1、2. 2. 热膨胀的物理本质热膨胀的物理本质1.1. 热膨胀系数热膨胀系数4. 4. 影响膨胀性能的因素（钢组织的膨胀特性）影响膨胀性能的因素（钢组织的膨胀特性）1.3 1.3 材料的热膨胀材料的热膨胀3. 3. 热膨胀与其他物理量的关系热膨胀与其他物理量的关系5. 5. 膨胀的测量及膨胀分析的应用膨胀的测量及膨胀分析的应用r0rE(r) r0Ep+Ek=Cr0 xT1r r0T2X1.3 1.3 热膨胀的物理本质及其基本概念热膨胀的物理本质及其基本概念1.3.1 热膨胀的物理本质：热膨胀的物理本质：原子的非简谐振动非简谐振动1.3.2 膨胀性能的基本概念膨胀性能的基本概念 平均线膨胀系数平均
2、线膨胀系数: : 真线膨胀系数真线膨胀系数 膨胀曲线膨胀曲线: : l = f (T)几种典型材料的线膨胀系数几种典型材料的线膨胀系数(RT):石英玻璃石英玻璃: 0.510-6/K。铁铁:12 10-6/K高温纳灯所用的高温纳灯所用的封接导电材料封接导电材料:金属铌金属铌 T = 7.810-6/KAl2O3灯管灯管 T = 810-6/K。TldTdlTlTTlll11;11212lTT1T2l1l2lTT膨胀曲线膨胀曲线1.3.3 1.3.3 膨胀系数与其它物理性能的关系膨胀系数与其它物理性能的关系1. 1. 与热容的关系：与热容的关系：格律乃森格律乃森(Gruneisen)由晶格热振动
3、理论由晶格热振动理论: V = rCV/(EVV); 立方晶系立方晶系: l = rCV/(3EVV) r为格律乃森常数为格律乃森常数(r约在约在 1.5 2.5间间); EV 是体弹是体弹模量。模量。线膨胀系数与热容随温度线膨胀系数与热容随温度T的变化关系定性一致。的变化关系定性一致。因温度升高，热振动加剧，升高单位温度的能因温度升高，热振动加剧，升高单位温度的能量也增高。量也增高。CpT/TMAl00.20.40.6T/K0400800AlT/-2000200Fe-36%NiI Invar 36: Chemical Compositions C Mn S P Si Cr Ni Fe 0.1
4、0 0.50 0.004 0.006 0.35 0.25 36.0 Balance Invar 36 is a Nickel-Iron, low expansion alloy containing 36% Nickel, belongs to one of the controlled expansion alloys with the lowest thermal expansion coefficient of any of the iron-nickel alloys. It is widely used in the electronics industry such as radi
5、os, thermostats (自动调温器自动调温器), glass-to-metal seals and structural components in laser systems. Kovar: Chemical Compositions:CNiFeSiMnSCo0.0229.0Balance0.200.300.02518.0Kovar alloy is a vacuum melted, iron-nickel-cobalt alloy that is widely used in the electronics industry. In the semiconductor indus
6、try it is used in hermetically sealed packages for both integrated and discrete circuit devices. It also belongs to a kind of low expansion glass sealing alloy suitable for sealing to hard glasses.(F) Principle of the Invar effect发现发现年代年代 名称名称成分成分晶系晶系 磁性磁性 /（1/） at RTTc或或TN/1897Fe-Ni因瓦因瓦65Fe-35Ni立方立
7、方铁磁铁磁1.210-62321931超因瓦超因瓦32Ni-6Fe-4Co立方立方铁磁铁磁0.02301934不锈因瓦不锈因瓦37Fe-52Co-11Cr立方立方铁磁铁磁0.01271937Fe-Pt因瓦因瓦75Fe-25Pt立方立方铁磁铁磁-30 10-6801962Fe-Pd因瓦因瓦67Fe-31Pd立方立方铁磁铁磁0.03401972Cr 基因瓦基因瓦94Cr-5.5Fe-0.5Mn立方立方反铁磁反铁磁1 10-6451974Y2Fe17因瓦因瓦10.5Y-89.5Fe六角六角铁磁铁磁_-291977非晶态非晶态Fe-B因瓦因瓦83Fe-17B非晶态非晶态铁磁铁磁(12)10-6320低
8、膨胀合金发展简况低膨胀合金发展简况封接合金发展历程发展历程 19世纪初，已开始用铂作为封接材料与软玻璃封接。1879年，爱迪生(T.Edison)发明的白炽灯泡, 早期的电子管和X射线管。 在 1896年法国吉尧姆 (Guillaume)制成因瓦合金(36Ni-Fe)以后,又派生出了代替铂的46Ni-Fe封接合金，这是最早的封接合金。 后来进一步改进这种合金,在表面覆一层薄铜,这种覆铜的42Ni-Fe丝(俗称杜美丝，Dumet Wire)用作非匹配软玻璃封接引出线。 随着电真空技术的发展，出现了熔点高、热稳定性好、热膨胀系数更低的硬玻璃。初期采用钼或钨与硬玻璃封接。20世纪30年代出现了与硬玻
9、璃封接的称为可伐Fe-Ni-Co合金;此外,还出现了与软玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。 第二次世界大战后，随着超高频、大功率电真空器件的发展，出现了与氧化铝、氧化铍等陶瓷封接的合金。对膨胀合金提出兼具高导热、高导电、无磁性等物理性能的要求。为此采用了复合膨胀合金、含难熔金属的封接合金 （如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等)。 金属与玻璃封接是靠金属表面所形成的一层致密的氧化膜与加热后的玻璃通过扩散熔融而完成结合的。金属与陶瓷不能直接熔融粘合，而是在陶瓷封接面金属化后用焊料来连接。在封接和使用的整个过程中，封接合金不应发生膨胀特性有明显变化的相变。格律乃
10、森还提出了固体热膨胀的极限方程格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程Tm V = (VTm-V0)/V0 = C ； 其中其中, VTm和和V0 分别为熔点和分别为熔点和0K时金属的体积。时金属的体积。 C为常数，多数立方和六方晶格金属取为常数，多数立方和六方晶格金属取0.06 0.076。即固态金属的体热膨胀极限方程：即固态金属的体热膨胀极限方程： (VTm-V0)/V0 = C 6% 6.7%。线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式：线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式： l Tm 0.0222. 2. 与熔点的经验公式：与熔点的经验公式：l = b/(V2/3MD2); 原子间结合力与原子间结合
11、力与D2成正比，结成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。石英玻璃的石英玻璃的值约值约0.510-6/K,而而F铁为铁为12 10-6/K.具有一定的周期性具有一定的周期性:IA族元素的族元素的值随值随Z增加而增大增加而增大,其余其余A族元素的族元素的值则值则随随Z增加而减小增加而减小.这与键有关这与键有关.碱金属碱金属值高值高,过渡族元素过渡族元素值低值低.与原子结合力有关与原子结合力有关.4. 4. 与原子序数的关系与原子序数的关系: :3. 3. 与德拜温度的关系：与德拜温度的关系：1.3.4 影响膨胀性能的因素影响膨胀性能的因素 (化学成分
12、、晶体结构、结合键、相变等）化学成分、晶体结构、结合键、相变等）1.1.相变的影响：相变的影响：一级相变的特征是：体积发生突变，伴有相变潜一级相变的特征是：体积发生突变，伴有相变潜热，膨胀系数在转变点无限大。如三态转变，热，膨胀系数在转变点无限大。如三态转变，同素异构转变等属于一级相变。同素异构转变等属于一级相变。二级相变无体积突变和相变潜热，但膨胀系数二级相变无体积突变和相变潜热，但膨胀系数和比热容有突变。和比热容有突变。图为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气图为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气气氛下以气氛下以5 /min测量。在测量。在960 （曲线峰值）（曲线峰值）和和1409
13、 出现晶体结构变化（出现晶体结构变化（bcc-fcc-bcc）。）。2 2. . 晶型转变晶型转变。室温下室温下ZrO2晶体是晶体是单斜晶型单斜晶型。温度高于。温度高于1000度时转为度时转为四方晶型四方晶型，体积收缩，体积收缩4%。严重影响应用。严重影响应用。加入加入MgO,CaO, Y2O3等稳定剂后，在高温与等稳定剂后，在高温与ZrO2形成形成立方晶型立方晶型的固溶体。不到的固溶体。不到2000度不发生晶型转变。度不发生晶型转变。T/纯纯ZrO2完全稳完全稳定化定化ZrO2CaO8%ZrO21200400l/l(b). ZrO2的膨胀曲线的膨胀曲线 原子间结合力与原子间结合力与D2成正比
14、，结合力越大，成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。德拜温度越高，膨胀系数越小。 通常结构紧密的晶体膨胀系数较大，而通常结构紧密的晶体膨胀系数较大，而类似于无定型玻璃往往有较小的膨胀系数。类似于无定型玻璃往往有较小的膨胀系数。 多晶石英的多晶石英的值为值为12 10-6/K； 而无定型石英玻璃的而无定型石英玻璃的值只有值只有0.5 10-6/K。3. 3. 晶态转变晶态转变4. 4. 各向异性的影响各向异性的影响 石墨垂直于石墨垂直于c轴方向的轴方向的l=1.0 10-6/K； 而平行而平行c轴方向的轴方向的l=27 10-6/K。 常温下因热应力较大而强度不高；常温下因热应力较大而
15、强度不高； 高温时内应高温时内应 力消除，强度反而升高。力消除，强度反而升高。各向同性立方晶系：各向同性立方晶系：V 3l各向异性晶体：各向异性晶体：V = a + b + c六方晶体：六方晶体：V = / + 2 （见习题（见习题P52-6P52-6）5. 5. 有序有序- -无序转变无序转变: :如如Au-Cu有序合金加热到有序合金加热到300时有序开始破坏。达时有序开始破坏。达480时完全无时完全无序化。拐折点对应有序无序转变的上临界温度，常称有序序化。拐折点对应有序无序转变的上临界温度，常称有序-无序转无序转变温度。变温度。Cu-Zn合金成分接近合金成分接近CuZn时，形成具有体心立方
16、点阵的时，形成具有体心立方点阵的固溶体，低温时为有序状态，铜原子在每个单胞的结点上，锌原子固溶体，低温时为有序状态，铜原子在每个单胞的结点上，锌原子在中心。随在中心。随T升高逐渐转变为无序，吸收热量。属于二级相变。升高逐渐转变为无序，吸收热量。属于二级相变。l/lT/300500Au-50%CuCu-50%ZnFe-25%Al(a). 有序无序转变膨胀曲线有序无序转变膨胀曲线6. 6. 铁磁性转变：铁磁性转变：多数金属和合金的膨胀系数随温度的变化规律与热容一样按多数金属和合金的膨胀系数随温度的变化规律与热容一样按T3规律变化。铁磁金属和合金会出现反常膨胀。目前解释是规律变化。铁磁金属和合金会出
17、现反常膨胀。目前解释是磁致磁致伸缩伸缩抵消了合金的热膨胀。具有负反常膨胀特性合金可用于获抵消了合金的热膨胀。具有负反常膨胀特性合金可用于获得膨胀系数为零或负值的因瓦得膨胀系数为零或负值的因瓦(Invar)合金，或在一定温度范合金，或在一定温度范围内不变的可伐合金围内不变的可伐合金(Kovar alloy)。NiFeCo100060014001200T/K680520920钢组织的膨胀特性钢组织的膨胀特性 钢的膨胀特性取决于组成相的性质和数量。钢的膨胀特性取决于组成相的性质和数量。 钢组织中马氏体比容最大，奥氏体最小，铁钢组织中马氏体比容最大，奥氏体最小，铁素体和珠光体居中。而马氏体，珠光体和奥素体和珠光体居中。而马氏体，珠光体和奥氏体的比容都随含碳量的增加而增大。氏体的比容都随含碳量的增加而增大。 铁素体和渗碳体的比容有固定值。铁素体和渗碳体的比容有固定值。 钢的线膨胀系数则相反，奥氏体最大，铁素钢的线膨胀系数则相反，奥氏体最大，铁素体和珠光体次之，马氏体最小。体和珠光体次之，马氏体最小。
