材料物理性能.doc

1. 热容 无相变无化学反应条件下。材料升高1K所需要的热量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3. 定热容 在无相变无化学反应的条件下 保持加热过程中体积不变 材料升高1K所需要的热量4. 定压热容 在无相变无化学反应条件下 在加热过程中保持压力不变 材料升高1K所需要的热量5. 膨胀系数 平均线膨胀是材料在一个温度范围内温度平均每升高1个单位长度的相对量6. 导热系数 标志材料热传导能力 表示在单位温度梯度下 单位时间内通过单位截面积的导热量7. 导温系数 在不稳定导热过程中 表示材料温度变化的速率8. 德拜三次方定律 在温度远远小于材料的德拜温度下 材料的定容摩尔热容与温度三次方呈正比例关系9. 膨胀的物理本质 材料温度升高 材料内部原子振动 能量增大 振动幅度增大 原子的平均间距增大 宏观上表现为热膨胀10. 热容的物理本质 反映了分子热运动的能量随温度变化的程度 由晶格热容与电子热容组成11. 固体导热的微观机制 .三种机制：电子导热 声子导热 光子导热 电子声子的散射会使热阻上升光子导热在高温情况下才会考虑12. 各热物理性能的影响因素 热容：温度 当T0 Cvm0 当T0 CvmT 当T0 Cvm3R组分：金属材料 Cvm=AT+BT 无机非金属材料与德拜模型 符合较好的高分子材料与模型符合的不好相变组织变化 一级相变H0V0 Cp 二级相变H无突变 Cp有突变 组织变化 由亚稳态向稳态变化中 若有热量 放出Cv会下降13. 膨胀系数：1温度 与CvT关系相近 2成分及组织： 越使原子间作用力越强的成分和组织其越小 有奥氏体铁素体马氏体 3 相变 一级相变 dV0 发生不连续变化 二级相变 dV=0 变化14. 热导率 1原子结构与晶体结构 对导热机制又决定性作用：电子导热的能力比声子导热的能力好 并且导电率好的材料导热率好。对于声子导热原子间作用力越强导热率越高结构越复杂声子散射作用加强 导热率下降 2组分与组织 通过影响结构的完整性来影响导热率杂质 缺陷 温度升高 都会是散射作用加强 热导率下降 单晶多晶 晶体非晶15. 物理性能与内部结构的关系 1热容：材料原子间结合力越大p越高 2 热膨胀系数 原子间结合力越大越小 3热导率 材料间结合力越强 声子导热能力越强材料内部的杂质 缺陷越多 对电子 声子散射作用越强导热率越低16. 德拜热容理论取得了什么成功 相较爱因斯坦原子是一个个独立振子的观点 德拜提出原子之间存在相互作用 并且与爱因斯坦原子以相同频率振动的理论相反，认为原子以一系列近似连续的振动频率振动且存在最大频率 并且将晶体近似为连续介质，较好地解决了材料在低温区热容分布的问题17. 试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质 原子间存在着斥力与引力，而斥力随原子间距的变化比引力大。导致在原子间距小鱼平衡间距时 合力变化陡峭 大于平衡间距时 合力变化缓慢 使两原子相互作用的势能呈一个不对称曲线变化 曲线上每一个最大势能都对应着2个原子最远和最近位置 两位置中心 并不与平衡间距重合 造成温度上升时势能增加 势能曲线的不对称导致振动中心右移 原子间间距增大 宏观上有膨胀发生。 1.N型半导体: 在本征半导体掺入五价元素的杂质 使晶体中的自由电子的浓度极大增加 这种主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体2.p型半导体 在本征半导体中掺入三价元素的杂质 使晶体中的空穴浓度大大增加 这种主要依赖空穴导电的半导体称为P型半导体3.电介质 在电场作用下能产生极化行为的物质4.电极化 电介质在电场的作用下 其内部的束缚电荷所发生的弹性位移的现象和偶极子的取向现象5.马基森定律及其使用范围 固阻体电阻率可以看成由金属基本电阻率（T）和残余电阻率组成，（T）与T有关 由电子与声子的散射构成 与T无关由电子与缺陷散射构成。适用范围为低浓度固溶体6.分析金属电阻产生的原因以及影响因素 电子波在0K时 通过一个理想的晶体点阵时，将会无阻碍无散射地传播 只有在晶体点阵的完整性以及晶体点阵离子的热振动，晶体中的导类原子 位错和点缺陷等晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射从而产生电阻。 影响因素：温度 温度升高电阻率升高 当Tp是T 因为温度增加电子与声子的散射加强点阵离子间距增大 晶体结构发生变化 。各种杂质缺陷 会使晶体遍离理想结构造成电子散射 非晶态材料一般比晶态材料的电阻率高。Fe Co Ni 在铁磁性下对电子的散射较小 电阻率低。固溶体会使电阻率上升。有序到无序转变也会影响电阻率 有序状态下散射 电阻一般较低 。多相合金的电阻变化较为复杂 电阻率对结构敏感的 。与晶粒大小等因素都有关。比片状球充体电阻率大于粒状球充体 。塑性变形会使材料缺陷升高电阻率升高、热处理回复再结晶使缺陷下降 电阻率下降 。淬火会使电阻率上升 回火会使电阻率下降7. 本征半导体与杂质半导体的导电机制 在0K和无外界影响下，本征半导体的空带中无电子 当温度升高或受到光照后，即受到热激发，一部分满带中的价电子获得大于禁带宽度的能量，跃迁到空带中成为导带，而满带中由于迁出的价电子而成为低带、在一个价电子离开原子后。共价键上留下一个穴位，在共有化运动中相邻的价电子很容易填补到这个空穴上，从而又出现了新的空穴，其效果等价于这个空穴的移动，在无外电场作用下，自由电子和空穴的运动都是无规则，故并不产生电流，空穴将顺电场方向运动。 向本征半导体中掺入五价元素的杂质使晶体中的自由电子的浓度极大的增加。禁带宽度下降 因而导带中的自由电子数比本征半导体显著的增多。向本征半导体中掺入三价元素的 使晶体中的空穴浓度大大增加 禁带宽度下降 因而本征激发的自由 电子与空穴复合的机会增多。8. 极化的围观机制 1.电子的位移极化：在电场作用下的电子云的形状发生变化 2.离子的位移极化：在电场作用下阴阳离子离开原来位置 形成感生电偶极子 3.固有电偶极子沿外电场作用 重新取向 可大致分为2类：弹性（位移）极化和松弛（驰豫）极化 弹性极化瞬时完成 可逆 电场撤离后可恢复 即使是外电场的高频电场也可响应，建立不消耗能量的。松弛极化是非弹性的需一定时间来响应 也需要能量来建立 极化过程不可逆 若电场频率较高 极化将跟不上电场的变化。而自发极化是一种特殊极化现象，并不是外电场吸起的，在电畴内 电偶极短是自发排列的有序的，在外电场作用撤销后，仍有相当残余规则排列。9. 电介质常用的性能参数 1.介电常数：综合反应电介质的极化能力 2.介电强度：电介质击穿时由介电状态转变为导电状态时电场强度Eb=Vb/b 3.介电损耗：主要包括电导损耗 极化损耗 松弛损耗 10. 为什么金属的电阻因温度的升高而增大而半导体的电阻却因温度升高而减小 金属的电阻产生的主要原因有2个：电子的散射与晶体偏离理想结构。而温度升高会使晶格热振动增强，声子对电子的散射作用加强，致使电阻上升且升高温度原子间间距变大，原子结构发生变化偏离理想结构是金属电阻升高。而本征半导体在0K无光照的条件下 空带中无电子。当温度升高后，一部分满带中的原子获得大于禁带宽度的能量，使跃迁于空带中形成导带，而满带中由于迁出的价电子而形成价带。温度越高跃迁到导带中的电子越多因而电阻越低。11. 从能带的角度说明导体绝缘体半导体有什么区别 金属导体一般有以下2种：一是介带和导带重叠，无禁带，二是介带未被价电子填满 所以这种介带本身就是导带。而非导体包括绝缘体与半导体在0K时 是满介带和空导带且有禁带。半导体的禁带宽度较小而绝缘体的禁带宽度大。材料的磁学性能自发磁化：在铁磁体内部存在着很强的分子场，在这种分子场的作用下，原子磁矩趋向于同向平行排列，即自发的磁化至饱和，称为自发磁化。 磁畴：指未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。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。实质上是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。磁化强度：当施加外磁场后，分子电流的磁矩将沿磁化场排列起来，而呈现出宏观磁性。为衡量物质磁性的强弱和描述其磁化状态，引入磁化强度。单位体积的总磁矩称为磁化强度。矫顽力：在技术磁化过程中，当从磁饱和状态降低H值时，M将不再沿基本磁化曲线变化而是降得极慢。当外磁场完全去除之后，将得到不为零的磁化强度。欲使磁化强度减小到零，则必须添加一反向磁场-，称为磁矫顽力。饱和磁化强度：磁导率：外磁场增加时磁感应强度增加的速率。磁化率：，称为物质的磁化率，它把物质的磁化强度与外磁场强度联系起来，反映了物质磁化的难易程度。磁晶各向异性：单晶体沿不同晶轴方向上磁化所测得的磁化曲线和磁化到饱和的难易程度不同。即，在某些晶轴方向的晶体容易磁化，而沿某些晶轴方向不容易磁化，这种现象称为磁晶各向异性。磁晶各向异性能：磁化强度分量沿不同晶轴方向的能量差。磁晶各向异性常数：形状各向异性：形状不同的材料或同一材料的不同方向测得的磁化曲线是不同的，说明其磁化行为是不同的，这种现象称为材料的形状各向异性。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，这种现象称为磁致伸缩。饱和磁致伸缩系数：随外磁场的增强材料将伸长或缩短，最后稳定在某一尺寸上，此时磁致伸缩达到了饱和，此时的磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数。居里温度：1.铁磁体的形成的条件是什么?铁磁性材料的磁性是自发产生的，铁磁质自发磁化的根源是原子磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。第一个条件是：原子具有未填满的电子壳层即原子有未抵消的自旋磁矩。第二个条件是：要具有一定的晶体点阵结构，即要使自旋磁矩自发的排列在同一个方向上。根据键合理论，当原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要互相交换位置，对过渡族金属元素，原子的3d和4S态能量相差不大，因此它们的电子云重叠时引起了4s，3d态电子的再分配，即发生了交换作用，交换产生的作用力迫使相邻原子的自旋磁矩发生了有序排列。因交换作用产生的附加能量称为交换能。当A为正值时才能实现自发磁化从而产生铁磁性。A与原子的电子结构和晶体的点阵结构有关，当原子核间距与未填满壳层半径r之比大于3时，A为正值，此时满足自发磁化的条件。但当原子核间距太大时，电子云很少重叠或者基本不重叠，电子间的静电交换作用很弱，对电子自旋磁矩的取向影响甚小，在常温下呈现顺磁性。2.磁畴的大小和结构由哪些条件来决定？磁畴结构受交换能，磁晶能，磁弹性能，畴壁能和退磁能的综合影响。、在铁磁体中，由于交换作用力使整个晶体自发磁化至饱和，磁化沿晶体的易磁化方向，使交换能和磁晶能都处于最小值。但因晶体具有一定的形状和尺寸，整个晶体均匀磁化的结果必然会产生磁极，有磁极就会产生退磁场，增加了退磁能，这个退磁场将要破坏已形成的自发磁化。这两个矛盾相互作用的结果是使得大磁畴分为小磁畴，这样可以减少退磁能。分畴后，虽然退磁能减少了，却增加了畴壁能，随着磁畴数目的增加，退磁能减小而畴壁能增加，当达到退磁能和畴壁能之和最小值使，分畴停止。同时，分畴过程中，可能形成封闭式的磁畴结构，由于其具有封闭磁通的作用，可以使退磁能降低为零。但封闭畴与主磁畴的方向不同，引起的磁致伸缩不同，会产生一定的磁晶能和磁弹性能。磁弹性能与磁畴的尺寸有关，尺寸越大，磁弹性能越高。因此，封闭磁畴分为更小的封闭磁畴，但并不能无限分割。当铁磁晶体的各种能量之和具有最小值时，得到平衡状态的磁畴结构。同时，晶界，第二相，晶体缺陷，夹杂，应力，成分的不均匀性也会对磁畴结构有影响。3.材料的抗磁性和顺磁性产生的原因。原子的磁矩取决于未填满电子的轨道磁矩和自旋磁矩。对于电子壳层已填满的原子，虽然轨道磁矩和自旋磁矩的总和为零，但有外磁场作用时，对于那些总磁矩为零的原子也会显示出磁矩。这是因为电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩。且此附加磁矩与外磁场的方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。顺磁体的原子或离子是有磁矩的，源于原子内未填满的电子壳层或源于具有奇数个电子的原子。无外磁场时，由于热振动的影响，原子磁矩的取向是无序的，总磁矩为零。当有外磁场作用时，原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零表现为正向磁化。4.5种磁性材料的磁化曲线。1.抗磁体为甚小负常数，表明其M与H反向，故抗磁体在磁场中受微弱斥力。典型的金属有铜，金，银等。2.顺磁体为正常数，表明M与H同向，故顺磁体在磁场中受微弱引力。常见的有铂，奥氏体不锈钢，稀土金属等。3.反铁磁体是甚小的正常数，当T高于某个温度时，其行为像顺磁体。如铬，氧化镍，氧化锰等。4.铁磁体为很大的正常数，表明M与H在不大的H作用下，就能产生很大的M，故铁磁体在磁场中被强烈的磁化受到强大的吸力。如铁，钴，镍。5.亚铁磁体类似于铁磁体，但没有铁磁体那么大，如磁铁矿等。5. Fe，Co，Ni三种金属的居里温度与易磁化。 TN 易磁化方向 难磁化方向Fe 1043K 100 111Co 1388K 0001 1010Ni 631K 111 100 6.技术磁化的过程，实质及基本机制。（及对不可逆壁移的理解）在磁化的开始阶段，磁场作用较弱，对于自发磁化方向与磁场方向成锐角的磁畴，由于其静磁能低的有利地位而发生了扩张，而成钝角的磁畴则缩小，这个过程是通过磁畴壁的迁移完成的。此为第一阶段，（此时的微小迁移是可逆的，若这时去除外磁场，则畴壁会自动迁回原位）越过第一区段，若外磁场继续增强，则畴壁将会发生瞬时的跳跃，即某些与磁场成钝角的磁畴将瞬时转向与磁场成锐角的易磁化方向。由于大量原子磁矩的瞬时转向，因此表现出强烈的磁化，磁化曲线急剧上升。此为第二阶段，为不可逆迁移区。畴壁的这种迁移结果，将使畴内所有的原子磁矩都转向与磁场成锐角的易磁化方向，而使磁体成为单畴。继续增大外磁场，则整个晶体单畴的磁矩方向将逐渐转向外磁场方向。这种磁化过程称为磁畴的旋转，此为第三阶段。这种转动需要相当大的能量，显然外磁场要为此做功，故磁化进行的非常缓慢。技术磁化过程的实质就是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。技术磁化包含两种机制：畴壁的迁移磁化和磁畴的旋转磁化。二种模型：应力模式与杂质模型7.利用磁性法确定淬火钢中的奥氏体。 磁性分析研究钢的组织变化。