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）

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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)]

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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。

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8.体膨胀系数αv：温度升高1K时，物体体积相对增长值。

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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

三、

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∝

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。

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qs，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
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

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：

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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。

四、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

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。

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。

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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。

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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

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相，降低了溶质的质量。

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

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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。