材料物理性能

材料物理性能

第一章材料热学性能

一(热容的定义，热容的来源以及热容随温度的变化规律

热容:是问题温度每升高1K，物质所需要增加的能量被称为热容。

热容的来源:温度升高导致原子热振动加剧，点阵离子振动以及体积膨胀需要向外做功，同时自由电子对热容也有贡献，但只在温度极端的情况下才发生。

热容随温度的变化规律:热容反映了材料从周围环境吸收能量的能力，不同温度时，热容不同。定容热容与定压热容有相似规律。

当温度较高时，定压热容变化趋势平缓

当温度较低时，定压热容与T3成正比;

当温度趋于0K时，定压热容与T成正比;

当温度等于0K是，定压热容也等于0K。

二(热容的德拜模型以及其局限性

答:晶格点阵结构对热容的作用主要表现在弹性波的振动上，即波长较长的声频支的振动在低温下起主导作用，由于声频支的波长大于晶格常数，故可以将晶格看成是连续的介质，声频支也可以看成是连续的具有0-Wmax的谱带的振动。

由此，可导出定压热容的公式:Cv,m=12/5π4R(T/θD)3

由此公式可得:

1)当温度大于德拜温度时，即处于高温区，定压热容=3R，与实验结

果相符合;2)当温度小于德拜温度时，定压热容与T3成正比，比爱因斯坦模型更接近于实验结果;3)当温差极低时(趋近于0K时)，定压热容趋近于0，大体与实验结果相符。

德拜模型的局限性:

因为德拜模型把晶格点阵考虑成连续的介质，故对于原子振动频率较高的部分并不适用，故德拜模型对于一些化合物的计算与实验结果不相符;2)对于金属类晶体，忽略了自由电子的贡献，所以在极端温度条件下与实验结果不符;3)解释不了超导现象。

三(热膨胀的定义及其物理机制

热膨胀:热膨胀是指随着温度的升高，材料发生体积或者长度增大的现象。

热膨胀的物理机制:随着温度的升高，晶体中的的原子振动加剧，相邻原子之间的平衡间距也随温度的变化而变化，因此温度升高产生热膨胀的现象。

四(热膨胀与其他物理量之间的关系。

热膨胀是原子间结合力的体现，原子间的结合力越大，热膨胀系数越小。

热膨胀系数与热容的关系:热膨胀系数与热容成正比，有相似的温度依赖关系。

热膨胀系数与熔点的关系:熔点越高，原子间的结合力越大，热膨胀系数与熔点成反比。热膨胀系数与德拜温度之间的关系:德拜温度越高，热膨胀系数越小，德拜温度越高，原子间的结合力越大。

热膨胀系数与原子序数的关系:对于第一主族，原子序数增加热膨胀系数增加。对于其他主族元素，原子序数增加热膨胀系数降低。

五(影响材料热膨胀系数的因素

相变的影响:一级相变有相变潜热，有体积突变，热容和热膨胀系数发生突变。

二级相变没有相变潜热，没有体积突变，热容和热膨胀系数发生突变。成分和组织的影响:1)对于固溶体:与溶质元素的热膨胀系数有关，如果溶质元素的热膨胀系数高于溶剂基体，将增大热膨胀系数;2)相同结构的晶型:排列紧密的热膨胀系数大。3)铁磁性转变的影响。4)晶体各向异性的影响。

六(材料热传导的定义以及其机制(按金属、半导体、绝缘体划分)

热传导的定义:两个不同温度的物质或区域在相互接触或靠近时，会以传热的形式产生能量的传递，此过程被称为热传导

热传导的机制:热传导的载体主要有三种:1)声子传导;2)电子传导;3)光子传导。

1)金属的导热机制:电子传导为主;

2)半导体的导热机制:声子传导和电子传导作用大体相当;

3)绝缘体的导热机制:声子传导占主要的地位。

七(影响热传导的因素

答:对金属热传导的主要由两种原因:1)声子的阻碍2)缺陷的阻碍。

1)温度对金属热传导的影响:高温下，金属热传导的阻碍作用主要以声子为主;低温下，缺陷阻挡起主要作用;中温:声子阻挡和缺陷阻挡痛

失存在;

对于纯金属来说:只有声子阻挡，温度升高电子的平均自由程，一般热导率随温度的升高而降低。

对于合金来说:存在声子阻挡和缺陷阻挡，由于异类原子的存在，温度对电子平均自由程的影响很小，故热导率随温度的升高而升高。

对于玻璃态来说:一般有热导率随温度升高而增大的规律。

2)原子结构对热传导的影响:金属的电导率越高，热导率也越高。

3)合金成分和晶体结构对热导率的影响:合金中加入杂质元素使杂质缺陷形成增加热阻挡作用，使导热率降低，杂质原子原子和金属原子结构差异越大，影响越大。

4)气孔率对热导率的影响:有气孔率越大，热导率越低。

八(热稳定性的定义、分类和影响热稳定性的因素

热稳定性的定义:物质承受温度急剧变化而不发生破坏的能力。

热稳定性的分类:1)在热循环冲击的作用下，物质表面发生脱落，并不断发展

最终形成变质或碎裂，抵抗这类破坏的能力被称为抗热冲击损伤性;2)材料发生瞬

时断裂，抵抗这类破坏的能力被称为抗热冲击断裂性。

影响热应力的因素:热应力影响材料断裂破坏，还涉及材料的散热问题，散热

使热应力得到缓解。

1)材料的热导率越高，热应力持续的时间越短，金属的热稳定性越好。

2)传热的途径:材料或制品的薄厚程度，薄的材料传热通道，很容

易使温度均匀。

3)材料表面散热速率:材料表面内外温差过大，热应力也大

此外，影响热应力的因素还有材料中应力的分布，产生的速率和持续时间以及

材料时候出现热应力断裂、材料特性以及原先存在的裂纹、缺陷有关。

九(提高材料热稳定性的办法

1)提高材料的导热率

2)减小材料的热膨胀系数

3)降低材料表面的散热速率

4)将材料制备得更轻薄

5)提高材料的强度，减小弹性模量，这意味着提高材料的柔韧性。

第二章材料的电学性能

一(材料的电学性能包括:导电性，超导电性，介电性，磁电性，热电性，接触

电性，热释电性和压电性，光电性。

二(导电性(描述导电性的物理量有:电阻R、电导率和电阻率)(三者之间的关系) 根据电阻率可以把材料分为导体、半导体和绝缘体

三(造成材料导电性差异的主要原因,

答:造成材料导电性差异的主要原因与1)能带结构及2)其被电子填充的性质有关。

1)晶体的能带分为:价带、禁带和导带。晶体的导电性是其能带分布的反映。其价带是否被填满，是否存在禁带，以及禁带宽度的大小等因素决定其导电性能。例如1)金属导体无禁带——a.价带和导带重叠或相

接;b.价带未被价电子填满，价带本身就是导带。故价电子就是自由电子，所以即使金属在很低的温度下也存在大量的自由电子，故具有很强的导电能力;2)非导体存在禁带——在绝对零度时，其能带分布情况是满价带和空导带且有禁带，故基本无导电能力。3)半导体和绝缘体存在禁带，但由于禁带宽度不同而造成导电能力的差异，半导体的禁带宽度小，在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空缺，故有一定的导电能力。而绝缘体的禁带宽度打，在室温下，几乎没有价电子能跃迁到价带中去，故基本没有自由电子和空缺，从而几乎没有导电能力。

四(金属电阻产生的主要机制及其产生的电阻随温度的变化规律。

电阻的本质:根据量子理论，在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶体点阵中定向传播，在此传播过程中受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。

电阻产生的机制:1)晶体点阵离子的热振动，对电子波产生散射;2)晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射;3)晶体点阵存在杂质原子、晶体缺陷(完整性被破坏)对电子波产生散射。

1)一般规律:

由马西森定律 P=P(T)+Pc可以看出，高温时金属电阻率取决于基本电阻，低温时取决于残余电阻，故0K时，电阻率的大小决定于晶体缺陷的类型和数量，纯净

无缺陷的金属，其电阻率等于0，随温度的升高金属的电阻率也增加。当温度极低时，电子散射占主导地位，声子散射很弱，

基本电阻与温度的平方成正比;随着温度的升高声子散射的作用逐渐加强，并占主导地位，当T《德拜温度时，基本电阻与温度的五次方成正比;当T》2/3德拜温度，德拜温度小于500K时，对于非过渡族金属，基本电阻与温度成正比。

2)过渡族金属:线性关系在室温上被破坏

3)对于多晶型金属:不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，因而电阻率随温度变化将发生突变。

4)铁磁材料:由于在一定温度下会发生铁磁-顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系的反常。

五(受力情况的影响:在弹性范围内，单向拉伸或扭转应力能提高金属的电阻率，在受压力的情况下电阻率降低。

冷加工的影响:冷加工的形变使金属的电阻率提高。

晶格缺陷的影响:晶格缺陷使金属的电阻率提高。

热处理的影响: 冷加工后，再退火，可使电阻降低。当退火温度接近于再结晶温度时，可降低到冷加工前的水平。但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而增大。淬火能产生残余电阻。淬火温度越高，残余电阻越大。

几何尺寸的影响:当试样的尺寸与导电电子的平均自由程在同一数量级时，电子在表面发生散射，产生附加电阻。

六(一般晶体表现为各向同性，但对称性较差的单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性。

七(本征半导体的导电机制及电学性质:

本征半导体:纯净无结构缺陷的半导体晶体。

导电机制:在绝对零度和无外界影响的条件下，本征半导体的满带被电子占满，空带中无电子，故不导电。在温度升高、光照等热激发(本征激发)条件下，价电子从外界获得能量，部分价电子获得足够的能量跃迁到空带中去。此时空带中有了电子成为导带，满带中部分价电子跃迁形成空穴，成为价带。自由电子和空穴在外电场的作用下定向移动，形成电流，故能导电。空穴和自由电子都能导电，统称载流子。

本征半导体的电学性质:

本征激发成对产生的自由电子和空穴，所以两者浓度相等，等于本征载流子浓度ni

1)ni与禁带宽度成反比，即禁带宽度越宽，价电子跃迁所需要的能量越大，所产生的ni越小，故导电性能越差。

2)ni.与温度成正比，即温度升高，价电子获得的外界能量越多，ni越大，导电性能越好。

3)ni与原子密度相比是极小的，因此，室温下，本征半导体的载流子浓度很小，导电能力很弱。

八(什么是参杂半导体,分类及导电机制。

在本征半导体中人为地掺入五价元素和三价元素，分别获得N (电子)型和

P(空穴)型杂质半导体。

N型半导体:在本征半导体中掺入5价的杂志，获得电子型的杂质半导体。由于掺入五价元素中的四个价电子与周围的原子形成共价键，余下的一个电子的能级非常接近导带能量，使其在常温下进入导带成为自由电

子，因此掺杂后的半导体导带中的自由电子明显增多，导电能力增强。我们把这个五价元素称为施主杂质，电子称为多子(多数载流子)。

P型半导体:在本征半导体中掺入3价的杂质，获得空穴型的杂质半导体。由于掺入三价元素中的价电子与周围原子形成共价键时，缺少一个价电子，形成一个空穴，因此参杂后的半导体价带中的空穴明显增多，导电能力随之增强。我们把这个三价元素称为受主杂质，空穴是多子。

杂质半导体与本征半导体的区别:

1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但能使载流子浓度显著增大，导电能力因而显著增强。掺杂浓度越大，导电能力越强。

2)掺杂只能使一种载流子浓度增强，因此杂质半导体主要靠多子导电。P型半导体主要靠空穴导电，N型半导体主要靠自由电子导电。

九(PN结的形成及其特性

PN结是指同一块半导体单晶中，由P型半导体与N型半导体界面相接附近形成的特殊区域，是构成半导体电子元件的基本单元。

PN结工艺的实质是:P型掺杂与N型掺杂之间通过扩散实现杂质互补。

PN结形成的过程:1)载流子的浓度差导致载流子的扩散运动;2)扩散运动形成空间电荷区(阻挡层);3)内电场使扩散与漂移达到动态平衡。

PN结的特性:单向导电性;具体:1)外加正向电压时:由于外部施加的正电压与内电场电位差方向相反，阻挡层变窄，消失，内电场减小消失，电阻减小。2)外加反向电压时:由于外部施加电压与内电场电位差方向相同，阻挡层增大，内电场增大，电阻急剧增大。

十(超导体的特性及其物理机制，评价超导体性能的主要参数

将超导体冷却到某一临界温度(TC)以下时电阻突然降为0的现象成为超导体的零电阻现象。材料失去电阻的状态称为超导态，具有超导态的材料称为超导体。

超导体的性能:1)完全导电性:超导体在超导态是等电位的，电阻为0;2)完全抗磁性:当超导体处于超导态时，只有外界磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体

就会把穿透到体内的磁力线完全排斥到体外，在超导体内保持磁感应强度为0.这种现象被称为“迈斯纳效应”。

影响超导电性的因素:1)温度—超导体必须冷却到某一临界温度以下才能保持超导性。

2)临界电流密度—如果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过了临界磁场，超导体会被破坏。

3)临界磁场-施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。超导现象的物理机制:由于超导体中的电子存在超导态，电子之间存在特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力，这种吸引力使电子双双结成电子对，称为库伯电子对，它是超导态电子与晶格点阵间相互作用的结果。材料变成超导态后，由于电子结成库伯对，使能量降低从而成为稳定态，一个超导态的库伯电子的能量比形成它单独的两个正常态电子的能量低2Δ，这个降低的能量称为超导体的能隙。当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量，能隙减小，电子对被拆分为正常态电子，超导态转化为正常态。由于超导态电子在运动中保持总动量不变，也就是超导态电子在运动中不消耗能量，因此表现出零电阻特性。

十一(接触电性:当两种材料在他们的接触界面上产生载流子的某种

行为，因为产生两种材料单独存在时没有的新的电学效应，称为接触电性。

当金属-金属接触时，由于电子扩散在接触界面区域形成MM结，产生一定的电位差，产生接触电位差的机制有:1)自由电子逸出金属表面所需要的最小能量称为逸出功，由于两种接触金属的逸出功不同，在交界面就会发生电子扩散时，接触界面形成空间电位场，阻止电子继续扩散，电子扩散与电子漂移互相竞争，最终扩散力与电场力达到动态平衡状态，就形成了一定的电位差，即接触电位差;2)由于两种金属自由电子密度不同，当电子发生扩散时，接触界面形成空间电场，同(1)，

扩散和漂移相互竞争，最后达到平衡状态，形成一定的电位差。金属的接触电位差为上述两个原因形成电位差的叠加。

十二(金属热电性及其物理机制

热电性:材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流，因为电流、热流都与电子的运动有关，故电位差、温度差、热流、电流之间存在着交叉联系，构成热电效应。

热电效应分为

1)第一热电效应——塞贝克效应

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，这种现象称为塞贝克效应。

第一热电效应的机制:1)由于同一导体两段处于不同温度，热端的高能电子向冷端热扩散，这样就在金属内部产生一个阻止电子进一步扩散的温差电场，当扩散和漂移平衡时，形成了稳定的电位差，温度越高，电位差越大;2_同时不同导体相互接触，产生接触电位差，不同温度下接触

电位差不同。两者的叠加是导致第一热电效应的原因。

2)第二热电效应——波尔贴效应

当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热以外，还在两接头处吸收或放出热量，这种现象称为波尔贴效应。

第二热电效应的机制:由于接触电位区的存在，电子在通过接触电位区时，由于接触电位差产生的电场力阻碍了电子运动，使之减速，动能减小。减速的电子与金属原子相碰，又取得了动能，吸热，从而该处的温度降低。而相反，反向运动的电子通过接触电位区时被加速，与原子碰撞后把获得的动能交给金属原子，放热，从而该处温度升高。

3)第三热电效应——汤姆逊效应:当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一个横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度方向而定、第三热电效应的机制:由于导体温度梯度的存在，高温段的电子就要向低温端扩散，而高温段由于失去电子带正电，低温段得到电子带负点，就形成了一个内温差电场，内温差电场产生的电场力阻碍了扩散作用，但扩散作用和漂移平衡时，就形成了稳定的电位差。由于此电位差的存在，当外电流通过有温度梯度的导体时(方向相同)，电子将被加速，除了一部分用于动能外，另外剩余的能量将以碰撞的形式传给晶格，从而晶格能量增加，温度升高。而当外电流的方向与温度梯度相反时，电子将被温差电场减速，在与晶格碰撞时从金属原子处获得能量，从而晶格能量降低，温度降低。

第三章材料的磁学性能

一(磁化:物质收到磁场作用而表现出一定的磁性

磁介质:能够被磁化的物质

二(分子环流:物质中的每个磁分子都相当于一个环形电流，即使一个分子磁矩，当无外界磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显示磁性。而有外磁场时，分子电流的磁矩沿磁化场排列起来，从而显现宏观磁性。

等效磁荷:材料的每个磁分子就是磁偶分子，无外界磁场时，各磁偶极子取向呈无序状，偶极矩矢量和为，故不显示磁性。当施加外界磁场时，偶极子受磁场作用而转向外场方向，故显示宏观磁性。

三(磁化率:磁化强度M和外磁场强度H的比值，与材料和温度有关。

磁导率:磁感应强度B和外磁场强度H的比值。

磁介质的分类:

根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。

磁性的来源:

原子由原子核和核外电子组成，核外电子在各自的轨道上绕核运动的同时还进行自旋运动。带电粒子的这些运动分别产生轨道磁矩和自旋磁矩。当原子中的电子壳层被排满时，电子轨道运动和自旋运动占满了所有可能的方向，原子的角度量为0，当某一电子壳层未被排满时，原子总的角动量不为0，这时原子对外就显示磁性。

抗磁体(磁化率为负值，很小，约在10-6数量级上):

原子磁矩为0的物质对外不显示磁性，但在外磁场的作用下原子的磁矩不再为0，显示出抗磁性，这是因为电子轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩。

附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产生于外场方向相反的附加磁场，因此对外表现出抗磁性。

抗磁体的磁化率与温度和磁场强度均无关。但有一些反常抗磁体的磁化率随温度变化。

顺磁体(磁化率为正值，很小在10-6,10-3数量级上):

顺磁体物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些磁矩来源于未填满的电子壳层。

在这些顺磁性物质中，磁性原子和离子分开的很远没有相互作用，所以原子磁矩取向混乱。当有外场时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而显示正的磁化率。

顺磁体的磁化率不受外场变化，但随温度变化，呈反比关系，符从居里-外斯定律。但存在一些与温度无关的顺磁体。

铁磁体(磁化率为正值，很大，约在10-106数量级上)

铁磁体的磁性是自发产生的，它源于原子未被抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。

铁磁性的自发磁是由于电子间的静电作用而产生的。根据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置，因交换作用而产生了附加能量称为交换能，当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正 (A,0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列(能量最低)，

从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。

在不大的外磁场H的作用下，就能产生很大的磁化强度，存在磁滞回线。当铁磁体的温度高于临界温度时候变成顺磁体，服从居里-外斯定律，温度小于临界温度时，表现为铁磁性。

亚铁磁性(磁导率为正值，但是没有铁磁体大)

根据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置，因交换作用而产生了附加能量称为交换能，当交换积分A<0时，则原子磁矩取反向排列能量最低，而亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩反向排列。由于两种磁矩不相等，反向平行的磁矩不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩。

磁导率、磁化强度的变化规律与铁磁性类似，但没它强烈，也存在一个转变温度，但当温度高于TC时，偏离居里-外斯定律，低于TC时，表现出与铁磁性类似的复杂行为。

反铁磁性(磁导率为正值，但是很小)

如果交换积分A,0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。

磁导率非常小，当温度高于一定时，磁导率行为像顺磁体，T低于这个温度是，磁化率与磁场的去向取向有关。

四(磁性的各向异性:单晶体的不同晶向上，磁性能不同的性质称为磁性的各向异性。各向异性产生的原因:相邻原子间电子轨道还有交换

作用，由于自旋-轨道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，它的非对称性与自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互作用能改变，导致磁各向异性。

五(磁致伸缩效应:铁磁体在磁场中被磁化，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象被称为磁致伸缩现象。

磁致伸缩现象产生的原因: 原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的的自发调整。

当磁致伸缩引起的形变受到限制，在材料内部将产生应力，因而存在一种弹性能，称为磁弹性能。

六(铁磁性的自发磁化:

铁磁性的磁性是自发产生的，自发磁化的起因是源于原子未被抵消的自旋磁矩，而与轨道磁矩无关，根据键合理论，当原子相互接近形成分子云时，电子云要重叠，电子要相互交换位置，这种交换作用就产生了附加能量，称为交换能，当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正 (A,0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列(能量最低)，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。

物质具有铁磁性的基本条件:

(1)物质中的原子有磁矩;(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。

铁磁性产生的条件:?原子内部要有末填满的电子壳层;?及Rab,r之比大于3，使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩不为零;后者指的是要有一定的晶体结构。

七(磁畴的形成以及结构

未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。

磁畴形成的原因: 由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向，导致形成一个较大的净磁矩。

因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规则的，因而在整体上净磁化强度为零。

磁畴的结构: 磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。形成磁畴是为了降低系统的能量(主要是降低退磁能和磁弹性能)。因磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为最小值。

主畴:大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相反。副畴:小而短的磁畴，其磁化方向不定。

磁畴壁: 相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种:(1)180o 壁。相邻磁畴的磁化方向相反。(2)90o 壁。相邻磁畴的磁化方向垂直。

八(铁磁体技术磁化过程以及物理机制

技术磁化:在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。

技术磁化的实质是外磁场对磁畴的作用，外磁场将各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程，它和自发磁化有本质的不同。

铁磁体的基本磁化曲线大体可分为三个阶段

1)可逆迁移:起始阶段，磁场作用较弱，通过磁畴壁微小移动来实现磁畴的变化(锐角扩张，钝角收缩)，磁化曲线平坦，磁导率较小，过

程可逆，无磁滞。

2)不可逆迁移:随着外磁场的不断增大，磁壁发生瞬间跳跃移动，大量原子磁矩瞬间转向，表现出强烈的磁化，磁化曲线急剧上升，磁导率很高，过程不可逆。使所有原子都转向与磁场成锐角的易磁化方向，而是单晶称为单筹。

3)旋转:由于晶轴通常与外磁场不一致，当磁场继续增大后，整个晶体单筹磁矩方向将逐渐转向外场方向。此过程外磁场要因此做功，故速度很慢。当晶体单筹的磁化强度矢量和外场强度方向一致时，达到饱和磁化状态。

技术磁化包含两种机制:壁移磁化和畴转磁化。

壁移磁化:相邻磁畴接近畴壁的区域和磁畴内部原子磁矩发生转动。

旋转磁化:整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向(磁畴旋转)。

九(影响铁磁性的因素:1)温度的因素: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，矫顽力减小。温度升高，引起应力松弛，利于磁化，使得初始

磁导率增加。2)应力的影响: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。3)形变的影响:加工硬化能引起晶体点阵扭曲，晶粒破碎，内应力增加，对壁移造成阻力。使得最大磁导率降低，矫顽力增大。4)晶粒细化使得晶界增多，对磁化的阻力增大，使得最大磁导率降低，矫顽力增大。5)杂质会造成点阵扭曲，当夹杂物存在于畴壁穿孔，这会给壁位移造成阻力，使得最大磁导率降低，矫顽力增大。

十(铁磁，亚磁材料的动态磁化特性

1)磁滞和涡流损耗:铁磁材料在交变磁场中反复磁化时，由于磁化处于非平衡状态，磁滞回线表现为动态特征，交流磁滞回线的形状介于直流磁滞回线和椭圆形之间。变化的磁场在其空间产生涡旋电场，在涡旋电场的作用下铁磁材料内部将产生涡旋电流，涡旋电流将产生一个磁场来阻止外磁场引起的磁通变化，使得铁磁体内的实际磁场的变化总是要滞后于外磁场。

2)磁后效应及复数磁导率:磁化强度(或磁感应强度)跟不上磁场变化的延迟现象被称为磁后效应(1)畴壁移动阻力(磁滞)(2)涡旋电流产生的抗磁场(涡流)(3)点

阵间隙位置杂质原子的扩散弛豫 (扩散磁后效应)，畴壁移动的弛豫(约旦磁后效应)(4)磁壁共振

3)磁导率减弱及磁共振损耗:起始磁导率随时间的推移而降低的现象，称为磁导率减落。由材料中电子或离子的扩散后效所造成。因磁性材料退磁时处于亚稳态，随时间的推移，为使磁性体的自由能达到最小值，电子或离子将不断向有利的位置扩散，把畴壁稳定在势阱中，导致了铁氧体起始磁导率随时间的减落。由材料中电子或离子的扩散后效所造成。磁损耗随频率而变，在某一频率下出现明显增大的损耗就是一种共振损耗。随磁场频率的变化，将出现不同形式的共振损耗。

第四章材料的光学性能

一(光的波粒二象性

光的电磁性:光是一种电磁波，光波是一种横波，偏振性是横波的特有性质光波在垂直光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等，称为自然

光。

光的波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性。

双光束干涉就是指两束光(同频率、同振动方向)相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。

当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上绕过障碍物(尺寸与波长相近)而进入几何阴影区，这种现象称为衍射。

光子的能量与动量:E=hv p=h/λ

光的折射和反射

光波入射到两种介质的分界面后，如果不考虑，吸收、散射等其他形式的消耗，则入射光的能量会在介质表面发生折射，反射

光沿直线传播

遵循反射、折射定律

光路可逆

折射定律sinθ1/sinθ2=n2/n1

影响材料折射率的因素:1)构成材料元素的离子半径，离子半径越大，折射率越大; 材料的结构、晶型和非晶态:非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质(双折射现象)。3)内应力:有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。4) 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率

n较低，低温时存在的晶型折射率n较高。

光速与折射率成反比。

反射率和透射率

反射率:反射光的功率与入射光功率之比。

透射率:透射光的功率与入射光功率之比。

光的反射率与透射率都与光的偏振方向有关，并随入射角度而变化。

光是横波，在垂直于传播方向上，电矢量可以取任何方向。因此，可以分解成两个相互垂直的线偏振分量。即振动方向垂直于入射平面的s分量和振动方向平行于入射平面的p分量。当入射角和折射角之和为π/2时，反射光没有平行入射面的矢量。此时的入射角称为布儒斯特角。利用布儒斯特角可以产生偏光。

光在界面的反射取决于两种介质的相对折射率，相对折射率越大，发射损失越大。如果n1=n2,几乎没有反射损失。

如果介质1为空气。可认为n1=1，如果n1,n2差别很大，那么界面的反射损失很大。

光的全反射

当光束从光密介质射向光疏介质，会发生全反射sinθ=n2/n1

光吸收以及其物理机制

光吸收:当光束通过介质时，一部分的能量能被材料吸收，其强度减弱，在介质中，光强随传播距离呈衰弱状态，材料月后，才被吸收的越多，透过光的强度就越小。

产生光吸收的原因:光作为一种能量流，当穿过介质的时候，会引起介质价电子的跃迁或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子吸收

光子能量而激发，在尚未退激发时，电子与分子碰撞瞬时部分动能，就就是光吸收的原因。

光吸收与波长的关系:金属的光吸收的能力强;电介质材料的光透过能力好;紫外光能量大，半导体会吸收能量从满带跃迁到导带。

光的色散以及其物理机制

光的色散的概念:材料对光的折射入随频率的减小而减小的性质，称为光折射率的色散。物理机制:介质原子的电结构，可以被看成是正负离子之间被一个无形的弹簧连接，在光波电磁场的作用下，正负电荷发生相反方向的位移，并随着光源做受迫振动，受迫振动的振子向外发射电磁次波，多个振子的相互干涉使次波只沿入射光波的方向进行。按照波的叠加原理，次波与入射波叠加使得合成波在介质的传播速度与入射光波的频率有关。导致介质对不同频率的光有不同的折射率。

双折射以及其物理机制

双折射:当光速通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同方向传播，这种现象称为双折射。双折射的一条折射光符合折射定律，称为寻常光，另一条称为非常光，它不仅与入射光角度有光，还和晶体的方向有关。

物理机制:在介质的光波是入射波与介质中的振子受迫振动所发出的次波相互叠加而形成的合成波，合成波的频率与入射光波相同，但其相位却受到振子固有振动频率的影响制约而滞后。因此，波合成的结构使光速比真空中偏慢。相位滞后与

振子固有频率和入射光的频率的差值有关，因此介质的光速又与入射光的频率有关。

光的散射及其分类，光的弹性散射的分类及特点

光通过不均匀的介质时，有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散，称为光的散射。

根据散射前后光子能量的变化与否，分为弹性散射和非弹性散射。

弹性散射按散射中心尺寸和入射光波长的大小，可分为三类:

丁泽尔散射当散射中心尺寸大于波长即散射光强与入射波长无关

米氏散射散射中心尺寸约等于波长

瑞利散射散射中心尺寸小于波长散射强度与波长的四次方成反比

根据丁泽尔散射，天上的白云是由水蒸气凝成比较大的水滴构成的，因散射中心的尺寸大于波长，所以白云对所有光波都有散射作用，因此呈白色根据瑞利定律散射强度与波长成反比，因此大气层对蓝紫光的散射比红橙光强，大气层结构在一天中结构不同，在白天时大气层较厚，因此蓝紫光损失的更多，此时天边显现朝霞根据瑞利定律散射强度与波长成反比，因此大气层对蓝紫光的散射比红橙光强，我们仰望天空时看到了这种散射光，所以天空现象呈蓝色。

第五章材料的力学性能

一(弹性模量的定义、分类以及物理本质

弹性模量的分类:按材料接收的外应力类型，对于各向同性的材料有，当接收拉伸或单向压缩，此时用正弹性模量来表征;当收到剪切形变，则用切变应力来表征;当受到体积压缩，则用体积弹性模量来表征。

弹性模量的物理本质:当物体收到外界应力后，为了维持平衡，原子内部之间的距离需进行调整，宏观表现为形变，

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

第一章 1、应力：单位面积上所受的内力ζ=F/A 2、应变：描述物体内部质点之间的相对运动ε=△L/Lo 3、晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。条件：①移动较小 的距离即可恢复、②静电作用上移动中无大的斥力 4、塑性形变过程：①理论上剪切强度：克服化学键所产生的强度。当η>ηo时，发生滑移 （临界剪切应力），η=ηm sin(2πx/λ),x<<λ时，η=ηm（2πx/λ）。由虎克定律η0=Gx/λ.则Gx/λ=ηm（2πx/λ）→ηm=G/2π;②位错运动理论：实际晶体中存在错位缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动，使位错运动所需的力比是晶体两部分整体相互华东所需的力小的多，故实际晶体的滑移是位错运动的结果。位错是一种缺陷，位错的运动是接力式的；③位错增值理论：在时间t内不但比N个位错通过试样边界，而且还会引起位错增值，使通过便捷的位错数量增加到NS个，其中S位位错增值系数。过程机理画图 5、高温蠕变：在高温、恒定应力的作用下，随着时间的延长，应变不断增加。⑴起始阶段 0-a：在外力作用下瞬时发生弹性形变，与时间无关。⑵蠕变减速阶段a-b：应变速率随时间递减，即a-b段的斜率dε/dt随时间的增加而愈小，曲线愈来愈平缓。原因：受阻碍较小，容易运动的位错解放出来后，蠕变速率就会降低；⑶稳态蠕变阶段b-c：入编速率几乎保持不变，即dε/dt=K（常数）原因：容易运动的位错解放后，而受阻较大的位错未被解放。⑷加速入编阶段c-d:应变绿随时间增加而增加，曲线变陡。原因：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。影响入编的因素：⒈温度，温度升高，入编增加。⒉应力，拉应力增加，蠕变增加，压应力增加，蠕变减小⒊气孔率增加，蠕变增加，晶粒愈小，蠕变率愈小。⒋组成。⒌晶体结构。 6、弹性形变：外力移去后可以恢复的形变。塑性形变：外力移去后不可恢复的形变 第二章 7、突发性断裂（快速扩展）：在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好 等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。（一旦扩展，引起周围盈利的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突出性断裂） 8、裂纹缓慢生长：当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况 下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长。 9、理论结合强度：无机材料的抗压强度大约是抗拉强度的10倍。δth=(EΥ/a)0.5→(Υ=aE/100) →δth=E/10(a：晶格常数，Υ：断裂表面能断裂表面能Υ比自由表面能大。这是因为储存的弹性应变能除消耗于形成新表面外，还有一部分要消耗在塑性形变、声能、热能等方面。 10、Griffith微裂纹理论：⑴Inglis尖端分析：孔洞两个端部的应力取决于孔洞的长度和 端部的曲率半径而与孔洞的形状无关。应用：修玻璃通过打孔增加曲率来减慢裂纹扩展。 ⑵Griffith能量分析：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于开裂形成两个新表面所需 的表面能。（产生一条长度2C的裂纹，应变能降低为We，形成两个新断面所需表面能为Ws）。裂纹进一步扩展（2dc，单位面积所释放的能量为dWe/2dc，形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/2dc。）当dWe/2dcdWs/2dc时，裂纹失稳，迅速扩展；当dWe/2dc=dWs/2dc时，为临界状态。 应用：尽数剪裁上通过反复折导致剪断。 11、选择材料的标准：δ<δc,即使用应力小于断裂应力；Ki

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.

※ 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。

无机材料物理性能期末复习题

期末复习题参考答案 一、填空 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，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．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 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．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 。 12．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。 13.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。14．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。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．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。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．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。 19. 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。 20.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。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.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。 23.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 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。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个

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》测试题汇总(doc 8页)

《材料物理性能》测试题 1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、 2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、 3、磁各向异性一般包括 、 、 等。 4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。 5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。 6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。 7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。 8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。 9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。 10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。 1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。 （ ） 2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。 （ ） 3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。 （ ） 4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。 （ ） 5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。 （ ） 6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。 （ ） 7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。 （ ） 8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。 （ ） 9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。 （ ） 10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。 （ ） 1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ） A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。 B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。 C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。 D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。 2、 关于热膨胀，下列说法中不正确的是 （ ） A 各向同性材料的体膨胀系数是线膨胀系数的三倍。 B 各向异性材料的体膨胀系数等于三个晶轴方向热膨胀系数的加和。 C 热膨胀的微观机理是由于温度升高，点缺陷密度增高引起晶格膨胀。 D 由于本质相同，热膨胀与热容随温度变化的趋势相同。 3、下面列举的磁性中属于强磁性的是 （ ） A 顺磁性 B 亚铁磁性 C 反铁磁性 D 抗磁性 4、关于影响材料铁磁性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 温度升高使得M S 、 B R 、H C 均降低。 B 温度升高使得M S 、B R 降低，H C 升高。 C 冷塑性变形使得C H μ和均升高。 D 冷塑性变形使得C H μ和均降低。 5、下面哪种效应不属于半导体敏感效应。 （ ） A 磁敏效应 B 热敏效应 C 巴克豪森效应 D 压敏效应 6、关于影响材料导电性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 由于晶格振动加剧散射增大，金属和半导体电阻率均随温度上升而升高。 B 冷塑性变形对金属电阻率的影响没有一定规律。 C “热塑性变形＋退火态的电阻率”的电阻率高于“热塑性变形＋淬火态” D 一般情况下，固溶体的电阻率高于组元的电阻率。 7、下面哪种器件利用了压电材料的热释电功能 （ ） A 电控光闸 B 红外探测器 C 铁电显示器件 D 晶体振荡器 8、下关于铁磁性和铁电性，下面说法中不正确的是 （ ） A 都以存在畴结构为必要条件 B 都存在矫顽场 C 都以存在畴结构为充分条件 D 都存在居里点 9、下列硬度实验方法中不属于静载压入法的是 （ ）

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》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》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

一、填空20*1 1.控制或改造材料性能的路线是工艺→结构→性能，即工艺决定结构，结构改变性能。 2.材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。 3.弹性模量影响的因素：原子结构、温度、相变。 4.材料的各种热学性能均与晶格热振动有关。 5.可见光的波长390-770nm。 6.光的频率、波长和辐射能都是由光子源决定的。 7.欧姆定律的两种表达形式：均匀导体，I=V/R，非均匀导J=óE。 8.物质的磁性是电流产生的。 9.磁性材料的磁化曲线和磁滞回线是材料在外加磁场时表现出来的宏观特性。 10.影响材料的击穿强度的因素：介质结构的不均匀性、材料中气泡的作用、材料表面状态和边缘电场。 8.智能材料的功能和生命特征：传感功能、反馈功能、学习能力和预见性功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力、自调节能力。 二、名词解释5*3 1.塑性形变和弹性形变 塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外力移去后不能恢复的形变。 弹性形变：在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外力移去后不能恢复的形变。 2.声频支振动和光频支振动 声频支振动：振动着的质点中包含中包含频率甚低的格波，质点间的位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波，称为声频支振动。 光频支振动：可以看成是相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、频率很高的振动。 3.反射、折射、双折射 反射：光线入射到界面时，一部分光从界面上反射，形成反射线。 折射：光线入射到界面时，其余部分进入第二种介质，形成折射线。 双折射：由一束折射光入射后分成两束光的现象。 4.压电效应、压敏效应、光电效应、热释电效应、电热效应、西贝尔效应 压电效应：在晶体的特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面上分别出现正负束缚电荷，其电荷密度与外施力的大小成正比例，也即正压电效应具有对称中心的点群晶体不会具有压电性。 压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压下，电阻值非常之高，几乎无电流通过，超过该临界电压，电阻迅速降低，让电流通过。 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称为光电效应。 热释电效应：由于温度的变化而引起的晶体表面荷电现象。 电热效应：热电体在绝热条件下，当外加电场引起永久极化强度改变是时，其温度将发生变化的现象。 西贝尔效应:半导体材料的两端如果有温差，那么在较高的温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域。当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等且方向相反时，就达到稳定状态。多数载流子扩散到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势，这种现象被称为温差电动势效应，也被称为西贝尔效应。 5.居里点 居里点：是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。

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

材料物理性能测试思考题答案

有效电子数：不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。 K状态：一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。但对某些成分中含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和Ｘ射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K状态。X射线分析发现，组元原子在晶体中不均匀分布，使原子间距的大小显著波动，所以也把K状态称为“不均匀固溶体”。 能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。 金属材料的基本电阻：理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关，可以看成为基本电阻，基本电阻在绝对零度时为零。 残余电阻(剩余电阻)：电子在杂质和缺陷上的散射发生在有缺陷的晶体中，绝对零度下金属呈现剩余电阻。这个电阻反映了金属纯度和不完整性。 相对电阻率：ρ (300K)／ρ (4.2K)是衡量金属纯度的重要指标。 剩余电阻率ρ’：金属在绝对零度时的电阻率。实用中常把液氦温度(4.2K)下的电阻率视为剩余电阻率。 相对电导率：工程中用相对电导率( IACS%) 表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜(在室温20 ℃下电阻率ρ= 0 .017 24Ω·mm2/ m)的电导率作为100% , 其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。 马基申定则(马西森定则)：ρ＝ρ’＋ρ(T)在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。ρ’：决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻率。ρ(T)：取决于晶格热振动的电阻率(声子电阻率)，反映了电子对热振动原子的碰撞。 晶格热振动：点阵中的质点(原子、离子)围绕其平衡位置附近的微小振动。 格波：晶格振动以弹性波的形式在晶格中传播，这种波称为格波，它是多频率振动的组合波。 热容：物体温度升高1K时所需要的热量(J/K)表征物体在变温过程中与外界热量交换特性的物理量，直接与物质内部原子和电子无规则热运动相联系。 比定压热容：压力不变时求出的比热容。 比定容热容：体积不变时求出的比热容。 热导率：表征物质热传导能力的物理量为热导率。 热阻率：定义热导率的倒数为热阻率ω，它可以分解为两部分，晶格热振动形成的热阻(ωp)和杂质缺陷形成的热阻(ω0)。导温系数或热扩散率：它表示在单位温度梯度下、单位时间内通过单位横截面积的热量。热导率的单位：W/(m·K) 热分析：通过热效应来研究物质内部物理和化学过程的实验技术。原理是金属材料发生相变时，伴随热函的突变。 反常膨胀：对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化称为反常膨胀。其中镍和钴的热膨胀峰向上为正，称为正反常；而铁和铁镍合金具有负反常的膨胀特性。 交换能：交换能E ex=－2Aσ1σ2cosφA—交换积分常数。当A＞0，φ＝0时，E ex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。当A＜0，φ＝180°时，E ex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。交换能是近邻原子间静电相互作用能，各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。 磁滞损耗：铁磁体在交变磁场作用下，磁场交变一周，B-H曲线所描绘的曲线称磁滞回线。磁滞回线所围成的面积为铁 =? 磁体所消耗的能量，称为磁滞损耗，通常以热的形式而释放。磁滞损耗Q HdB 技术磁化：技术磁化的本质是外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(和)或近似外磁场方向的过程。技术磁化的两种实现方式是的磁畴壁迁移和磁矩的转动。 请画出纯金属无相变时电阻率—温度关系曲线，它们分为几个阶段，各阶段电阻产生的机制是什么？为什么高温下电阻率与温度成正比？ 1—ρ电-声∝T( T > 2/ 3ΘD ) ； 2—ρ电-声∝T5 ( T< <ΘD )；