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第1-4讲_膨胀

发布时间:2020-01-15 22:03    点击次数:53次   

  1. 何谓膨胀合金? 2. 膨胀合金的特点与机理是什么? 1.3 材料的热膨胀 概述 (意义:工程技术中的应用+科学研究中的重要方法) 一, 材料膨胀性能的工业应用: ? 膨胀合金包括低膨胀合金、定膨胀合金。 ? 低膨胀合金(因瓦型合金(Invar alloy))的特点是, 在温度变化时其长度变化很小,能保持尺寸的稳 定性,故可用来制造标准量尺、精密天平、标准 电容及标淮频率计的谐振腔等。 ? 定膨胀合金的特点是,在规定的温度范围内具有 一定的膨胀系数,主要用于和陶瓷、玻璃封接而 构成电真空器件的结构材料,如大功率管的阴极、 阳极引出线等。 软磁合金 永磁合金 弹性合金 膨胀合金 热双金属 电性合金 耐蚀合金 高温合金 难熔合金 钎焊合金 磁补偿合金: 具有改善磁性能受温度 而引起的变化,以保 证仪表的精确性。 主要成份:镍37~40%, 铬12~14%,铁余量。 可伐合金,中国牌号为4J29等牌号,本合金含镍 29%,钴18%的硬玻璃铁基封接合金。该合金在 20~450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数 和相应的硬玻璃能进行有效封接匹配,广泛用于 汽车灯及电线J系列膨胀合金。 (供线材与带材) 产品名称:杜美丝芯合金(膨胀合金) 规格型号:4J43 执行标准:YB/T5236-93 包装:纸箱 20kg/箱 用途:用于生产杜美丝、制作电子管、灯炮 及半导体器件与软玻璃匹配封接的引出线。 低膨胀合金的应用领域: ? 精密仪器仪表, 如:天文仪器构件、精密天平臂杆、 标准量具、标准钟摆轮、摆杆。 ? 低温容器, 如:液态天然气贮罐、液氢、液氧贮罐、 液态天然气输送管道。 ? 微波通讯, 如: 谐振腔、波导管、 标准频率发生器、 波长计。 ? 可变电容, 如:可变电容 叶片、支撑杆、 温度补偿线。 热双金属片是由热膨胀系数差别很大的两种合金 组成的,利用其在温度变化时弯曲的特点达到自 动控制的目的。 热双金属片 电阻系列热双金属(电阻三金属) 电阻系列热双金属(电阻三金属)是在热双金属高、低膨胀层之 间增加一层材料,以调节电阻率,起电流分流作用。 主要用于大额定电流及某些电器产品标准化、系列化、小型化情 况下的过载保护与控制。 品种与规格: 冷轧钢带 0.2~1.2×20~200 低膨胀合金发展简况 发现 年代 1897 1931 名称 Fe-Ni因瓦 超因瓦 成分 65Fe-35Ni 晶系 磁性 铁磁 铁磁 α /(1/℃) at RT Tc或 TN/℃ 立方 32Ni-6Fe-4Co 立方 37Fe-52Co11Cr 75Fe-25Pt 67Fe-31Pd 94Cr-5.5Fe0.5Mn 1.2×10-6 232 230 0.0 1934 不锈因瓦 1937 1962 1972 1974 Fe-Pt因瓦 Fe-Pd因瓦 Cr 基因瓦 立方 立方 立方 立方 六角 非晶态 铁磁 铁磁 铁磁 0.0 127 -30 ×10-6 80 340 0.0 ~45 -29 ____ 反铁磁 ~1 ×10-6 Y2Fe17因瓦 10.5Y-89.5Fe 铁磁 1977 非晶态Fe-B 83Fe-17B 因瓦 铁磁 (1~2)×10-6 320 I Invar 36: Chemical Compositions C Mn S 0.004 P 0.006 Si 0.35 Cr 0.25 Ni 36.0 Fe Balance 0.10 0.50 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 radios, thermostats(自动调温器), glass-tometal seals and structural components in laser systems. Kovar: C 0.02 Ni 29.0 Chemical Compositions: Fe Balance Si 0.20 Mn 0.30 S 0.025 Co 17.0 Kovar alloy is a vacuum melted, iron-nickel -cobalt alloy that is widely used in the electronics industry. In the semiconductor industry 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 1. 热膨胀的物理本质是什么? 2. 低膨胀合金( Invar alloy, Kovar alloy ) 的机理是什么? 3. 何谓线膨胀系数?它与哪些物理量有关系? 为什么? 4. 钢组织的膨胀系数有何特性? 1.3 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:原子的非简谐振动 r0 T1 r r0 T2 x E(r) X? Ep+Ek=C r0 r r0 1.3.2 膨胀性能的基本概念 l ?l 1 ? 平均线膨胀系数: ? l ? T ?T l ; 2 2 1 ? 真线膨胀系数 ? 膨胀曲线: l = f (T) 1 1 ?T ? dl 1 dT lT 几种典型材料的线膨胀系数(RT): l2 lT 石英玻璃: ~0.5×10-6/K。 l1 铁:~12 ×10-6/K 高温纳灯所用的封接导电材料: 金属铌 αT = 7.8×10-6/K Al2O3灯管 αT = 8×10-6/K。 l T1 T T2 T 膨胀曲线 膨胀系数与其它物理性能的关系 1. 与热容的关系: 格律乃森(Gruneisen)由晶格热振动理论: αV = rCV/(EVV); 立方晶系: αl = rCV/(3EVV) r为格律乃森常数(r约在 1.5 ~ 2.5间); EV 是体弹 模量。 线膨胀系数与热容随温度T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 量也增高。 α Al α Fe-35%Ni 0 Cp Al 400 800 T/K -200 0 200 T/℃ 0 0.2 0.4 0.6 T/TM 2. 与熔点的经验公式: 格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程 Tm αV = (VTm-V0)/V0 = C ; 其中, VTm和V0 分别为熔点和0K时金属的体积。 C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: (VTm-V0)/V0 = C ≈ 6% ~ 6.7%。 线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式: αl Tm ≈ 0.022 3. 与德拜温度的关系: αl = b/(V2/3MΘD2); 原子间结合力与ΘD2成正比, 结合力越大,德拜温度越高,膨胀系数越小。 4. 与原子序数的关系: 具有一定的周期性: IA族元素的α值随Z增加而增大,其余A族元素的α值则 随Z增加而减小.这与键有关. 碱金属α值高,过渡族元素α值低.与原子结合力有关. 石英玻璃的α值约0.5×10-6/K,而F铁为12 ×10-6/K. 1.3.4 影响膨胀性能的因素 (化学成分、晶体结构、结合键、相变等) 1.相变的影响: 一级相变的比容有突变,膨胀系数在转变点 无限大. 一级相变特点:体积、比容、焓有突变,伴有潜 热发生。如三态转变,同素异构转变等属于一 级相变。 二级相变在相变温区内膨胀系数曲线上有拐 点. 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。 图为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气 气氛下以5 ℃/min测量。在960 ℃(曲线 ℃出现晶体结构变化(bcc-fcc-bcc)。 2. 晶型转变。室温下ZrO2晶体是单斜晶型。温度高于 1000度时转为四方晶型,体积收缩4%。严重影响应用。 加入MgO,CaO, Y2O3等稳定剂后,在高温与ZrO2形成 立方晶型的固溶体。不到2000度不发生晶型转变。 △l/l 完全稳 定化ZrO2 CaO8% ZrO2 纯ZrO2 400 1200 T/℃ (b). ZrO2的膨胀曲线. 有序-无序转变: 如Au-Cu有序合金加热到300℃时有序开始破坏。达480℃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-无序转 变温度。Cu-Zn合金成分接近CuZn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 在中心。随T升高逐渐转变为无序,吸收热量。属于二级相变。 △l/l Au-50%Cu Cu-50%Zn Fe-25%Al 300 500 T/℃ (a). 有序无序转变膨胀曲线. 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T3 规律变化。铁磁金属和合金会出现反常膨胀。目前解释是磁致 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 得膨胀系数为零或负值的因瓦(Invar)合金,或在一定温度范 围内不变的可伐合金(Kovar alloy)。 α Ni Fe Co T/K 520 600 680 920 1000 1200 1400 (2)不同结构的物质 原子间结合力与ΘD2成正比,结合力越大,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,而类似于 无定型玻璃往往有较小的膨胀系数。 多晶石英的α值为12 ×10-6/K;而无定型石英玻 璃的α值只有0.5 ×10-6/K。 键强则热膨胀系数值高:石墨平行于c轴α值为27 ×10-6/K;而垂直与c轴的α值为1.0 ×10-6/K。 钢的膨胀特性 ? 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。 ? 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。 1.3.4 膨胀的测量 膨胀测量是材料热性能研究的一种物理方法。 材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征,通常 检测其平均线膨胀,核心在于精确测量在特定 温区内的热膨胀量。 ? 由于理论和低温研究的需要,热膨胀测量在高 灵敏度(Δl/l ~ 10-12) 、高精度方面发展较快; ? 工业上的膨胀测量向自动化和快速反映方向发 展。微机的应用使精度和自动化程度得到提高。 热膨胀在快速冷却,加热的热循环中,对研究 材料组织结构转变具有独特作用。 ? 膨胀的测量方法:光学式,电测式,机械式。 德国耐驰仪器制造有限公司上海代表处 主要技术指标 工作温度: 室温~1600 ℃; 灵敏度: 1.25nm/digit; 升温速率: 0.1~10 ℃/min; 样品状态: 固体、粉末、液态; 样品大小: 长50mm (max) 直径: 12mm (max); 测试气氛: 线mbar)、 静态、动态(可用惰性或反应气体)。 ULTRA HIGH TEMPERATURE DILATOMETER Ambient to 2000/ 2500/ 2800°C Single or dual sample Research quality Sintering studies Full range optical pyrometer (光测高温计) Vacuum or inert atmosphere Fully automatic operation with Windows? software (PC not included) ?应用实例: 氮化硅 由于其出色的热性能和机械特性,氮化硅正日益成为高科技 领域中的常用材料之一(如作为汽车引擎的阀门)。当然, 生产与烧结工艺对于最终成品的性能有着决定性的影响。 左图显示的是氮化硅 生料的热膨胀和膨胀 速率微分曲线。由于 烧结添加剂的影响, 材料在1201℃开始了 烧结过程。主要的收 缩过程发生在 1424℃ (外推起始点)。在 1760℃ 以上的效应则 由添加剂的挥发引起。 Laser Interferometry Type Thermal Expansion Meter ? Its measurement accuracy is as high as 2nm as against +/- 1um which is obtainable by the conventional push rod type dilatometer. 1.光学膨胀仪的基本原理是什么? 2.标准样的功能是什么?对标准样有 何要求? 常用的膨胀仪 1. 示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪 有何优点? 2. 光干涉法膨胀仪的基本原理是什 么?(光的干涉条件是什么?如何实 现?如何计算试样的膨胀量?) 3. 电感式膨胀仪的基本原理是什么? 有何特点? 膨胀仪按原理可分为:光学式,电测式,机械式。 1. 光学膨胀仪 光学膨胀仪是物理冶金中常用的膨胀仪。 其基本原理是利用光杠杆放大试样的膨胀 量,并用标准样的伸长标出温度。又通过 照相方法自动记录膨胀曲线). 普通光学膨胀仪(测定膨胀系数) (2). 示差光学膨胀仪(灵敏度和精确度更高,适于 测定临界点) (一). 普通光学膨胀仪 光杠杆式膨胀原理图: 石英杆 共析钢膨胀曲线? 光源 标准样 A 待测样 C 45? 底片 Ar1 T/℃ 共析钢 注: (1)A点用铰链固定。AC垂直;AB水平。 (2)借助光路的多次反射可延长反射镜和 感光纸的距离,以达到所需放大倍数 (200, 400, 800倍)。 标准样的要求: 其膨胀量与温度成正比;在测量范围内无相变, 不易氧化;导热系数接近待测样。与试样的形 状和尺寸相同. 标准样的选择: 较低温度方围研究有色金属和合金时,常用铜 和铝纯金属做标准样; 研究钢材时,研究钢的标样可采用皮洛斯合金 (PYROS alloy)(Ni80%-Cr16%-W4%).稳定 性好,1000度以下无相变,膨胀系数由 12.27×10-6/K均匀增加到21 . 24×10-6/K。较 石英传动杆的线/K。 (二) 示差光学膨胀仪: (试样与标样热膨胀的相对差值的方法) B 标样 A 60? B O y 光 底片 C′ x C A 试样 C 标样功能:水平分量指示温度;纵向分量抵消试 样的膨胀量,尤其是试样组织未转变前的膨胀量。 从而使膨胀量的范围缩小,提高了测量精度和灵 敏度。很适用于分析金属内部组织变化。 光干涉法膨胀仪 干涉条件: 两列频率相同,位相差恒定的波相遇而干涉。 膨胀量:△l = △N·λ/2; △N由光敏元件和计数器连续测定。 优点:精度高(光波长在0.1微米量级)。 缺点:装置设计要求高。 光敏元件 半透镜 上下干涉板 试样 计数器 记录仪 光干涉法膨胀仪示意图 2. 电测式膨胀仪 将膨胀量转换为电讯号,然后进行电讯号的记录, 数据处理和画出膨胀曲线。 (包括应变电阻式膨胀仪,电容式膨胀仪和电感式膨胀仪) 。 电感式膨胀仪 原理:采用差动变压器原理将试样的膨胀量转换为 电信号(放大倍数可达到6000倍)。 特点:试样可采用真空高频加热,加热速度可控制在 500℃/s以下范围。试样冷却可以选用小电流加热﹑自 然冷却﹑和强力喷气冷却三种冷却方式。加热温度和 冷却速度易于自动化和计算机控制和数据处理。近年 来,较为先进的全自动快速膨胀仪膨胀量转换采用的 就是差动变压器原理。 缺点:易受电磁因素的干扰。变压器电源采用 200~400Hz以防止工业网的干扰。 电感式膨胀仪测量原理 试样 加热炉 磁芯 控 温 仪 传感杆 试样 放 大 器 记 录 仪 差动变压器 恒温箱 差动变压器原理图 膨胀仪结构方框图 组成:初级,次级线圈和磁芯构成。初级和次 级线圈绕在同一绝缘管上, 次级线圈由两段完 全相同的绕组反向的先圈串接而成。它们相对 初级线圈完全对称。磁芯处在中间位置时,反 接的次级线圈的感生电动势相互抵消。磁芯偏 离中间位置差动变压器信号与磁芯偏离量呈线).千分表式膨胀仪 (2). 杠杆式膨胀仪 将膨胀量转移到千分表或利用杠杆作用放 大. 1.3.4 膨胀分析的应用(组织转变 体积效应) 1。确定钢的组织转变温度: 温度变化(无相变)正常膨胀 钢加热 组织变化导致附加膨胀 1) 。转变点的测定 △l Ac1 a a ae段: 珠光体转变为奥氏体 eb段:铁素体溶解于奥氏体 注:在确定钢组织转变临界点时, 为使结果有可比性,除对钢的成分 有严格要求外,还有下列要求: 1。原始组织应相同,常用退火态, 晶粒度相同。 2。相同加热及冷却速度(一般小于 200 ?C/h,高合金钢冷却速度小于 120 ?C/h 3。奥氏体化温度和保温时间按要求 保持一致。 Ar1 e Ac3 b Ar3 亚共析钢 b T/℃ 2). 钢膨胀曲线的分析 ab:珠光体转变为奥氏体; bc: 铁素体溶解于奥氏体; 二次渗碳体的存在使高温区膨胀曲线明 显拐折;奥氏体膨胀系数比珠光体大 导致斜率增大;二次渗碳体不断溶解, 使奥氏体含碳量增高,比容增大,使 Arcm两旁斜率不同。 Ac1 △l a Ar1 △l Ac1 △l Ac1Arcm b Accm Ac3 Ar3 T/℃ c Ar1 T/℃ 共析钢 Ar1 T/℃ 过共析钢 亚共析钢 2. 研究钢的等温转变 (1)测定过冷奥氏体等温转变的动力学曲线 试样:退化状态的材料制备试样。 钢的奥氏体化处理及等 温转变过程的膨胀曲线℃); 或生产中实际淬火温度。 保温时间:由试样大小定; (直径3毫米在空气中保温5~10分钟)。 时间 t t2 E 等温转变过程:经奥氏体化后, 立即冷却到等温温度;同时膨 胀仪也从记录膨胀和温度的关 系切换到记录膨胀和时间的关系。 等温条件下试样的伸长 和组织转变数量成正比 t1 O 温度 T △l C A △l 等温转变产物:过冷奥氏体在相变温度A1下不同温 度范围内可发生高温珠光体型转变(A1~550℃), 中温贝氏体(550℃~Ms)和低温马氏体型转变(比 热容大于奥氏体); 等温转变产物数量的确定:组织的转变量与膨胀量 成正比。转变50%所需要的时间即△l/2所对应的 时间。 奥氏体的中温转变通常不彻底,可借助金相方法, 对应温度下转变产物进行定量分析。然后再按转 变量与膨胀量成正比的关系,找出不同转变量所 对应的时间。 TTT图的绘制:在Ms点和Ac1点间,每隔 (2)马氏体转变点Ms的确定 过冷奥氏体等温 转变动力学转变图 △l △lf △lf/2 温度 T 开始 50% 终了 时间t t1 t2 时间t (2)马氏体转变点Ms的确定 优点:奥氏体转变为马氏体的体积效应最明显,用膨胀法测定 Ms点效果很好。 要求:多数钢测定Ms点需要很高的冷却速度:膨胀仪需具有淬 火机构和快速记录装置。常采用全自动快速膨胀仪。 马氏体转变量的确定:假定马氏体和奥氏体的膨胀系数相近, 转变量与膨胀量成正比,则可用下面方法: △l A D 马氏体转变膨胀曲线 C B Ms 温度T 3. 研究钢的连续冷却转变 实际生产中,热处理多采用连续的冷却方式。需 要应用钢的连续冷却转变图(CCT)曲线了解 过冷奥氏体连续冷却转变的规律。CCT曲线的 建立,需首先测定不同冷却速度下的连续冷却 转变的膨胀曲线CrNiMoA钢的冷却膨胀曲线: 为绘制CCT曲线,先取时间对数为横坐标,温度T纵坐 标绘出不同冷却速度的冷却曲线,将膨胀曲线上得到 的转变点,将开始及终了转变点联成光滑曲线便得到 CCT图。 复习题 1.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质。 2.反常膨胀有何意义,举例说明之。


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