材料物理性能基础知识点.docx

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材料物理性能基础知识点

<<材料物理性能>>基础知识点

一，基本概念：

1.摩尔热容:

使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容。

它反映材料从周围环境吸收热量的能力。

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，温度升高1K所需要的热量称为比热容。

它反映材料从周围环境吸收热量的能力。

3.比容：

单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。

4.格波：

由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。

因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播，而形成“格波”。

5.声子（Phonon）:

声子是晶体中晶格集体激发的准粒子，就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。

6.德拜特征温度:

德拜模型认为:

晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。

7.示差热分析法（DifferentialThermalAnalysis,DTA）:

是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线）的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT~T（t），从而对材料组织结构进行分析的一种技术。

8.示差扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry,DSC）:

用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。

9.热稳定性（抗热振性）：

材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。

10.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。

11.玻尔帖效应：

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外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。

12.迈斯纳效应：

若在常温下将超导体先放入磁场内，则有磁力线穿过超导体；然后再将超导体冷却至Tc以下，发现磁产从超导体内被排出，即超导体内无磁场B=0。

即超导体具有完全的抗磁性。

13.铁电体：

具有电畴结构和电滞回线的晶体。

14.铁电性：

具在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化的方向可因外电场的作用而反向，晶体的这种特性称为铁电性。

15.自发极化：

在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化。

16.压电效应：

在某些晶体（主要是离子晶体）的一定方向施加机械力作用时，晶体的两端表面出现符号相反的束缚电荷，且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比，这种由机械效应转换成电效应的现象称为压电效应。

17.逆压电效应：

将具有压电效应的电介质置于外电场中，由于外电场的作用引起其内部正负电荷中心位移，从而导致电介质发生形变（形变与所加电场强度成正比），这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。

18.介质损耗：

由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗，由电能转变为其它形式的能（如热、光能等），统称为介质损耗。

19.光生伏特效应：

光照射引起PN结两端产生电动势的效应。

当光照射到PN结结区时，光照产生的电子－空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累使N区侧带负电，空穴在P区积累使P区侧带正电，从而建立一个与原内建电位差相反的电位差，称为光生电位差。

20.磁化强度：

单位体积的总磁矩，表征物质的磁化状态。

21.磁畴：

在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。

22.磁致伸缩效应：

铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都发生变化的现象。

23.退磁场：

当铁磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由于磁极作用而产生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到减弱外磁场的作用，故称为退磁场。

24.技术磁化：

在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程。

25.磁导率µ：

当外磁场H增加时，磁感应强度B增加的速率叫磁导率，用µ表示，即µ=B/H。

表示磁性材料传导和通过磁力线的能力．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）．

26.内耗：

固体材料对振动能量的损耗称为内耗，它代表材料对振动的阻尼能力。

27.滞弹性（或驰豫）：

在弹性范围内出现的非弹性现象（如弹性蠕变和弹性后效）。

28.滞弹性内耗：

由滞弹性产生的内耗。

29.弹性模量：

在弹性范围内，引起物体单位变形所需要的应力大小。

即材料所受应力σ与应变ε之间的线性比例系数，σ=Eε，其中称为弹性模量。

它表示材料弹性变形的难易程度。

二，基本理论（含微观机理）：

热学:

１．杜隆—珀替定律；２．爱因斯坦模型；３．德拜的比热模型

电学:

1.量子自由电子理论;2.能带理论;3.离子导电机制

磁学:

1．铁磁金属的自发磁化理论;2.矫顽力理论（应力理论，杂质理论）

热膨胀：

微观机理

弹性与内耗:

1．弹性理论；２．滞弹性内耗机制（驰豫理论的基本思想）

三，基本规律（含影响因素）

热学：

热容的实验规律，影响热容的因素及规律（温度，组织转变，结构相变，合金成分等）

电学：

导体，半导体，绝缘体的导电性随温度的变化规律；影响导电性的因素

磁学：

Ｍ－Ｔ曲线；磁化规律；影响铁磁性的因素（组织敏感参量和组织不敏感参量）

热膨胀：

热膨胀的实验规律；常见材料（如钢组织）的膨胀规律

弹性与内耗：

内耗的实验测定；斯诺克内耗实验

四，实验测量方法与原理

热学：

热容的测定及热分析方法

磁学：

磁性的测量方法及原理（如矫顽力等）

热膨胀：

热膨胀的测量方法

弹性与内耗：

弹性模量及内耗的测量原理；碳在α－Fe中的扩散系数和扩散激活能的测定．

<<材料物理性能>>内容简介

第一章.材料的热性能

由于材料和制品往往要应用于不同的温度环境中，很多使用场合还对它们的热性能有着特定的要求，因此热学性能也是材料重要的基本性质之一。

固体材料的一些热性能如比热，热膨胀、热传导等都直接与晶格振动有关，因此我们首先介绍热力学与统计力学一些概念和晶格振动的有关内容。

1材料的热容

热容的概念:

热容的定义：

物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容．

摩尔热容：

使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的能量,它反映材料从周围环境吸收热量的能力。

比热容：

质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为比热容。

它反映材料从周围环境吸收热量的能力。

比容：

单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。

物体的热容还与它的热过程性质有关，假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定的热容称为恒压热容（CP）。

假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的，则所测定的热容称为恒容热容（CV）。

由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功（膨胀功），所以每提高1K温度需要吸收更多的热量，即CP>CV，

1.1晶态固体热容的经验定律和经典理论

晶体的热容，元素的热容定律——杜隆—珀替定律：

“恒压下元素的原子热容等于25J/K·mol”。

实际上大部分元素的原子热容都接近25J/K·mol，特别在高温时符合得更好。

根据晶格振动理论，一个摩尔固体中有N个原子，总能量为：

E=3NkT=3RT式中N—阿佛加德罗常数；T—绝对温度（‘K）；k—波尔茨曼常数；R＝8.314（J/k·mol）—气体普适常数。

按热容的定义，有:

Cv=（dE/dT）v=3NkB=3R=24.91J/（mol.K）

1.2晶态固体热容的量子理论

1.2.1爱因斯坦模型

爱因斯坦提出的假设是：

晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。

当T>>θE时:

=3R这就是杜隆—珀替定律的形式。

当T趋于零时，CV逐渐减小，当T＝0时，CV=0，这都是爱因斯坦模型与实验相符之处，但是在低温下，当T<<θE时:

这样CV依指数律随温度而变化，这比实验测定的曲线下降得更快了些，导致差异的原因是爱因斯坦采用了过于简化的假设，实际晶体中各原子的振动不是彼此独立地以单一的频率振动着的，原子振动间有着耦合作用，而当温度很低时，这一效应尤其显著。

1.2.2德拜的比热模型

德拜考虑到了晶体中原子的相互作用。

德拜模型认为：

晶体对热容的贡献主要是弹性波的振动，即较长的声频支在低温下的振动；

由于声频支的波长远大于晶格常数，故可将晶体当成是连续介质，声频支也是连续的，频率具有0～ωmax；

高于ωmax的频率在光频支范围，对热容贡献很小，可忽略

式中ΘD—德拜特征温度；

一德拜比热函数；

根据上式还可以得到如下的结论：

①当温度较高时，即T>>θD，CV≈3R这即是杜隆—珀替定律。

②当温度很低时，即T<<θD，则经计算：

这表明了当T趋于0K时，CV与T3成比例地趋于零，这也就是著名的德拜T立方定律。

1.2.3无机材料的热容（见课件）

1.3影响热容的因素

●影响无机材料热容的因素：

●影响金属热容的因素:

1.自由电子对金属材料热容的贡献:

在低温下几乎所有的化合物,固溶体和中间相的热容:

CV,m=ClV,m+CeV,m=αT3+γT

在极低或极高温度下,电子热容的贡献不可忽略.热容系数α,γ由低温热容实验测定.

2.合金成分对热容的影响:

合金的热容是每个组元热容与其质量百分比的乘积之和。

即C=x1C1+x2C2+…+xnCn。

_____奈曼-考普（Neuman-Kopp）定律

高温下该定律具有普遍性，适用于金属化合物，金属与非金属化合物，中间相和固溶体。

热处理能改变合金的组织，但对合金高温下的热容没有明显影响。

该定律对铁磁合金不适用。

3.相变时的金属热容变化：

金属及合金的组织转变：

热效应

（一）熔化和凝固：

熔点TmC液态﹥C固态

（二）一级相变：

在恒温恒压下，除有体积变化外，H和Q发生突变，伴随相变潜热发生，Cp热容无限大。

一级相变的特征是有体积突变；有相变潜热。

如果是等温转变则相变时焓的变化有突变，热容趋于无限大。

如纯金属的三态变化，同素异构转变，共晶，包晶转变，固态的共析转变等。

（三）二级相变：

相变在一个有限的温度范围内逐渐变化，焓也变化，但不突变。

热容在转变温度附近也有剧烈变化，但为有限值。

二级相变的特征是无体积突变和相变潜热，但膨胀系数和比热容有突变。

这类相变包括磁性转变，部分材料的有序无序转变（有人认为部分转变属于一级相变），超导转变。

（四）亚稳态组织转变：

亚稳态转变为稳态时要放出热量，从而导致热容曲线向下拐折（不可逆转变,如过饱和固溶体的时效，马氏体和残余奥氏体回火转变，形变金属的回复与再结晶等。

）

（五）研究有序-无序转变：

Ni3Fe合金即存在有序-无序转变，又存在铁磁-顺磁转变，它们度将出现热容峰。

当无序态Ni3Fe合金加热到350~470℃温区时，合金发生部分有序化并放出潜热使热容量Cp降低，这个热效应的大小正比于虚线下部阴影部分（Cp降低导致的Cp-t所包围）的面积；加热到470℃以上时，发生吸热的无序转变，热效应大小可以按虚线上部面积定量。

如果Ni3Fe合金在加热前为有序态，随加热温度增高，比热容显著增高，表示从完全有序到完全无序过程的吸热效应。

在590℃的吸热峰为铁磁-顺磁转变的热容峰（被有序化热效应所掩盖）。

１.4热容的测量与热分析（详细见课件）

2.材料的热膨胀

2.1热膨胀系数

物体的体积或长度随着温度的升高而增大的现象称为热膨胀。

假设物体原来的长度为l0，温度升高Δt后长度增量为Δl，实验指出它们之间存在如下的关系：

线膨胀系数：

（2.1）αl称为线膨胀系数.

物体体积随温度的增长可表示为：

体膨胀系数：

（2.2）αV称为体膨胀系数，相当于温度升高1K时物体体积相对增大。

线膨胀系数与体膨胀系数的关系:

几种典型材料的线膨胀系数（RT）:

石英玻璃:

αl~0.5×10-6/K；石英晶体:

αl~12×10-6/K；铁:

αl~12×10-6/K；

高温纳灯所用的封接导电材料:

金属铌αl=7.8×10-6/K；Al2O3灯管αl=8×10-6/K。

2.2固体材料热膨胀的物理本质：

原子的非简谐振动

2.3热膨胀和其它性能的关系

2.3.1膨胀系数与热容的关系

2.3.2膨胀系数α与熔点Tm的关系

格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程，即一般纯金属从0K加热到熔点Tm，相对膨胀量约为6%。

实际可写成：

TmαV=（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：

αlTm≈0.022

2.3.3膨胀系数α与德拜温度ΘD的关系：

αl=b/（V2/3AγΘD2）。

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。

2.3.4热膨胀与原子序数的关系:

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.

2.4影响膨胀性能的因素

2.4.11.相变的影响：

一级相变的特征是：

体积发生突变，伴有相变潜热，膨胀系数在转变点无限大。

如三态转变，同素异构转变等属于一级相变。

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。

1.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。

2.有序-无序转变：

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。

当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。

有序-无序转变也伴随着膨胀系数的变化，因此膨胀曲线出现拐折。

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变小。

3.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（Kovaralloy）。

2.4.2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。

对于相同组成的物质，由于结构不同，膨胀系数也不同。

通常结构紧密的晶体，膨胀系数都较大，而类似于无定形的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。

多晶石英的αl值为12×10-6/K；而无定型石英玻璃的α值只有0.5×10-6/K。

改错：

1．对于石墨而言，平行于C轴方向的热膨胀系数小于垂直于C轴方向的热膨胀系数。

答：

错；对于石墨而言，平行于C轴方向的热膨胀系数小（大）于垂直于C轴方向的热膨胀系数。

2．石英晶体的膨胀系数要比石英玻璃的膨胀系数小。

答：

错；石英晶体的膨胀系数要比石英玻璃的膨胀系数小（大）。

2.4.3钢组织的膨胀特性

•钢的膨胀特性取决于组成相的性质和数量。

•钢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。

改错：

在同一钢的组织中奥氏体的比容最大（小），马氏体的比容最小（大）

2.5膨胀的测量

1.光学膨胀仪

标样功能：

在普通光学膨胀仪中，标准样的功能是指示和跟踪待测试样的温度．

示差光学膨胀仪中，标准样的功能是除了指示温度和跟踪待测试样的温度外，还有将试样内部组织未转变前的膨胀量抵消，将膨胀量的测量范围缩小，以提高放大倍数和测量的灵敏度。

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（PYROSalloy）（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。

较石英传动杆的线膨胀系数约0.5×10-6/K。

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:

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性关系。

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。

3.机械式膨胀仪

（1）.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.

2.6膨胀分析的应用（组织转变→体积效应）

2.6.1亚共析钢，共析钢，和过共析钢的膨胀曲线分析及组织转变温度的确定

●亚共析钢的加热膨胀曲线分为共析转变和自由铁素体溶解两个阶段。

奥氏体的比容比珠光体小，珠光体转变为奥氏体使试样的长度产生明显收缩，导致膨胀曲线陡直下降。

自由铁素体逐渐溶解于奥氏体，致使曲线缓慢降低。

●共析钢的加热膨胀曲线上的陡直下降十分显著，表明珠光体转变为奥氏体的数量增多，体积收缩效应也随之增大。

●过共析钢在珠光体转变为奥氏体以后曲线斜率增大，这是由于奥氏体的膨胀系数比珠光体大。

过共析钢中有二次渗碳体存在，二次渗碳体不断溶解，使奥氏体的含碳量不断增高，比热容不断增大，从而导致膨胀曲线在高温区出现明显的拐折，拐折点的温度对应于Accm和Arcm。

膨胀曲线见书P29-图1.32

2.6.2过冷奥氏体等温转变的动力学曲线分析

2.6.3钢的冷却膨胀曲线分析

例1.金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转变成石墨（ρ=2.25g/cm3）结构时，求其体积改变百分数？

金刚石的晶体结构为复式面心立方结构，每个晶胞共含有8个碳原子。

解：

金刚石的密度：

ρ=（8×12）/（（0.357×10-7）3×6.02×1023）=3.503（g/cm3）

1g金刚石的体积（比容）V1=1/3.503=0.285（cm3/g）;1g石墨的体积V2=1/2.25=0.444（cm3/g）;故由金刚石转变成石墨结构时体积膨胀=（V2-V1）/V1=（0.444-0.285）/0.285=55.8%

例2.CalculatethechangeinvolumethatoccurswhenBCCironisheatedandchangestoFCCiron.ThelatticeparameterofBCCironis2.863AandofFCCironis3.591A

VolumeofBCCcell=a3=2.8633=23.467×10-30（m3）

VolumeofFCCcell=a3=3.5913=46.307×10-30（m3）

ButtheFCCunitcellcontainsfouratomsandtheBCCunitcellcontainsonlytwoatoms.TwoBCCunitcellswithatotalvolumeof46.934willcontain4atoms.Volumechange/atom=（46.307-46.934）/46.934=-1.34%Steelcontractsonheating!

!

3.材料的热传导与热稳定性

1.基本概念：

热传导；热导率（λ）；热扩散率（α）

2.基本规律：

•傅立叶（Fourier）定律：

单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。

λ导热能力。

魏德曼-弗兰兹定律：

3．固体材料热传导的微观机理

固体导热：

电子导热，声子导热和光子导热。

能量的载体：

电子（德布罗意波）；声子（格波）：

声频波的量子；光子（电磁波）

金属：

主要是电子导热为主；合金/半导体：

电子/声子导热；绝缘体：

声子导热。

热导率λ与热阻率

的关系为λ=1/

。

4.影响热导率的因素：

（1）温度的影响；

（2）显微结构的影响；（3）化学组成的影响；（4）气孔的影响。

5.导热系数测量方法：

稳态方法:

（1）1.热流法导热仪；

（2）保护热流法导热仪；（3）保护热板法导热仪：

动态（瞬时）测量法：

（1）热线法；

（2）激光闪射法。

6.材料的热稳定性

提高抗热冲击断裂性能的措施：

1.提高应力强度σ，减小弹性模量E

2.提高材料的热导率

3.减小材料的膨胀系数

4.减少材料表面热传递系数

5.减小产品的有效厚度

第四章

第四章第二章材料的电导

2.1电导的物理现象

2.1.1电导的宏观参量

电流密度J=E/ρ=Eσ（2.1）

式中ρ=R（S/L），为材料的电阻率。

电阻率的倒数定义为电导率σ，即σ=1/ρ。

电导率的基本表达式：

σ=nqμ（2.2）

其中：

σ为电导率，n为载流子的浓度，q为载流子的电荷量，μ为载流子的迁移率。

载流子：

电子，离子。

电子电导：

载流子为电子（或电子空穴）的电导称为电子电导；

离子电导：

载流子为离子（或离子空位）的电导称为离子电导。

无机材料中的载流子可以有电子和电子空穴，阴、阳离子空位和阴、阳离子填隙，而金属导体中的载流子主要是电子

2.2晶体的能带

导体，半导体和绝缘体的能带结构及导电性。

金属导体的能带：

价带与导带重叠而无禁带，或价带没填满而形成导带。

此时处在导带的价电子就是自由电子，即使在温度很低时也具有很强的导电能力。

半导体的能带：

满价带和空导带，且有禁带。

禁带宽度较小（如锗ΔEg=0.72eV；硅Si的ΔEg=1.1eV；ZnO：

ΔEg=3.37eV）室温下导电能