江大材料物理性能深刻復(fù)習(xí)資料

1、第一章材料的熱學(xué)性能1 .熱容的概念(P42):熱容是分子或原子熱運(yùn)動(dòng)的能量隨溫度變化而變化的物理量，其定義T時(shí)物體熱是物體溫度升高1K所需增加的能量。溫度不同，物體的熱容不一定相同，溫度容為：Ct ()t(J/K)(簡(jiǎn)單點(diǎn)就直接用這個(gè)吧：CQ)PS:物理意義：吸收熱量提高點(diǎn)陣振動(dòng)能量，對(duì)外做功，加劇電子運(yùn)動(dòng)比熱容(單位質(zhì)量)：Cm? T2 .晶體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律(P42):杜隆一珀替定律：恒壓下元素的原子熱容為25J/(K mol) 奈曼一柯普定律：化合物熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和(P46):3 .從材料結(jié)構(gòu)比較金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高聚物的熱容大小A金屬：a純金屬：熱容由點(diǎn)陣振動(dòng)和自

2、由電子運(yùn)動(dòng)兩部分組成:CvC； C T3 Tb合金金屬：符合奈曼一柯普定律Cm X1C1 m X2C 2mXnCnmXiCim1273K左右近似B無(wú)機(jī)非金屬：a符合熱容理論，一般都是從低溫時(shí)的一個(gè)低數(shù)值增加到25J/(K mol)的數(shù)值；b無(wú)機(jī)材料熱容與材料結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，但單位體積熱容與氣孔率有關(guān)，多孔質(zhì)輕熱容小；c當(dāng)材料發(fā)生相變：一級(jí)附至5楣槍理谷方Tc熱容無(wú)窮大，不連續(xù)變化；二級(jí)相變：無(wú)體積突變，無(wú)相變潛熱，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)熱容達(dá)到有限極大值（P47C高聚物：多為部分結(jié)晶或無(wú)定型結(jié)構(gòu)，熱容不一定符合理論式，熱容相對(duì)較大，且由化學(xué) 結(jié)構(gòu)決定，溫度升高鏈段振動(dòng)加劇，改變鏈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（主鏈、支鏈（鏈節(jié)、側(cè)

3、基）。4 .從材料結(jié)構(gòu)比較金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高聚物的熱傳導(dǎo)機(jī)制 （P53）:A金屬：有大量自由電子，且電子質(zhì)輕，實(shí)現(xiàn)熱量迅速傳遞，熱導(dǎo)率一般較大。純金屬溫度升高使自由程減小作用超過(guò)溫度直接作用，熱導(dǎo)率隨溫度上升而下降；合金熱傳導(dǎo)以自由電子和聲子為主，因異類(lèi)原子存在，溫度本身起主導(dǎo)作用，熱導(dǎo)率隨溫度上升增大。B無(wú)機(jī)非金屬：晶格振動(dòng)為主要傳導(dǎo)機(jī)制， 即聲子熱導(dǎo)為主，約為金屬熱傳導(dǎo)的三十分之一。C高聚物：熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系比較復(fù)雜，但總體來(lái)說(shuō)熱導(dǎo)率隨溫度的增加而增加。高聚物主要依靠鏈段運(yùn)動(dòng)傳熱為主，而高分子鏈段運(yùn)動(dòng)比較困難，熱導(dǎo)能力比較差。5 .材料熱膨脹物理本質(zhì)：熱膨脹是指物體體積或長(zhǎng)度隨溫度升高而

4、增大的現(xiàn)象。膨脹是原子間距（晶格結(jié)點(diǎn)原子振動(dòng)的平衡位置間的距離）增大的結(jié)果，溫度升高，原子平衡位置移動(dòng)，原子間距增大，導(dǎo)致膨脹。雙原子模型：P49圖2-6.6 .熱膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)之間的關(guān)系 （P49）:溫度升高至熔點(diǎn)，原子熱運(yùn)動(dòng)突破原子間結(jié)合力， 破壞原固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)橐簯B(tài)，所以固態(tài)晶體膨脹有極限值。VTm V0格律乃森定律：Tm v C （C為常數(shù)，約在0.06-0.076 之間，）V0線膨脹系數(shù)與熔點(diǎn)：iTm0.022固態(tài)晶體熔點(diǎn)越高，膨脹系數(shù)越低，間接反映晶體原子間結(jié)合力大小。（增大）但材料7 .熱分析法概念：測(cè)量材料在加熱或冷卻過(guò)程中熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫度和時(shí)間的關(guān)系。固態(tài)相變時(shí)，產(chǎn)生的熱

5、效應(yīng)小，普通熱分析測(cè)量精度不高。8 .差熱分析法概念：在程序控溫下，將被測(cè)物與參比物在相同條件下加熱或冷卻，測(cè)量試樣與參比物之間的溫差隨溫度、時(shí)間的變化關(guān)系。對(duì)參比物的要求：應(yīng)為熱惰性物質(zhì)，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)本身不發(fā)生分解、相變、破壞，也不與被測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)盡量與試樣接近。(如硅酸鹽采用A12O3、MgO ;鋼鐵采用饃。)9 .熱應(yīng)力(P63):由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。材料內(nèi)應(yīng)力：E( -p)E (T T0)產(chǎn)生原因：桿件材料兩端完全剛性約束，熱膨脹無(wú)法實(shí)現(xiàn)，則桿件與支撐體間產(chǎn)生很大應(yīng)力；多相組成材料，不同相膨脹系數(shù)不同， 溫度變化時(shí)各相膨脹收縮量

6、不同而相互牽制產(chǎn)生熱應(yīng)力；各相同性材料，存在溫度梯度時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。10 .抗熱沖擊斷裂(P64)：發(fā)生瞬時(shí)斷裂，抵抗這類(lèi)破壞的性能。一一一f(1)第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子：R -) T maxE最大熱應(yīng)力max不超過(guò)強(qiáng)度極限f,則材料安全。材料可承受溫度變化范圍越大，熱穩(wěn)定性約好。f(1)-1第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子：R , T max RS?E0.31rmhR越大，熱穩(wěn)定性約好。(散熱) R第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子：R Ra (冷卻速率)Cp抗熱沖擊損傷(P62):在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開(kāi)裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)，抵抗這種破壞的性能稱(chēng)為抗熱沖擊損傷性能?？篃釕?yīng)力損傷因子R和R

7、 ，二者值越高抗熱損傷性能越好。11 .提高抗熱沖擊斷裂措施（P69）:1）提高材料強(qiáng)度，減小彈性模量 E,使一提高（同種材料若晶粒細(xì)小、晶界缺陷小、氣E孔少且分散均勻，往往強(qiáng)度高，抗熱沖擊性能好）。2）提高材料的熱導(dǎo)率，提高R （大的材料傳遞熱量快，材料內(nèi)外溫差較快得到緩解、平衡，降低短期熱應(yīng)力的聚集）。3）減小材料的熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)小的材料，在同樣溫差下產(chǎn)生熱應(yīng)力小。4）減小表面熱傳遞系數(shù) h,保持緩慢散熱降溫。5）減小產(chǎn)品的有效厚度 rm。第二章材料的導(dǎo)電性能1 .超導(dǎo)電性（P115）: 一定低溫條件下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象。（超導(dǎo)態(tài)電子對(duì)運(yùn)動(dòng)不耗能）超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性：A完全

8、導(dǎo)電性：電阻為零，超導(dǎo)體為等電位，內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)。B完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）：屏蔽磁場(chǎng)和排除磁通的性能。2 .固溶體的導(dǎo)電性：1）固溶體組元濃度影響：形成固溶體合金導(dǎo)電率降低，原因A溶質(zhì)原子引起溶劑點(diǎn)陣畸變，破壞晶格勢(shì)場(chǎng)周期性，增加電子散射概率，增大電阻率；B組元間化學(xué)相互作用增強(qiáng)，有效電子數(shù)減少，電阻率增大。2）有序固溶體：A組元間化學(xué)相互作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無(wú)序固溶體強(qiáng)，電子數(shù)減少，電阻率增強(qiáng)；B晶體的離子電場(chǎng)有序化后更對(duì)稱(chēng)，減少電子散射，電阻降低，這一因素占優(yōu)勢(shì)?？傮w合金電阻降低。3）不均勻固溶體：冷加工變形使電阻減小。形成不均勻固溶體時(shí)，點(diǎn)陣形成原子偏聚，偏聚區(qū)成分與固溶體成分不同，原子

9、聚集區(qū)域的集合尺寸與電子波波長(zhǎng)相當(dāng)（ 1nm ）,可強(qiáng)烈散射電子波，提高合金電阻率。聚集區(qū)域的原子為有序排列，冷加工能有效地破壞固溶體中的這種近程有序狀態(tài)，是不均勻組織變成無(wú)序的均勻組織，因此合金電阻率明顯降低。溫度、壓力、形變對(duì)于導(dǎo)電性質(zhì)的影響溫度：金屬電阻率隨溫度升高而增大，溫度升高會(huì)使離子振動(dòng)加劇，熱振動(dòng)振幅加大，原子的無(wú)序度增加，周期勢(shì)場(chǎng)的漲落也加大。這些因素都使電子運(yùn)動(dòng)的自由程減小，散射概率增加而導(dǎo)致電阻率增大。大多數(shù)金屬在熔化成液態(tài)時(shí)，其電阻率會(huì)突然增大約1.52倍，這是由于原子排列的長(zhǎng)程有序被破壞，從而加強(qiáng)了對(duì)電子的散射，引起電阻增加。應(yīng)力的影響：彈性應(yīng)力范圍內(nèi)的單向拉應(yīng)力，使原

10、子間的距離增大，點(diǎn)陣的畸變?cè)龃?，?dǎo)致金屬的電阻增大。高的壓力往往能導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化。引起導(dǎo)電類(lèi)型的變化，而且有助于從絕緣休一半導(dǎo)體一金屬一超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。冷加工變形 的影響：引起金屬電阻率增大， 是由于冷加工變形使晶體點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，造成點(diǎn)陣電場(chǎng)的不均勻而加劇對(duì)電子散射的結(jié)果。若對(duì)冷加工變形的金屬進(jìn)行退火， 使它產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶， 則電阻下降。再結(jié)晶生成的新晶粒的晶界增多，對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)所造成的，晶粒越細(xì)，電阻越大。（回復(fù)退火可以顯著降低點(diǎn)缺陷濃度，因此使電阻率有明顯的降低。再結(jié)晶過(guò)程可以消除形變時(shí)造成的點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷，所以再結(jié)晶可使電阻率恢復(fù)到冷變形

11、前的水平。）3 .金屬化合物導(dǎo)電性： 合金導(dǎo)電率比純組元低， 因原子間一部分金屬鍵轉(zhuǎn)化成共價(jià)鍵或離子鍵，有效電子數(shù)減少，電阻率增高。4 .多相合金的導(dǎo)電性：與組成相的導(dǎo)電性、相對(duì)量、合金的組織形態(tài)有關(guān)。5 .影響金屬導(dǎo)電性的因素（P119）：1)溫度：溫度升高，熱振動(dòng)振幅加大，原子無(wú)序度增加，電子運(yùn)動(dòng)自由程減小，散射概率增大，電阻率增大。 T0(1T)2)應(yīng)力：拉應(yīng)力使原子間距增大，點(diǎn)陣畸變?cè)龃?，電阻增大。電阻?(1)。3)冷加工變形(塑性變形)：使晶體點(diǎn)陣畸變，晶體缺陷增加，空位濃度增加，造成離子場(chǎng)不均勻，對(duì)電子波散射率增大， 導(dǎo)致電阻增加。回復(fù)退火再結(jié)晶降低缺陷濃度，降低電阻率。6 .三

12、個(gè)熱電效應(yīng)概念及物理本質(zhì)：熱電效應(yīng)指熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)1)第一熱電效應(yīng)(塞貝克效應(yīng)P141 ):兩種不同導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，若兩接頭處存在溫差，回路中將有電勢(shì)及電流產(chǎn)生?；芈分挟a(chǎn)生的電勢(shì)、電流稱(chēng)為熱電勢(shì)、熱電流；該回路稱(chēng)為熱電偶或溫差電池。產(chǎn)生機(jī)理：A接觸電位差：原因a兩種金屬的電子逸出功 (電子從金屬表面逸出所需的最小能量，與金1 屬表面勢(shì)壘E0和費(fèi)米能級(jí)EF有關(guān))不同，電位差 V12 -( ba) V2 V1 ； b兩種金屬e kT. na自由電子留度不同，電位差 V 12 ln 一。enbB溫差電位差：指金屬兩端溫度不同引起熱流，造成自由電子流動(dòng)，從而引起的電位差。熱端高能電子向冷端擴(kuò)散

13、， 熱端帶正電，冷端帶負(fù)電，金屬內(nèi)部產(chǎn)生阻止電子擴(kuò)散的溫差電場(chǎng)，穩(wěn)定后為 Va (T1, T2)、Vb(T1 , T2)。總電位差：12 V12(T1) V12(T2) V2(T1,T2) Vi(Ti,T2) (Ti 丁2)門(mén)0 V2(Ti,T2)Vi(Ti,T2) e n2塞貝克效應(yīng)應(yīng)用：測(cè)量溫度、溫差發(fā)電、材料成分組織分析。中間金屬定律：一系列金屬串聯(lián)的接觸電勢(shì)，只要中間金屬兩端溫度相同，不論其性質(zhì)如何都與中間金屬無(wú)關(guān)，只與兩端金屬有關(guān)。2)第二熱電效應(yīng)(波爾帖效應(yīng) P148 ):指電流通過(guò)兩個(gè)不同金屬接觸點(diǎn)，除電流產(chǎn)生焦耳熱，還額外產(chǎn)生放熱吸熱的現(xiàn)象。焦耳熱與電流方向無(wú)關(guān)，波爾貼熱與電流

14、方向有關(guān)且熱力學(xué)可逆。正反通電，兩次的熱量差為2Q （兩倍波爾帖熱）。產(chǎn)生機(jī)理：用接觸電位差解釋?zhuān)?P149圖4-53 ） , A接頭處兩金屬接頭有接觸電位差V12 ,阻礙電流電子運(yùn)動(dòng)， 電子反抗電場(chǎng)力做功 eV12 ,電子動(dòng)能減??；減速電子與金屬原子相碰，從金屬原子獲得動(dòng)能，則該處溫度降低，需從外界吸收能量。B接頭處接觸電位差使電子運(yùn)動(dòng)加速，電子動(dòng)能增加 eV12 ,碰撞將動(dòng)能傳遞給原子，溫度升高釋放熱量。3）第三熱電效應(yīng)（湯姆遜效應(yīng)P149）:指當(dāng)電流通過(guò)有溫差的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)有一橫向熱流流入或流出導(dǎo)體（橫向吸熱或放熱），其方向視電流或溫度梯度方向而定的現(xiàn)象：dQ , dT I dt dx產(chǎn)生

15、機(jī)理：（P149圖4-54 ）金屬存在溫差時(shí)，高溫端電子擴(kuò)散快為正電，低溫端為負(fù)電，形成高溫端指向低溫端的電位差，當(dāng)外加電流與 V（T1,T2）同向時(shí)，電子被溫差電場(chǎng)加速獲得能量，與晶格碰撞傳給晶格，金屬能量升高并放熱。外加電流反向則吸熱。一個(gè)由兩種導(dǎo)體組成的回路，接觸端溫度不同，三種熱效應(yīng)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生：塞貝克熱效應(yīng)產(chǎn)生熱電勢(shì)、熱電流，熱電流通過(guò)接觸點(diǎn)要吸收或放出波爾帖熱，通過(guò)導(dǎo)體時(shí)要吸收或放出湯姆遜熱。第三章材料的介電性能1 .電介質(zhì)（P154）:放在平板電容器中增加電容的材料稱(chēng)為介電材料。電介質(zhì)即在電場(chǎng)作 用下能建立極化的物質(zhì)。2 .束縛（感應(yīng)）電荷：在真空平板電容中嵌入一塊電介質(zhì)，外加電場(chǎng)

16、時(shí)，正極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷，這種感應(yīng)出的表面電荷稱(chēng)為束縛電荷。3 .電介質(zhì)極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象，可使電容器增加電荷的存儲(chǔ)能力。4 .電介質(zhì)的壓電性、熱釋電性、鐵電性的產(chǎn)生條件：1）壓電性（P181 ）:在晶體的一些特定方向上加力，在力的垂直方向的平面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷的現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：A必須是電介質(zhì)；B結(jié)構(gòu)必須帶有正、負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)，有離子或離子團(tuán)的存在，即必須為離子晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體；C結(jié)構(gòu)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心。2）熱釋電性（P182）:晶體由于溫度作用使電極化強(qiáng)度變化。條件： A具有自發(fā)極化（固有極化）能力的晶體；B在結(jié)構(gòu)上有極軸

17、（晶體唯一的軸，軸兩端有不同的性質(zhì)，采用對(duì)稱(chēng)操作不能與其他晶向重合的方向）C結(jié)構(gòu)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心。5 ）鐵電性：晶體中極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)變化而變化的性質(zhì)。般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體存在的宏觀條件一般電介質(zhì)壓電體熱釋電體鐵電體電場(chǎng)極化電場(chǎng)極化電場(chǎng)極化電場(chǎng)極化無(wú)對(duì)稱(chēng)中心無(wú)對(duì)稱(chēng)中心無(wú)對(duì)稱(chēng)中心自發(fā)極化自發(fā)極化極軸極軸電滯回線第四章材料的磁學(xué)性能1 .原子磁矩包括 電子軌道磁矩（電子繞原子核運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）、電子自旋磁矩、原子核磁矩。2 .原子固有磁矩概念（P194）:電子軌道磁矩和電子自旋磁矩構(gòu)成原子固有磁矩（本征磁矩）。產(chǎn)生的本質(zhì)：電子層各個(gè)軌道電子排滿，電子磁矩相互抵消， 該電子層磁矩和為零；若原子

18、中所有電子層都排滿，形成球形對(duì)稱(chēng)集體，則電子軌道磁矩和電子自旋磁矩各自相互抵消,此時(shí)原子本征磁矩為零。 原子中有未被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被抵消 （方向相反的電子自旋磁矩可以相互抵消），原子具有“永久磁矩”。3 .任何物質(zhì)都具有抗磁性本質(zhì)的原因（P198）:外加磁場(chǎng)作用下由于電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相反的附加磁矩。順磁性原因：外磁場(chǎng)作用下，為降低靜磁能，原子磁矩要轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，使總磁矩不為零表現(xiàn)出磁性。4 .鐵磁性金屬產(chǎn)生自發(fā)磁化的原因（P203）:（自發(fā)磁化：在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，材料發(fā)生的磁化）A有未填滿的電子層，因電子間的相互作用產(chǎn)生自發(fā)磁化（兩原子相接近，電 子云互相重疊且電子層的能量相差不大，因此電子可互換位置， 使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列）B電子互換產(chǎn)生附加能量為交換能，EexAcos ,當(dāng)a/r3 , A0 ,有自發(fā)磁化傾向。5 .銘、鎰是反鐵磁質(zhì)的原因（P196、P203）:反鐵磁體的磁化率是小的正數(shù)，在溫度低于某一溫度時(shí)，磁化率隨溫度升高而增大，高于這一溫度，其行為像順磁體。當(dāng)a/r1 ,即。1/ 3時(shí)，弛豫時(shí)間遠(yuǎn)大于振動(dòng)周期，意味著應(yīng)力變化非?？欤牧蟻?lái)不