金属元素热膨胀系数的评估与计算

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1、学校代码10530学号201107071551分类号TG111.3，TG141密级公开硕士学位论文金属元素热膨胀系数的评估与计算学位申请人张博指导教师李小波教授学院名称机械工程学院学科专业材料科学与工程研究方向相平衡及合金热力学二○一四年五月万方数据AssessmentandcalculationofthermalexpansioncoefficientformetallicelementsCandidateBoZhangSupervisorProf.XiaoboLiCollegeSchoolofMechanicalEngineeringProgram

2、MaterialScienceandEngineeringSpecializationPhaseEquilibriumandAlloyThermodynamicsDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人

3、完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据湘潭大学硕士论文摘要摘要热膨胀是基本的物理性能。研究热膨胀系数的规律性，有很大的理论和实践价值，它可以预示新材料的热性质。在过去一个世

4、纪，大量的热膨胀实验数据得到积累同时被评估。评估热膨胀系数的方法主要有三种：（1）经验模型；（2）半经验模型；（3）理论模型。本文首先在半经验模型的基础上使用改进的德拜-格律乃森模型（把德拜-格律乃森模型中的德拜温度当作待定的常量处理），借助MATLAB强大的计算能力，采用非线性最小二乘算法，评估了42种纯金属元素的热膨胀系数，拟合出的曲线与实验值相比较吻合良好。评估得到了一套描述热膨胀系数的参数，其中包含一套基于热膨胀系数的平均德拜温度。对于某些高温或低温没有实验数据的金属元素可以利用此模型外推获得热膨胀系数。其次在德拜-格律乃森模型描述金属热膨胀性

5、质通用性的基础上考虑高温热缺陷对热膨胀的影响，引入热缺陷模型对V，Nb，Ta，Mo和W5种难熔金属的热膨胀系数进行了评估，拟合的结果与实验值吻合良好，并得到了基于热膨胀系数在高温热缺陷影响下的平均德拜温度。热缺陷在高温下对难熔金属的影响不可忽视，加入热缺陷项能更好的描述高温难熔金属的热膨胀系数。最后利用密度泛函微扰理论计算了面心立方结构的Al、Pd元素和体心立方结构的Mo、V元素的热膨胀系数。其原理是计算不同晶格常数下总能和声子谱，得到不同温度下晶格常数与自由能的关系，通过能量最低原理求其在不同温度下的平衡晶格常数，再计算出热膨胀系数。计算得到的热膨胀

6、系数在一定温度范围内与实验值基本吻合，从而验证了第一性原理计算热膨胀系数的可行性。本文通过评估和计算热膨胀系数，得到了比较满意的结果，使得对热膨胀评估和计算很好的联系起来，相辅相成，对金属元素的热力学性质的研究有很好的参考价值，为建立热膨胀数据库打下理论基础。关键词：热膨胀系数；德拜-格律乃森模型；纯金属；评估；密度泛函微扰理论I万方数据湘潭大学硕士论文AbstractAbstractThermalexpansionisthebasicphysicalproperty.Studyonthelawofthermalexpansioncoefficient

7、shasgreattheoreticalandpracticalvalueandindicatesthethermalpropertyofnewmaterial.Overthepastcentury,largeamountsofexperimentalinformationonthermalexpansionhavebeenaccumulatedandsometimesreviewed.Evaluationmethodsforthermalexpansion:(1)Empiricalmodel,(2)Semiempiricalmodels,(3)The

8、oreticalmethods.Thispaperfirstly,thermalexpansi