材料物理性能
材料物理性能
第一章、材料的热学性能
一、基本概念
1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Q
c ??=
2.比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[
与
物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ??=1 3.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。
4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容：
T U T Q C v v ??=??=)(
5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供
给
物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。
P P P T H T V P T U T V P U T Q C )()(??=??+??=??+?=??=）（ 6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。
7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。t
l l l ?=?α0
8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。t V V t
t V ??=1α
9.热导率（导热系数）λ：在
单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热
量。（标志
材
料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。
10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。
α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。）。
二、基本理论
1.德拜理论及热容和温度变化关系。
答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。
⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数；
②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波；
③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类；
④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位h ν的整数倍。
⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。
②当T《θD时，Cv,m∝3T。
③当T→0时，Cv,m→0，与实验大体相符。
⑷不足：①由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不
适用；
②晶体不是连续介质，德拜理论在低温下也不符；
③金属类的晶体，没有考虑自由电子的贡献。
2.热容的物理本质。
答：温度一定时，原子虽然振动，但它的平衡位置不变，物体体积就没变化。物体温度升高了，原子的振动激烈了，但如果每个原子的平均距离保持不变，物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。
【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系；
⑵对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能力也不同；
⑶温度升高，晶格的振幅增大，该频率的声子数目也增大；
⑷温度升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】
3.热膨胀的物理本质。
答：由于原子之间存在着相互作用力，吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关（是非线性关系，引力、斥力的变化是非对称的），两原子相互作用是不对称变化，当温度上升，势能增高，由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。
⑴T↑原子间的平均距离↑ r＞r0 吸引合力变化较慢
⑵T↑晶体中热缺陷密度↑ r＜r0 排斥合力变化较快
【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大（微观），宏观表现为体积、线长的增大】
4.固体材料的导热机制。
答：⑴固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。
①纯金属：电子导热是主要机制；
②合金：声子导热的作用增强；
③半金属或半导体：声子导热、电子导热；
④绝缘体：几乎只有声子导热一种形式，只有在极高温度下才可能有光子导热存在。
⑵气体：分子间碰撞，可忽略彼此之间的相互作用力。
固体：质点间有很强的相互作用。
5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8
⑴①有潜热，热容趋于无穷大；⑵①无潜热，热容有突变
②等温转变，焓有突变；②磁性转变、BCC点阵的有序-无序转变。
③热容曲线发生不连续变化，焓曲线发生跃变；
④珠光体转变、铁的α→γ转变。
6.相变对热容、焓的影响。
答：⑴一级相变：固态的多型性转变属于一级相变（如珠光体转变、铁的α-γ转变），加热到临界点Tc焓的曲线出现跃变，热熔曲线发生不连续变化，这种曲线中转变的热效应即为曲线跃变所对应的焓变化值。【一级相变有潜热，如果是等温转变，则相变时焓的变化有突变，热容趋于无穷大】
⑵二级相变：是在一个温度范围内逐步完成的，焓随着温度的升高而逐渐增大，当接近临界点Tc，由于转变的数量急剧增多，Q的变化加剧，与此相对应的热容值则达到最大值，转变的热效应相当于阴影面积。【二级相变无潜热，热容有突变】
7.熔化和凝固。P10图1.7
答:⑴加热温度低于熔点时，加热所需热量随T缓慢上升；
⑵Tm处，熔化热q s，焓曲线拐折并陡直上升；
⑶液态金属热容比固态大。
8.热导率和温度的关系：
⑴金属：
低温缺陷阻挡
起主要作
用
ρ0与温
度无关，
λ与T成
正比
L
T
w
T
=
=
ρ
σ
λ
中温 声子阻挡主要作用 ρp 与温度成正比，λ趋
于常数
高温 声子阻挡
和缺陷
都
起作用 λ随温度的升高先升高后降低 L T T p p ==ωρσλ
热导率比较：同一材料：多晶＞单晶 晶态＞非晶体 粉体＜致密态。 ⑵无机非金属：
①低温时有较高热导率的材料，随温度的升高，热导率降低；
②高温时有较低热导率的材料，随温度的升高，热导率升高。
9.热力学参数的影响因素。
答：⑴热容：①温度；②压力；③组分；④组织变化。
⑵热导率：
①金属：a.纯金属由于温度升高而使平均自由程减小的作用超过温度直接作用，因而纯金属的热导率一般随温度升高而降低。合金：合金的热导率则不同于异类原子的存在，平均自由程受温度的影响相对较小，温度本身的影响占主导作用，使声子导热作用加强，因此随温度的升高而升高；
b.原子结构；
c.合金成分和晶体结构：合金中加入杂质元素，使热阻增强，λ下降；
d.气孔率。
②无机非金属：a.温度；b.成分、结构；c.各向异性。
⑶热膨胀：①相变的影响；
②成分和组织的影响；
③各向异性的影响；
④铁磁性转变的影响。
10.材料的热膨胀与热容、熔点、德拜温度的关系：
⑴与温度的关系：V K c v
0v γα= V K c v
0l 3γα=
⑵与熔点的关系Tm ： 022.0=m l T α C T m
l =α ⑶与德拜温度θ
D 的关系：
23/2'1
D l A V c γθα=
11.影响膨胀系数的因素（了解）:
⑴膨胀系数和热容关系：格林爱森定律
⑵膨胀系
数和熔点的关系： 022.0=m l T α C T m l =α
⑶膨胀系数和原子序数的关系：膨胀系数随元素的原子序数呈明显周期性关系。①只有IA 族的αl 随原子序数的增加而增大，其余主族的αl 随原子序数的增加而减小；
②过渡元素具有低的αl 值；
③碱金属αl 值高，
12.林德曼定律：
32m 12
108.2V A T r m ?=ω
13.热导率Fe-合金的膨胀反常机制：磁致伸缩抵消了合金正常热膨胀的结果。
三、基
本技能
1.亚稳态组织转变、有序-无序转变（定性知道）：
答：⑴亚稳态组织转变：不可逆转变 时效 回火 相变有偏离直线关系，无线性关系。亚稳态能量高，变为稳态放热，而导致热熔曲线向下拐折。
⑵有序-无序转变：伴随着膨胀系数的变化。有序结构会使合金原子之间的结合增强，因此，有序化导致膨胀系数减小。
2.热分析法分析组织相变，DTA ，膨胀分析（膨胀曲线、相变点）。
答:利用加热或冷却过程中，热效应所产生的温度变化和时间关系的一种分析技术。
建立合金相图：先确定合金的液相线、固相线、共晶线以及包晶线，再确立相区。 如：建立二元合金相图，取某一成分的合金，用示差分析法测定出他的DTA 曲线。 试样从液相开始冷却，熔化曲线向上拐折，拐折的特点是：陡直上升，然后逐渐减小，直到接近共晶温度时，DTA 接近基线。在共晶温度处，由于试样集中放出热量，所以出现一个陡直的放热峰，待共晶转变完成后，DTA 曲线重新回到基线。取宽峰将起始下和宽峰的峰值对应的温度T2分别连成光滑曲线，得到液相线和共晶线。
3.电导与热导的关系，导热机制。
答：⑴对金属来说热导率和电导率的关系（维德曼-弗兰兹定律）：
室温下许多金属的热导率和电导率之比λ/σ几乎相同，不随金属不同而改变表明导电性好的材料，导热性也好。
λ/σ=LT，L洛伦兹数。
洛伦兹数只有在T＞0℃的较高温度才近似为常数；T→0K时，洛伦兹数趋于0。
⑵传热不同的传热方式，主要传导方式：
固体：自由电子、声子、光子。
纯金属：电子。
合金：电子、声子。
半导体、半金属：电子、声子。
绝缘体：声子。
【无机非金属：声子（晶格振动）辐射传热相当于光在介质中传播】
4.共析钢热膨胀曲线:
⑴热容（A最小）转变体积先膨胀，M＞Fe3C＞P＞A；
⑵在加热时，温度到共析点以上，首先是铁素体转变为奥氏体，接着是珠光体转变为奥氏体；
⑶由于发生相变而造成体积收缩（陡直下降），当全为奥氏体时，温度升高，原子间距离增大，钢膨胀。
5.淬火刚的回火转变：淬火后组织：M+Ar
⑴80～160℃：发生体积收缩，此时析出ε相碳化物，体积收缩是由于碳化物析出，导致M正反度下降；
⑵230～280℃：发生了体积膨胀，表面淬火组织中Ar开始分解；
⑶260～360℃：体积收缩，M继续分解铁素体和渗碳体混合物；
⑷加热到535℃后，再缓慢冷却至室温，冷却曲线200℃附近出现拐折，表面535℃回火钢组织完全变为铁素体和渗碳体。
第二章、材料的电学性能
一、基本概念
1.压电效应：
⑴正压电效应：在某些晶体的一定方向上施加压力或拉力，则在晶体的一些对应
的表面上分别出现正、负电荷，其电荷密度与施加外力的大小成正比。
⑵逆压电效应：如果一块晶体置于外电场中，由于电场作用，使晶体正负电荷中心发生相对位移而分离，这一极化又导致了晶体放热形变——电致形变。
2.热释电效应：在某些绝缘体中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象。
3.铁电体：固有电偶极矩的取向一致，E作用下，固有电矩转向。
4.光电导效应：半导体受光辐射时，电导率增加而变得易于导电。
5.PN结的光伏效应：当光照射在PN结上时，在PN结上会产生电动势的现象。
5.光电效应：某些物质受到光照后，引起物质电性发生变化，这种光致电变的现象。
6电介质：能在电场中极化的材料。
7.N、P型半导体：在半导体中加入某种杂质元素并控制其含量分布可以得到主
要靠电子或者电子空穴来导电的半导体结构，前者称为N型半导体，后者称为P 型半导体。
8.介电强度：指电介质在不发生电击穿条件下允许施加的最大电压
U。
d
二、基本理论
1.分析金属电阻产生原因？（缺陷、杂质）
答：量子力学证明：当电子波在0K下通过一个理想的晶体点阵时，它将不受到散射无阻碍传播。只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波会受到散射，从而产生了阻碍作用，导电性降低，这是材料产生电阻的本质所在。
2.马西森定律适用范围。
答：⑴ρ=∑ρi=ρ（T）+ρ残。ρ（T）为与温度有关的金属的基本电阻率，即溶剂金属（纯金属）的电阻率；ρ残为决定于化学缺陷和物理缺陷，而与温度无关的残余电阻率。
⑵意义：马西森定则忽略了电子各种散射机制间的交互作用，给金属的导电性做了简明的描述，并很好地反映了低浓度固溶体的实验事实。在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ（T），而在低温下取决于ρ残。ρ残是点在在杂质和缺陷上的散射引起的，ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。
3.金属导电、半导体导电的载流子。
4.半导体导电机制。（理解）
答：（能带结构、本征激发、杂质引入）半导体晶体中，由于原子之间的距离很小，使得每一个原子中的价电子除受本身原子核内层电子的作用处，还受到其他原子的作用；在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再属于各个原子，而成为晶体中原子共有，正是这种价电子的共有化，使单个原子的价电子能级分裂成一系列相互之间能量差极微的能级，形成能带。
导带中自由电子→定向运动导带中电子和价带中空穴称为载流子
价带中空穴→导电杂质在禁带中产生附加能级。
5.金属导电机制。
答：⑴电阻率。组织结构敏感；
⑵金属导电载流子——自由电子。
6.金属电阻和温度的关系。
答：金属电阻温度系数的表达式：0·1＞dT
d T T ρρα=
⑴??? ?
?∝D T T θρ32＞声—电 ⑵）
《（声—声D T T θρ5∝ ⑶）（电—电K T T 22=∝ρ 温度D T θ3
2＞时，电阻率正比于温度ρ（T ）=αT ；T 《D θ，电阻率与5T 成正比。一般认为纯金属在整个温度区间电阻产生的机制是电子—声子散射，只是在极低温度2K 电阻率与2T 成正比。这时电子—电子间的散射构成了电阻产生的主要机制。
7.极化的微观机制。
答：⑴电子位移极化：在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电矩而使电介质极化。可逆、弹性、瞬时、不耗能，r ε与频率无关，与T 关系不大。
⑵离子位移极化：离子晶体中，除离子中的电子要产生位移极化，处于晶格结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移极化。离子位移弹性极化 弹性、不耗能、极化过程快，只存在于离子键构成的晶体中。T ↑，极化↑，T ε↑。
⑶偶极子转向极化：偶极分子在无外电场的就有一定偶极矩P ，但因热运动缘故，他在各方向概率相同，故无外场时，偶极电介质的宏观电矩为零。但有外场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，而呈现宏观电矩，形成极化。非弹性、耗能、时间长。
⑷电子松弛极化：弱束缚电子、弱联系。电子短距离迁移导致极化。
⑸离子松弛极化：束缚力较弱的离子，在热的影响下做无规则的跳跃迁移，无外电场时无宏观电流；当外加电场后，由于正负离子沿逆电场跃迁率增大，形成正负离子分离产生介质极化。非弹性迁移、耗能、不可逆。
⑹空间电荷极化：一部分电介质中存在着可移动的离子，在电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并积累，这种正负离子分离所形成的极化就是空间电荷极化。
⑺自发极化：特殊。无外场以及自发排列。
8.评价电介质性能的重要参数。（损耗、电介质、品质因数）
答：⑴介电常数ε：工作能力；
⑵介电强度Eb=Ud/d 保险系数击穿：介电→导电；
机制：电击穿→使离子电离热击穿
损耗 T↑，σ↑恶性循环；
⑶介电损耗：①电导损耗：2E
=
Pσ
②极化损耗：松弛极化损耗损耗因数：tanδ品质因数；
2
E
=
Pσ
③外电场：电传导和电感应。电介质：电场→电
化（带电粒
极
子微观位移）
9.铁电体的特征。
答：具有居里点，其自发极化能因外电场而重新取向，铁电体只有在极化之后才能表现出热释电效应，是具有电畴结构的晶体。
⑴自发极化；无E，固有电偶极矩取向一致；有E，固有极矩沿外电场作用发生转向；⑵电畴；
⑶特征温度（居里温度）T＜Tc铁电体；T＞Tc顺电体；
⑷电滞回线；⑸介电特性。
10.涉及到相关参数、组织变化（只有金属电阻-组织敏感性参数、电阻分析、淬火钢回火、金属时效P77-78）
11.时效：含Cu4.5%的铝合金：20℃下低温时效，随时效时间变化电阻升高，温度提高25℃，电阻↓。低温时效电阻升高是由于时效的初期形成了极细小的弥散小区域（G-P区），使导电电子发生散射的缘故，G-P区是Cu原子在铝晶体点阵中占优势偏聚的结果；高温时效电阻降低，由于固溶体中析出了
CuAl相，降
2
低了溶质的质量。
12.测量溶解度：在ρ-ω（B）%的曲线上，转折点便是此温度的溶解度。
测量方法：将试样加热到共晶温度t0以下的某个温度，待其成分均匀后在淬火，若要测量t1下的溶解度，可将试样加热到t1，保持足够长的时间在淬火（目的是把高温下的组织固定下来）然后测量ρ，做出ρ-ω（B）%的关系曲线，定出转折。
13.电阻分析的应用。
答：⑴测量固溶体的溶解度；
⑵组织变化合金的时效低温电阻↑高温电阻↓
淬火钢的回火
冷加工 退火低于再结晶温度，电阻↓ 高于再结晶温度，电阻↑ ⑶相变：有序-无序转变 高温无序，电阻高 低温有序ρ↓
室温无序→有序ρ↓→无序↑
马氏体相变 高温无序
→↓
ρ淬火有序 14.三种热电效应概念，应用关系。
答：⑴赛贝克效应（第一热电效应）：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生；
应用：热电偶测温（金属） 温差发电（半导体）
【①接触电位差：两种金属的自由电子密度不同，接触面两侧存在自由电子的浓度差，密度高扩散到密度低处形成的电场。
②温差电位差：热端的高能电子向冷端扩散使电子在冷端堆积带负电，而热端带正电，这样就形成温差电场。】
⑵珀尔帖效应（第二热电效应）：当有电流通过两个不同导体的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处分别出现吸收或放出热量的现象。
应用：主要用于温差制冷 小型恒温器
⑶汤姆逊效应（第三热电效应）：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流的方向和温度梯度的方向而定。
应用：X 射线管、阳极射线管、电子显微镜
关系：一个由两种导体组成回路，当两接触端温度不同时，三种热电效应会同时产生，赛贝克效应产生热电势和热电流，而热电流通过接触点时要吸收或放出珀尔帖热，通过导体要吸收汤姆逊热。
15.热电偶测温原理：根据赛贝克效应，将两种不同金属导体连接成回路，一种金属放入已知温度中，一种金属放入待测温度中，通过测量回路中电动势大小，计算出两种导体的温度差从而根据已知温度，计算出待测温度。
16.淬火刚的回火：⑴淬火后的回火温度在110℃时，电阻开始急剧下降，原因是产生了马氏体的分解；
⑵约在230℃时，电阻发生更为激烈的下降，原因是残余奥氏体分解的结果；
⑶在高于300℃，电阻则很少变化，说明固溶体分解基本结束。
15.影响金属电阻率的因素。
答：⑴温度。T ↑，电子与声子碰撞加剧，使电子波散射加剧，ρ↑；
⑵异类原子（杂质合金元素）。杂质及合金元素增多，ρ↑；
⑶晶体缺陷（点、线、面缺陷）。缺陷使散射增多，ρ↑；
⑷相变。同素异构转变、凝固、熔化、有序-无序转变、铁磁-顺磁转变。
16.金属的导电性影响因素。
答：温度；成分、组成；相变、组织变化。
三、基本技能
第三章、材料的磁学性能
一、基本概念
1.自发磁化：铁磁体内部存在很强的分子场，在分子场的作用下，原子磁矩趋于
同向平行排列，即自发的磁化至饱和。
2.磁化强度：单位体积的总磁矩。M=∑Pm/V。
3.矫顽力：从饱和磁化状态到磁场去除后得到剩磁Mr，再加反向磁场使M减小到
零，此H0值称为磁矫顽力。磁性材料已经磁化到饱和后，使磁化强度减小到零所需的磁场强度。
4.磁极化强度：单位体积的磁偶极矩的矢量和。J=∑Tm/V J=μ0M
5.饱和磁化强度：磁性材料在外加磁场中被磁化时所能到达的最大磁化强度。
6.磁导率：外磁场增加时磁感应强度增加的速率。μ=B/H。
7.磁化率：（表征磁介质属性的物理量）单位磁场感生出的磁化强度。Χ=M/H。
磁晶各向异性常数：K1K2 关系磁化的难易各方向磁性不一样（晶体结构、形状各向异性）。
8.饱和磁致伸缩系数：随外磁场强度增加，材料将伸长（或缩短），最后稳定在某一尺寸，此时的磁致伸缩系数纪委饱和磁致伸缩系数。
9.磁滞：从饱和磁化状态a降低H时，μ将不再沿基本磁化曲线变化，而是落后于H变化的现象。
10.磁畴：未加磁场时，铁磁体内部已经磁化到饱和状态的区域。
11.磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，形其状和尺寸都会发生变化
二、基本理论
1.分析抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性的磁化率与温度的关系？
答：⑴抗磁体：①经典抗磁体：χ不随T变化；
②反常抗磁体：χ随T变化，且大小是前者的10～100倍。
⑵顺磁体：①正常顺磁体：其χ随T变化，且符合与T成反比关系；
②χ与T无关的顺磁体，Li、No。
⑶反铁磁体：χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时，其行为像顺磁体；低于这个温度时，它的磁化率同磁场的取向有关。
⑷铁磁体：χ为很大的正常数。铁磁体高于居里温度时变为顺磁体。
P131图3.1。
2.简述影响金属及其合金铁磁性的因素有哪些？
答：⑴温度的影响。温度升高使原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾向增大，而导致Ms下降；
⑵应力、形变、晶粒及杂质的影响。
①应力的影响：指弹性应力。当应力的方向与金属的磁致伸缩为同号时，则应力对磁化起促进作用；反号起阻碍作用。
②形变（加工硬化）的影响：加工硬化引起晶体点阵扭曲，晶粒破碎，内应力增加，他们都会对壁移造成阻力，使技术磁化困难，故会引起与组织结构有关磁性参数的改变。再结晶退火又能消除加工硬化引起的阻碍。
③晶粒细化的影响：晶粒细化与加工硬化的效果相似，这是因为晶界也是一种面缺陷，晶粒越细，晶界便越多，对磁化的阻力就越大。
④杂质的影响：杂质如C、N、Mn、P、S等，它们对铁的组织敏感参数的影响与他们存在的形态有关。当它们固溶于铁中便会造成点阵扭曲，而当他们呈夹杂物存在时使畴壁穿孔，这都会给壁移造成阻力，导致μ下降，Hc上升。
改善铁磁体μ的方法：⑴消除铁磁材料中的杂质；
⑵把晶粒培育到足够大，并呈等轴状；
⑶造成再结晶织构；
⑷采用磁场中退火。
3.铁磁体形成的条件？
答：⑴原子内部要有为填满的电子层，原子本征磁矩不能为0；
⑵交换积分常数A＞0，要有一定的晶体点阵结构，一定的交换能。
4.抗磁性、顺磁性产生机制。
答：⑴抗磁性：对于电子壳层已填满的原子，无外侧时，总磁矩为0；而在外场作用下由于电子的轨道运动，产生附加磁矩△P，方向与外磁场方向相反，产生抗磁性。
⑵顺磁性：原子固有磁矩不为0，无外场时，由于热运动，其原子磁矩取向是无序的，故总磁矩为0，外场作用下，原子磁矩沿外场取向。
5.技术磁化的机制，实质，几个过程。
答：（定义：有外场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程）
⑴①畴壁的迁移磁化（壁移磁化）；
②畴壁的旋转磁化（畴转磁化）。
⑵过程：①可逆迁移区；②不可逆迁移区；③旋转区。
⑶实质：外磁场对磁畴的作用过程，也即外磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程（磁矩沿外磁场转动。）
6.铁磁体的基本特征：
答：⑴自发磁化（最本质）原子磁矩自发有序排列；
⑵χ很大；
⑶磁滞回线：M（B）-H单值磁滞回线；
⑷Tc居里温度；
⑸各向异性；
⑹磁畴。
7..磁畴的大小和结构由哪些条件决定？
答：磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态的磁畴结构，应使这些能量之和为最小值。
8..磁化过程畴壁不可逆迁移机制：
答：畴壁发生巴克豪森跳跃，产生了强烈的磁化效应，即使出去外磁场也不能使畴壁回到原来位置，而是移到ЭE/ЭX=0处，故磁畴在外磁场方向保留了一定的剩余磁化性质。
9..凡是与自发磁化有关的参数都是组织不敏感量。饱和磁化强度Ms、饱和磁致
伸缩系数λs、磁晶各向异性常数k、居里点Tc。
10..凡与技术磁化有关的参数都是组织敏感量。矫顽力Hc、磁化率χ、磁导率μ、
剩余磁感应强度Br。
三、基本技能
1.分析应用。
⑴淬火刚回火：M与Ar分解引起饱和磁化强度Ms变化，由于多相系统Ms服从
相加原则。Ms随回火温度的变化作为相分析的依据，从而确定不同相发生分解的温度区间，判断生成相性质。
⑵过冷A等温转变：饱和磁化强度MS与过冷A的转变产物的数量成正比，可选
用Ms 作测量参考，从曲线的拐点判断A 等温转变曲线开始及终了时间。 ⑶测残A 。%100)()()(?-=
r
s M s r s a M M M α
第四章、材料的光学性质
一、基本概念
1.折射率：光在真空中和材料中的速率之比称为材料的折射率。ν
c
n = c ：光在真空中的速度；v ：光在介质中的速度；n ：介质折率。（光从真空射入介质发生折射时，入射角γ的正弦值与折射角β的正弦值的比值叫做介质的绝对折射率） 2.色散：材料的折射率随入射光的波长而变化的现象。
3.自发辐射：原子处于高能级，自发独立地向低能级跃迁，并发射一个光子的过程。
4.受激辐射：一个能量满足21E E h -=ν的光子趋于高能级E 2的原子时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子的过程。
二、基本理论
1.光通过介质会发生哪些现象？
答：折射、反射、透射、吸收、色散、散射、发光。
2.瑞利散射：Is ∝61
λ，当0a 《a 时，σ=4.当散射中心的线度远小于入射光的波
长时，散射强度与波长的四次幂成反比，这一关系为瑞利散射定律。
3.折射率本质：反映了材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性质或介电性质，正是因为介质的极化拖住了电磁波的步伐，使传播速度＜真空c 。
4.光与材料发生的相互作用实际是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。两种形式：
⑴电子极化：电磁辐射的电场分量与传播过程中的每一个原子发生作用，引起电子极化，即造成了电子云和原子核电荷重心发生相对位移，导致一部分能量被吸收，同时光的速度减小，导致折射率产生。
⑵电子能态转变：电子发生的能量变化νh E =?。
①原子中电子能级是分立的，能级间存在特定的△E ，因此，只有能量为△E 的
光子才能被该原子通过电子能态转变而吸收；
②受激原子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短期时间，它又会衰变回基态，同时发射电磁波，衰变途径不同，发射电磁波频率不同。
5.试说明r n ε=的物理意义。
答：（r r u n ε= εr 为材料在真空中的介电常数，μr 为材料在介质中的介电常数。因陶瓷等无机材料μr ≈1，故n ≈r ε可知介质的折射率随介质的介电常数εr 的增大而增大，εr 与介质的极化现象有关。）
当光的电磁辐射作用到介质上时，介质的原子受到加电场的作用而极化，正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负的中心发生相对移动，外电场增强，原子正负电荷中心距离增大。由于电磁辐射和原子的子体系相互作用，光波被减速，使传播速度恒小于真空中传播速度，导致折射的产生。 当离子半径增大时，其ε增大，n 也随之增大。 （介质的折射率与介质的介电常数r ε有关，r ε与介质极化现象有关。）
3.激光产生的条件。
答：⑴受激吸收（受激辐射）：为此要实现粒子束反转即12N N ＞，用光泵对激活介质（提供亚稳态能级）进行能量激励，使低能级粒子跃迁至高能级的亚稳态能级；
⑵自发辐射机率(受激辐射的机率):
①受激辐射激励光子来源自发辐射；
②光子谐振腔：激光光子→受激辐射→光放大；
③增益＞损耗。
⑶为产生激光，必须选择增益系数超过一定阀值的激活物质，在激光谐振腔的配合下，利用激光振荡，使轴方向传播的光波不断增强，并成为色彩极单纯，方向性极好能量密度极高的激光束。
4.光纤工作原理。
答：利用光的全反射原理，光纤由纤芯包层和涂敷层组成。包层的折射率比纤芯略低，两层间形成良好的光学界面。光线从一端以适当的角度入射纤维内部时，光纤内传播的光线发生全反射，无折射能量损失，这样光在内外两层之间产生反射而传到另一端。
5.极化有关、极化行为。
三、基本技能
第五章、材料的弹性及内耗分析
一、基本概念
1.内耗：一个固体材料棒即便是在真空中做弹性振动，它的振幅也会逐渐衰减，最后停止，说明振动能逐渐被消耗了。对于固体材料，这种内在的能量消耗称为内耗。
2.滞弹性：在弹性范围内，在交变载荷下表现为应变对应力的滞后。
3.弹性蠕变：物体受力后产生一部分应变，另一部分应变在一定时间内逐渐产生的现象。
4.弹性后效：去除外力后应变也并不立即消失，而是先消失一部分，另一部分也逐渐消失的现象。
二、基本理论
1.弹性模量的物理本质/弹性本质。
答：代表了产生单位应变所需施加的应力，是材料弹性形变难易的衡量；也表征着材料恢复形变前形状和尺寸的能力。从微观上讲。弹性模量代表了材料原子、离子或分子间的结合力。
2.表征材料原子间结合力的强弱的常用物理量参数有哪些？参数间的关系。 答：如：熔点、沸点、德拜温度的应力传播速度。 弹性模量与德拜温度：c M N k h A D 3131)43(ρπθ= 弹性模量与熔点：a m V kT E 100=
弹性模量与原子结构：
m a k
E =，a 为原子间距。 3.简要说明产生弹性的铁磁反常现象的物理本质及应用。
答：⑴未磁化的铁磁材料，在居里温度以下的弹性模量比饱和磁化状态的弹性模量低（△E 效应）；
⑵未磁化的材料由于自身存在自发磁化，它的各个磁畴的取向排列是封闭的，当这种材料在外力作用下发生弹性变形时，还将引起磁畴的磁矩转动，产生相应的磁致伸缩（力致伸缩）；
⑶在拉伸时，具有正的磁致伸缩的材料其磁畴矢量将转向垂直于拉伸方向，同样在拉伸方向产生附加伸长。
由此，一个未磁化（或未磁化到饱和）的铁磁材料在拉伸时的伸长由两部分组成：拉应力产生的伸长0??? ???L L 和磁致伸缩产生的伸长m ??? ???L L 。
4.BCC 间隙原子产生内耗的机制，间隙固溶浓度与内耗关系。
答：⑴间隙原子在点阵中引起的是不对称畸变，在应力作用下，溶质原子择优分布，即有序化，使相应方向伸长大于其他方向，该方向间隙位置能量比其他方向低，间隙原子沿该方向分布，产生应力感生有序化。
⑵溶质原子的有序是通过微扩散过程实现的，并由此而产生滞弹性行为，引起内耗，在一定温度下，由间隙原子在BCC 点阵中应力感生微扩散产生的内耗峰与溶质原子浓度成正比，浓度越大，内耗峰越高。
由于内耗峰的高度只是固溶体中间隙原子的量度，且随固溶体脱溶而下降，故用来研究过饱和固溶体第二相的沉淀。
5.钢的饱和磁化强度Ms 与过冷奥氏体的转变量成正比，因此，研究过冷奥氏体分解过程中各相的相对数量可用Ms 做为测量参数。
测量时，先将试样放在磁极之间的加热炉中加热到奥氏体温度，然后加上强磁场，奥氏体顺磁性，不发生偏转，再迅速将加热炉换成等温炉试试样等温淬火。这时分解A →P 、M 、B 为强铁磁相，随等温时间延长，Ms ↑，试样偏转角越大，将偏转角换算成转变量，可绘A 等温曲线。
不同温度下的转变开始时间和终了时间。
第六章、核物理检测方法及其应用
1.核磁共振：当交变磁场的频率v 满足hv= H g N N 时，其能量恰好是能级跃迁差，于是原子核便会强烈的吸收交变磁场的能量，而产生跃迁。
材料物理性能复习重点
经典自由电子理论推导 推导各向同（异）性材料的体膨胀系数和线膨胀系数的关系 二、计算题 在500单晶硅中掺有的硼，设杂质全部电离球该材料的电阻率，（设u= ，硅密度2.33g/cm^3,硼原子量为10.8） 假设X射线用铝材屏蔽，如果要是95%的X射线能量不能透过，则铝材的厚度至少要多少？铝的吸收系数为0.42cm-1 三、名词解释 马基申定则：总的电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻（与温度无关）。 本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶 介质损耗：电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量成为电介质的介质损耗磁化：任何物质处于磁场中，均会使其所占有的空间的磁场发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性，该现象称为磁化（单位体积的磁矩称为磁化强度）本征磁矩：原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成的原子固有磁矩称为本征磁矩 自发磁化：在铁磁物质内部存在着很强的与外磁场无关的“分子场”，在这种分子场作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发的磁化至饱和， 磁畴：居里点下，铁磁体自发磁化成若干个小区域，称为磁畴 磁晶各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的，称为~ 形状各向异性：不同形状的试样磁化行为是不同的，该现象称为~ 磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化这种现象称为~ 技术磁化：在外磁场作用下铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和状态的内部变化过程 双光束干涉：两束光相遇后，在光叠加区，光强重新分布，出现明暗相间，稳定的干涉条纹（条件：频率相同振动方向一致，并且有固定的相位关系） 衍射：光波遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物进入几何阴影区。 色散：材料的折射率随入射光的波长而变化 折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率减小而减小的性质 双折射：由一束入射光折射后分成两束光的现象。符合折射率的是寻常光，不然是非常光二向色性：晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性 四、问答题 1.经典自由电子理论与量子自由电子理论异同 同：金属晶体中，正离子形成的电场是均匀的，价电子是自由的， 异：经典理论认为没有施加外电场时，自由电子沿各个方向运动的几率相同，不产生电流？ 量子理论认为每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子有不同的能级。 2.评价电介质的主要电学性能指标有哪些？ 介电常数、耐电常数、损耗因数、体电阻率和表面电阻率、前三个属于介电性，后者导电性3.电介质的极化基本形式 电子式极化、离子式极化、偶极子极化、空间电荷极化
材料物理性能期末复习题
期末复习题 一、填空（20） 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈 介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 ．当磁化强度M为负值时，固体表现为抗磁性。8．电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 9．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 10．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。11．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 12．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子。 13．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 14．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 15.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。16．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 17．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 18．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 19．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 20．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 22.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 24.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 25.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释(20) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。
材料物理性能及材料测试方法大纲、重难点
《材料物理性能》教学大纲 教学内容: 绪论(1 学时) 《材料物理性能》课程的性质,任务和内容,以及在材料科学与工程技术中的作用. 基本要求: 了解本课程的学习内容,性质和作用. 第一章无机材料的受力形变(3 学时) 1. 应力,应变的基本概念 2. 塑性变形塑性变形的基本理论滑移 3. 高温蠕变高温蠕变的基本概念高温蠕 变的三种理论 第二章基本要求: 了解:应力,应变的基本概念,塑性变形的基本概念,高温蠕变的基本概念. 熟悉:掌握广义的虎克定律,塑性变形的微观机理,滑移的基本形态及与能量的关系.高温蠕变的原因及其基本理论. 重点: 滑移的基本形态,滑移面与材料性能的关系,高温蠕变的基本理论. 难点: 广义的虎克定律,塑性变形的基本理论. 第二章无机材料的脆性断裂与强度(6 学时) 1.理论结合强度理论结合强度的基本概念及其计算 2.实际结合强度实际结合强度的基本概念 3. 理论结合强度与实际结合强度的差别及产生的原因位错的基本概念,位错的运动裂纹的扩展及扩展的基本理论 4.Griffith 微裂纹理论 Griffith 微裂纹理论的基本概 念及基本理论,裂纹扩展的条件 基本要求: 了解:理论结合强度的基本概念及其计算;实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件熟悉:理论结合强度和实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件. 重点: 裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件难点: Griffith 微裂纹理论的 基本概念及基本理论 第三章无机材料的热学性能(7 学时) 1. 晶体的点阵振动一维单原子及双原子的振动的基本理论 2. 热容热容的基本概念热容的经验定律和经典理论热容的爱因斯坦模型热容的德拜模型 3.热膨胀热膨胀的基本概念热膨胀的基
材料物理性能考试复习资料
1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。 2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为 奥氏体相变点，弹性模量单调下降，但超过相变点，弹性校模量会突然上升，然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生，膨胀系数急剧减小，使得弹性模量突然降低所致。 3. 不同材料的弹性模量差别很大，主要是因为材料具有不同的结合键和键能。 4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合 力。对于一定的材料它是个常数。 弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同，没有定量关系。（☆） 5. 材料的断裂强度：a E th /γσ= 材料断裂强度的粗略估计：10/E th =σ 6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近 绝对零度时，热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。 7. 德拜温度意义: ① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别，就是由德拜温 度θD 来划分这两个温度区域: 在低θD 的温度区间，电阻率与温度的5次方成正比。 在高于θD 的温度区间，电阻率与温度成正比。 ② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。 ③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时，对所有的物质都具有 相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上， 徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。 8. 固体材料热膨胀机理： （1） 固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升 高而增大。 （2） 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升 高，热缺陷浓度呈指数增加，这方面影响较重要。 9. 导热系数与导温系数的含义: 材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率，热导率越高，温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高，趋向于稳定的速度越快。 即:热导率大，稳定后的温度梯度小，热扩散率大，更快的达到“稳定后的温度梯度”（☆） 10. 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称为抗热震 性。 热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 11. 提高材料抗热冲击断裂性能的措施 ①提高材料强度σ，减小弹性模量E ，σ/E 增大，即提高了材料柔韧性，这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细，晶界缺陷小，气孔少且分散者，强度较高，抗热冲击断裂性较好。
材料物理性能课后习题答案
材料物理性能习题与解答
目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37)
1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变
1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为
材料物理性能
材料物理性能 第一章、材料的热学性能 一、基本概念 1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Q c ??= 2.比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[ 与 物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ??=1 3.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。 4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容： 5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供 给 物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。 6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。t l l l ?=?α0 8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。t V V t t V ??= 1α 9.热导率（导热系数）λ：在 单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。（标志 材 料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。 10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。）。 二、基本理论
1.德拜理论及热容和温度变化关系。 答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。 ⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数； ②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波； ③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类； ④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位hν的整数倍。 ⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。 ②当T《θD时，Cv,m∝3T。 ③当T→0时，Cv,m→0，与实验大体相符。 ⑷不足：①由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用； ②晶体不是连续介质，德拜理论在低温下也不符； ③金属类的晶体，没有考虑自由电子的贡献。 2.热容的物理本质。 答：温度一定时，原子虽然振动，但它的平衡位置不变，物体体积就没变化。物体温度升高了，原子的振动激烈了，但如果每个原子的平均距离保持不变，物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。 【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系； ⑵对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能力也不同； ⑶温度升高，晶格的振幅增大，该频率的声子数目也增大； ⑷温度升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】 3.热膨胀的物理本质。 答：由于原子之间存在着相互作用力，吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关（是非线性关系，引力、斥力的变化是非对称的），两原子相互作用是不对称变化，当温度上升，势能增高，由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。 ⑴T↑原子间的平均距离↑r＞r0吸引合力变化较慢 ⑵T↑晶体中热缺陷密度↑r＜r0排斥合力变化较快 【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大（微观），宏观表现为体积、线长的增大】 4.固体材料的导热机制。 答：⑴固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。 ①纯金属：电子导热是主要机制； ②合金：声子导热的作用增强； ③半金属或半导体：声子导热、电子导热； ④绝缘体：几乎只有声子导热一种形式，只有在极高温度下才可能有光子导热存在。 ⑵气体：分子间碰撞，可忽略彼此之间的相互作用力。 固体：质点间有很强的相互作用。 5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8 ⑴①有潜热，热容趋于无穷大；⑵①无潜热，热容有突变
《材料物理性能》课后习题答案
1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力
材料物理性能考试重点、复习题电子教案
材料物理性能考试重点、复习题
精品资料 1.格波：在晶格中存在着角频率为ω的平面波，是晶格中的所有原子以相同频率振动而 形成的波，或某一个原子在平衡附近的振动以波的形式在晶体中传播形成的波 2.色散关系：频率和波矢的关系 3.声子：晶格振动中的独立简谐振子的能量量子 4.热容：是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需要增加的能量。 5.两个关于晶体热容的经验定律：一是元素的热容定律----杜隆-珀替定律：恒压下元素的 原子热容为25J/(K*mol);另一个是化合物的热容定律-----奈曼-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。 6.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀 7.固体材料热膨胀机理：材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶 格结点上原子振动的平衡位置间的距离。材料温度一定时，原子虽然振动，但它平衡位置保持不变，材料就不会因温度升高而发生膨胀；而温度升高时，会导致原子间距增大。 8.温度对热导率的影响：在温度不太高时，材料中主要以声子热导为主,决定热导率的因 素有材料的热容C、声子的平均速度V和声子的平均自由程L,其中v通常可以看作常数,只有在温度较高时,介质的弹性模量下降导致V减小。材料声子热容C在低温下与温度T3成正比。声子平均自由程V随温度的变化类似于气体分子运动中的情况，随温度升高而降低。实验表明在低温下L值的变化不大，其上限为晶粒的线度，下限为晶格间距。在极低温度时，声子平均自由程接近或达到其上限值—晶粒的直径；声子的热容C则与T3成正比；在此范围内光子热导可以忽略不计，因此晶体的热导率与温度的三次方成正比例关系。在较低温度时，声子的平均自由程L随温度升高而减小，声子的热容C仍与T3成正比，光子热导仍然极小，可以忽略不计，此时与L相比C对声子热导率的影响更大,因此在此范围内热导率仍然随温度升高而增大,但变化率减小。 在较高温度下，声子的平均自由程L随温度升高继续减小,而声子热容C趋近于常数,材料的热导率由L随温度升高而减小决定。随着温度升高,声子的平均自由程逐渐趋近于其最小值,声子热容为常数,光子平均自由程有所增大,故此光子热导逐步提高,因此高温下热导率随温度升高而增大。一般来说,对于晶体材料，在常用温度范围内，热导率随温度的上升为下降。 9.影响热导率的因素:1）温度的影响，一般来说，晶体材料在常用温度范围内，热导率随 温度的上升而下降。2）显微结构的影响。3）化学组成的影响。4）复合材料的热导率 10.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。 11.常用热分析方法：1）普通热分析法2）差热分析3）差示扫描量热法4）热重法 12.光折射：当光依次通过两种不同介质时，光的行进方向要发生改变，这种现象称为折 射 13.光的散射：材料中如果有光学性能不均匀的结构，例如含有透明小粒子、光性能不同 的晶界相、气孔或其他夹杂物，都会引起一部分光束偏离原来的传播方向而向四面八方散开来，这种现象称为光的散射。 14.吸收：光通过物质传播时，会引起物质的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一 部分转变为热能，导致光能的衰减的现象 15.弹性散射：光的波长（或光子能量）在散射前后不发生变化的，称为弹性散射 16.按照瑞利定律，微小粒子对波长的散射不如短波有效，在可见光的短波侧λ=400nm 处，紫光的散射强度要比长波侧λ=720nm出红光的散射强度大约大10倍 17.色散：材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为材仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
材料物理性能思考题
材料物理性能思考题 第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？
9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义
武汉理工材料物理性能复习资料
第一章 一、基本概念 1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。 2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。 3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。 4．滞弹性：对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之消除，但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 二、基本理论 1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。 金属与非金属晶体滑移难易的对比 金属非金属 由一种离子组成组成复杂 金属键物方向性共价键或离子键有方向性 结果简单结构复杂 滑移系统多滑移系统少 2．无机材料高温蠕变的三个理论 ○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。 ○2扩散蠕变理论：高温下的蠕变现象和晶体中的扩散现象类似，并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式。 ○3晶界蠕变理论：多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。 第二章 一、基本概念 1．裂纹的亚临界生长：裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称为静态疲劳。 2．裂纹扩展动力：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能，反之，前者小于后者，则裂纹不会扩展。将上述理论用于有裂纹的物体，物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展动力。
材料物理性能期末复习重点-田莳
1.微观粒子的波粒二象性 在量子力学里，微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性。 2.波函数及其物理意义 微观粒子具有波动性，是一种具有统计规律的几率波，它决定电子在空间某处出现的几率，在t 时刻，几率波应是空间位置（x,y,z,t)的函数。此函数 称波函数。其模的平方代表粒子在该处出现的概率。 表示t 时刻、 （x 、y 、z ）处、单位体积内发现粒子的几率。 3.自由电子的能级密度 能级密度即状态密度。 dN 为E 到E+dE 范围内总的状态数。代表单位能量范围内所能容纳的电子数。 4.费米能级 在0K 时，能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满，能量大于费米能级的全部为空。故费米能是0K 时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。 5.晶体能带理论 假定固体中原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动，称单电子近似。用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论，称能带理论。 6.导体，绝缘体，半导体的能带结构 根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很 大。在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带E g ，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(E g 小) ，电子跃迁比较容易 1.电导率 是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两 端 时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。电导率 是以欧姆定律定义为电流密度 和电场强度 的比率： κ=1/ρ 2.金属—电阻率与温度的关系 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，当电子波通过一个理想品体点阵时(0K)，它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子被才受到散射(不相干散射)，这就是金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原于、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。 金属电阻率在不同温度范围与温度变化关系不同。一般认为纯金属在整个温度区间产生电阻机制是电子-声子（离子）散射。在极低温度下，电子-电子散射构成了电阻产生的主要机制。金属融化，金属原子规则阵列被破坏，从而增强了对电子的散射，电阻增加。 3.离子电导理论 离子电导是带有电荷的离子载流子在电场作用下的定向移动。一类是晶体点阵的基本离子，因热振动而离开晶格，形成热缺陷，离子或空位在电场作用下成为导电载流子，参加导电，即本征导电。另一类参加导电的载流子主要是杂质。 离子尺寸，质量都远大于电子，其运动方式是从一个平衡位置跳跃到另一个平衡位置。离子导电是离子在电场作用下的扩散。其扩散路径畅通，离子扩散系数就高，故导电率高。 4.快离子导体（最佳离子导体，超离子导体） 具有离子导电的固体物质称固体电解质。有些
材料物理性能.
※ 材料的导电性能 1、 霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两 个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。 形成的电场E H ，称为霍尔场。表征霍尔场的物理参数称为霍尔系数，定义为： 霍尔系数R H 有如下表达式：e n R i H 1 ± = 表示霍尔效应的强弱。霍尔系数只与金属中自由电子密度有关 2、 金属的导电机制 只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。 利用能带理论严格导出电导率表达式： 式中： nef 表示单位体积内实际参加传导过程的电子数； m *为电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。 此式不仅适用于金属，也适用于非金属。能完整地反映晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，它将不受散射而无阻碍的传播，这时 电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射(不相干散射)，这就会产生电阻——金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。 3、 马西森定律 （P94题11） 试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时威慑年电阻测量要在低温下进行。 马西森（Matthissen ）和沃格特（V ogt ）早期根据对金属固溶体中的溶质原子的浓度较小，以致于可以略去它们 之间的相互影响，把金属的电阻看成由金属的基本电阻ρL(T)和残余电阻ρ?组成，这就是马西森定律（ Matthissen Rule ），用下式表示： ρ?是与杂质的浓度、电缺陷和位错有关的电阻率。 ρL(T)是与温度有关的电阻率。 4、 电阻率与温度的关系 金属的温度愈高，电阻也愈大。 若以ρ0和ρt 表示金属在0 ℃和T ℃温度下的电阻率，则电阻与温度关系为: 在t 温度下金属的电阻温度系数： 5、 电阻率与压力的关系 在流体静压压缩时，大多数金属的电阻率降低。 在流体静压下金属的电阻率可用下式计算 式中：ρ0表示在真空条件下的电阻率；p 表示压力；φ是压力系数(负值10-5~10-6 )。 正常金属（铁、钴、镍、钯、铂等），压力增大，金属电阻率下降；反常金属（碱土金属和稀土金属的大部分） 6、 缺陷对电阻率的影响：不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同，空位和间隙原子对剩余电阻率的影响和金属 杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2) 可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
《材料物理性能》课程教学大纲-r
《材料物理性能》课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：材料物理性能 英文名称：Properties of Material Physics 二、课程代码及性质 课程代码: 0801151 课程性质:学科专业基础课程, 必修课 三、学时与学分 总学时：32（理论学时：32学时；实践学时：0学时） 学分：2 四、先修课程 大学物理、材料科学基础、热处理原理与工艺 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业开设 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 本课程的教学目的: 1. 系统掌握材料物理性能方向的专业知识，具备应用这些知识分析、解决材料科学与工程专业中的功能材料选择和应用技术复杂问题的能力； 2. 掌握各种物理性能的本质，具备独立进行物理性能分析和测量的能力； 3. 理解不同类型物理性能与材料的不同层次的结构和组织之间的对应关系，具备基于材料成分、结构设计开发新型功能材料的能力；同时，具备基于材料物理性能的研究，实现对材料结构和相变（结构变化）的表征的能力； 4．了解功能材料及制备和应用技术的发展前沿，掌握其发展特点与动向。
七、教学重点与难点： 教学重点：
材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能基于材料成分、结构和组织微观本质。 教学难点： 材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能的微观机理和宏观性能内在联系的定量描述，以及各种性能之间的逻辑关系。 八、教学方法与手段： 教学方法： (1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成; (2)安排适量的课堂讨论环节,使学生通过课下的资料查阅而掌握基本的专业资料获取方法、途径、整理归纳和讲演能力。 教学手段： (1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观; (2)收集典型功能材料应用实物,在课堂上进行针对性讲授。 九、教学内容与学时安排 （1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表2所示。 （2）具体内容 各章节的具体内容如下： 第一章材料物理性能概论(2学时) 1.1材料的分类 1.2材料物理性能本构关系 1.3材料物理性能的研究方法及描述 1.4数值分析方法在材料物理性能研究中的应用 1.5功能材料的性能、应用与发展 第二章材料的电学性能(6学时) 2.1 概念和原理 2.2 导体、绝缘体和半导体的能带 2.3 金属的导电性 2.4 离子导体 2.5 半导体的电学性能 2.6 超导电性
《材料物理性能》王振廷版课后答案106页要点
1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。 a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度M b、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。 d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。 e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。 M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。 f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度） g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（J/m3） h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。 i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。 2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩？Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么？
Gd3+有7个未成对电子,Cr3+ 3个未成对电子. 所以, Gd3+的离子磁矩为7μB, Cr3+的离子磁矩为3μB. 3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子磁矩低的原因是什么？ 4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。
材料物理性能
材料物理性能 热容的基本概念 当物质吸收热量温度升高时，温度每升高1K所吸收的热量称为该物质的热容。系统的温度升高1K所需的热称为该系统的热容（符号C，单位J/K）。 爱因斯坦模型 爱因斯坦应用量子论的观点，于1907年提出的计算固体热容的原子振动的简单模型。爱因斯坦模型指出：①固体内原子均以同一特征频率v振动,②每一原子有三个振动自由度，③可以将黑体辐射的普朗克公式应用到固体中原子的振动上去，且每一振动自由度的振子作为线性振子而具有平均能量。 当T》θE时得C V,m≈3R，同用能量均分定理得到的结果一致。当T<<θE时,,随着T→0而指数地趋于零，同实验结果大致相符，解决了杜隆－珀替定律不能解释的低温下固体热容同温度有关的实验事实，但在低温下毕竟下降得快了些。 德拜模型 每一个独立谐振子的振动是一种简正振动模式，弹性媒质的一种简正振动模式是具有一定频率、波长和传播方向的弹性波。 为把固体看作是连续的弹性媒质，德拜模型只考虑那些频率非常低（近似取为零）直到极限频率Vm范围内的振动模式。由于n的数目很大，3n种振动频率可看作是连续分布在零到Vm区间内，则3n个不同频率的独立谐振子的总能量就由分立的求和变为积分，Uo是同温度无关的常数，ρ(v)称频率分布函数。（具体教材P7） 热膨胀的物理本质及影响因素 A：物理本质：材料热膨胀的物理本质是质点振动的非简谐效应。 （1）质点在平衡位置两侧受力不对称，质点振动时的平均位置不在r0处，而要向右移。因此相邻质点间平均距离增加。温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间平均距离就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。(双原子模型)P20 （2）用势能曲线解释 势能曲线不是严格对称抛物线。 势能随原子间距的减小，比随原子间距的增加而增加得更迅速。 原子的能量随温度的增加而增加，温度越高，平均位置移得越远，引起晶体的膨胀。B：影响因素： 1.相变的影响一级相变：伴随比热容的突变，相应的膨胀系数将有不连续变化，其转变点处膨胀系数将为无限大。二级相变：相变点处膨胀系数曲线有折点。 2.成分和组织的影响形成固溶体时，一般溶质元素的膨胀系数高于溶质基体时，将增大膨胀系数；结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小；若果材料由不同结构和性能的相机械混合而成，各相膨胀系数的差异导致内应力，而内应力将抑制物体的热膨胀。 3.各向异性的影响晶体的各向异性膨胀，各层间的结合力不同引起热膨胀不同。 4.铁磁性转变对于铁磁性的金属和合金，膨胀系数随温度变化将出现反常，即在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰。 膨胀分析法确定钢的组织转变温度 在组织转变之前或转变之后，试样的膨胀或收缩时单纯由温度变化引起的。在组织转变的温度范围内，除单纯由温度引起的长度变化外，又附加了组织转变的体积效应，由于附加的膨胀效应，膨胀曲线偏离一般规律。因此，在组织转变开始和转变终了时，曲线便出现了拐点，拐点即对应转变的开始及终了温度。P32