀的本质,在于晶格点阵实固体材料热膨胀的本质,在于晶格点阵实际上在作非简谐振动,晶格点阵间的平均距离际上在作非简谐振动,晶格点阵间的平均距离随温度的升高而增大,晶格振动中相邻质点间随温度的升高而增大,晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的,点阵能曲线也是的作用力实际上是非线性的,点阵能曲线也是非对称的。
非对称的。
1、弗兰克尔双原子模型、弗兰克尔双原子模型由此,两原子间作用力为由此,两原子间作用力为可得到:
可得到:
2、热膨胀的定性说明、热膨胀的定性说明-位能谷模型位能谷模型热膨胀的原因可按原子间相互作用能的非热膨胀的原因可按原子间相互作用能的非线性进行说明。
线性进行说明。
3、热膨胀的定量说明、热膨胀的定量说明-原子偏离平衡位置的位移的计算原子偏离平衡位置的位移的计算
(1)简单计算方法)简单计算方法原子间相互作用力为原子间相互作用力为原子间相互作用力的平均值为原子间相互作用力的平均值为若忽略外力的作用,则合内力为若忽略外力的作用,则合内力为0,即,即于是原子的平均位移为于是原子的平均位移为因为原子动能为因为原子动能为kT/2,而谐振子的位能为,而谐振子的位能为,所以所以
(2)统计计算方法)统计计算方法根据玻尔兹曼统计,平均位移根据玻尔兹曼统计,平均位移为为将将代入上式,得代入上式,得展开展开代入上式,其分子可代入上式,其分子可写成写成其分母可写成其分母可写成整理后可得整理后可得热膨胀系数:
热膨胀系数:
因为因为又因为又因为所以所以三、热膨胀系数与其他性能的关系三、热膨胀系数与其他性能的关系1、膨胀系数与热容的关系、膨胀系数与热容的关系格律乃森格律乃森(Gruneisen)根据晶格热振动理根据晶格热振动理论导出了热膨胀系数与热容的关系为:
论导出了热膨胀系数与热容的关系为:
格律乃森定律指出:
体膨胀与定容热容成正格律乃森定律指出:
体
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- 10 教案 材料 热膨胀