1、<<材料物理性能>>基本要求一，基本概念：1. 摩爾熱容: 使摩爾物質在沒有相變和化學反應的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為摩爾熱容。它反映材料從周圍環境吸收熱量的能力。2. 比熱容：質量為1kg的物質在沒有相變和化學反應的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為比熱容。它反映材料從周圍環境吸收熱量的能力。3. 比容：單位質量（即1kg物質）的體積，即密度的倒數（m3/kg）。4. 格波：由于晶體中的原子間存在著很強的相互作用，因此晶格中一個質點的微振動會引起臨近質點隨之振動。因相鄰質點間的振動存在著一定的位相差，故晶格振動會在晶體中以彈性波的形式傳播，而形成“格波”。

2、5. 聲子（Phonon）: 聲子是晶體中晶格集體激發的準粒子，就是晶格振動中的簡諧振子的能量量子。6. 德拜特征溫度: 德拜模型認為:晶體對熱容的貢獻主要是低頻彈性波的振動，聲頻支的頻率具有0max 分布,其中,最大頻率所對應的溫度即為德拜溫度D,即D=max/k。7. 示差熱分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在測定熱分析曲線（即加熱溫度T與加熱時間t的關系曲線）的同時，利用示差熱電偶測定加熱（或冷卻）過程中待測試樣和標準試樣的溫度差隨溫度或時間變化的關系曲線TT（t），從而對材料組織結構進行分析的一種技術。8. 示差掃描量熱法（Diffe

3、rential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法測量加熱或冷卻過程中，將試樣和標準樣的溫度差保持為零時，所需要補充的熱量與溫度或時間的關系。9. 熱穩定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。10. 塞貝克效應：當兩種不同的導體組成一個閉合回路時，若在兩接頭處存在溫度差則回路中將有電勢及電流產生，這種現象稱為塞貝克效應。11. 玻爾帖效應：當有電流通過兩個不同導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，還要在兩接頭處出現吸熱或放出熱量Q的現象。12. 邁斯納效應：若在常溫下將超導體先放入磁場內，則有磁力線穿過超導體；然后再將超導體冷卻至

4、Tc以下，發現磁產從超導體內被排出，即超導體內無磁場B=0。即超導體具有完全的抗磁性。13. 鐵電體：具有電疇結構和電滯回線的晶體。14. 鐵電性：具在一定溫度范圍內具有自發極化，且自發極化的方向可因外電場的作用而反向，晶體的這種特性稱為鐵電性。15. 自發極化：在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產生的極化。16. 壓電效應：在某些晶體（主要是離子晶體）的一定方向施加機械力作用時，晶體的兩端表面出現符號相反的束縛電荷，且束縛電荷的密度與施加的外力大小成正比，這種由機械效應轉換成電效應的現象稱為壓電效應。17. 逆壓電效應：將具有壓電效應的電介質置于外電場中，由于外電場的作

5、用引起其內部正負電荷中心位移，從而導致電介質發生形變（形變與所加電場強度成正比），這種由電效應轉換成機械效應的過程稱為逆壓電效應。18. 介質損耗：由于導電或交變場中極化弛豫過程在電介質中引起的能量損耗，由電能轉變為其它形式的能（如熱、光能等），統稱為介質損耗。19. 光生伏特效應：光照射引起PN結兩端產生電動勢的效應。當光照射到PN結結區時，光照產生的電子空穴對在結電場作用下，電子推向N區，空穴推向P區；電子在N區積累使N區側帶負電，空穴在P區積累使P區側帶正電，從而建立一個與原內建電位差相反的電位差，稱為光生電位差。20. 磁化強度：單位體積的總磁矩，表征物質的磁化狀態。21. 磁疇：在未

6、加磁場時鐵磁體內部已經磁化到飽和狀態的小區域。22. 磁致伸縮效應：鐵磁體在磁場中被磁化時，其形狀和尺寸都發生變化的現象。23. 退磁場：當鐵磁體磁化出現磁極后，這時在鐵磁體內部由于磁極作用而產生一個與外磁化場反向的磁場，因它起到減弱外磁場的作用，故稱為退磁場。24. 技術磁化：在外磁場的作用下，鐵磁體從完全退磁狀態磁化到飽和的內部變化過程。25. 磁導率µ：當外磁場H增加時，磁感應強度B增加的速率叫磁導率，用µ表示， 即µ=B/H。26. 內耗：固體材料對振動能量的損耗稱為內耗，它代表材料對振動的阻尼能力。27. 滯彈性：在彈性范圍內出現的非彈性現象（如彈性蠕變

7、和彈性后效）。28. 滯彈性內耗：由滯彈性產生的內耗。29. 彈性模量：在彈性范圍內，引起物體單位變形所需要的應力大小。即材料所受應力與應變之間的線性比例系數， = E，其中稱為彈性模量。它表示材料彈性變形的難易程度。二，基本理論（含微觀機理）：熱學: 杜隆珀替定律；愛因斯坦模型；德拜的比熱模型電學: 1. 量子自由電子理論; 2. 能帶理論; 3.離子導電機制磁學: 1鐵磁金屬的自發磁化理論; 2. 矯頑力理論（應力理論，雜質理論）熱膨脹：微觀機理彈性與內耗: 1彈性理論；滯彈性內耗機制（馳豫理論的基本思想）三，基本規律（含影響因素）熱學：熱容的實驗規律，影響熱容的因素及規律（溫度，組織轉變

8、，結構相變，合金成分等）電學：導體，半導體，絕緣體的導電性隨溫度的變化規律；影響導電性的因素磁學：曲線；磁化規律；影響鐵磁性的因素（組織敏感參量和組織不敏感參量）熱膨脹：熱膨脹的實驗規律；常見材料（如鋼組織）的膨脹規律彈性與內耗：內耗的實驗測定；斯諾克內耗實驗四，實驗測量方法與原理熱學：熱容的測定及熱分析方法磁學：磁性的測量方法及原理（如矯頑力等）熱膨脹：熱膨脹的測量方法彈性與內耗：彈性模量及內耗的測量原理；碳在Fe中的擴散系數和擴散激活能的測定<<材料物理性能>>內容簡介第一章. 材料的熱性能由于材料和制品往往要應用于不同的溫度環境中，很多使用場合還對它們的熱性能有著

9、特定的要求，因此熱學性能也是材料重要的基本性質之一。固體材料的一些熱性能如比熱，熱膨脹、熱傳導等都直接與晶格振動有關，因此我們首先介紹熱力學與統計力學一些概念和晶格振動的有關內容。1 材料的熱容熱容的概念:熱容的定義：物體在溫度升高1K時所吸收的熱量稱作該物體的熱容摩爾熱容：使摩爾物質在沒有相變和化學反應的條件下，溫度升高1K所需要的能量,它反映材料從周圍環境吸收熱量的能力。比熱容：質量為1kg的物質在沒有相變和化學反應的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為比熱容。它反映材料從周圍環境吸收熱量的能力。比容：單位質量（即1kg物質）的體積，即密度的倒數（m3/kg）。物體的熱容還與它的熱過程性質

10、有關，假如加熱過程是恒壓條件下進行的，所測定的熱容稱為恒壓熱容(CP)。假如加熱過程是在保持物體容積不變的條件下進行的，則所測定的熱容稱為恒容熱容(CV)。由于恒壓加熱過程中，物體除溫度升高外，還要對外界作功(膨脹功)，所以每提高1K溫度需要吸收更多的熱量，即CP>CV， 1.1晶態固體熱容的經驗定律和經典理論晶體的熱容，元素的熱容定律杜隆珀替定律：“恒壓下元素的原子熱容等于25J/K·mol”。實際上大部分元素的原子熱容都接近25 J/K·mol，特別在高溫時符合得更好。根據晶格振動理論，一個摩爾固體中有N個原子，總能量為：E = 3NkT=3RT 式中 N阿佛加德

11、羅常數；T絕對溫度(K)；k波爾茨曼常數；R8.314(J/k·mol)氣體普適常數。按熱容的定義，有: Cv= (dE/dT)v = 3NkB = 3R =24.91 J/(mol.K) 1.2晶態固體熱容的量子理論1.2.1 愛因斯坦模型愛因斯坦提出的假設是：晶體中所有原子都以相同的頻率振動,振動的能量是量子化的,且每個振子都是獨立的振子。當 T >> E 時: =3R 這就是杜隆珀替定律的形式。當T趨于零時，CV逐漸減小，當T0時，CV=0，這都是愛因斯坦模型與實驗相符之處，但是在低溫下，當T << E時:這樣CV依指數律隨溫度而變化，這比實驗測定的曲線

12、下降得更快了些，導致差異的原因是愛因斯坦采用了過于簡化的假設，實際晶體中各原子的振動不是彼此獨立地以單一的頻率振動著的，原子振動間有著耦合作用，而當溫度很低時，這一效應尤其顯著。1.2.2德拜的比熱模型德拜考慮到了晶體中原子的相互作用。德拜模型認為：晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，即較長的聲頻支在低溫下的振動由于聲頻支的波長遠大于晶格常數，故可將晶體當成是連續介質，聲頻支也是連續的，頻率具有0max高于max的頻率在光頻支范圍，對熱容貢獻很小，可忽略 式中D德拜特征溫度；, 一德拜比熱函數； 根據上式還可以得到如下的結論： 當溫度較高時，即T>>D，CV3R這即是杜隆珀替定律。

13、 當溫度很低時，即T<<D，則經計算： 這表明了當T趨于0K時，CV與T3成比例地趨于零，這也就是著名的德拜T立方定律。1.2.3無機材料的熱容 （見課件） 1.3 影響熱容的因素l 影響無機材料熱容的因素：l 影響金屬熱容的因素:1. 自由電子對金屬材料熱容的貢獻:在低溫下幾乎所有的化合物,固溶體和中間相的熱容:CV =ClV + CeV = T3 + T在極低或極高溫度下,電子熱容的貢獻不可忽略.熱容系數 , 由低溫熱容實驗測定.2. 合金成分對熱容的影響: 合金的熱容是每個組元熱容與其質量百分比的乘積之和。 即 C = x1C1 + x2C2 +xnCn。 _奈曼-考普(Ne

14、uman-Kopp)定律 高溫下該定律具有普遍性，適用于金屬化合物，金屬與非金屬化合物，中間相和固溶體。熱處理能改變合金的組織，但對合金高溫下的熱容沒有明顯影響。該定律對鐵磁合金不適用。3. 相變時的金屬熱容變化：金屬及合金的組織轉變：熱效應（一）熔化和凝固：熔點 Tm C液態 C固態（二）一級相變：在恒溫恒壓下，除有體積變化外，H和Q發生突變，伴隨相變潛熱發生。Cp熱容無限大。如純金屬的三態變化，同素異構轉變，共晶，包晶轉變，固態的共析轉變等。（三） 二級相變：相變在一個有限的溫度范圍內逐漸變化，焓也變化，但不突變。熱容在轉變溫度附近也有劇烈變化，但為有限值。這類相變包括磁性轉變，部分材料的

15、有序無序轉變（有人認為部分轉變屬于一級相變），超導轉變。（四）亞穩態組織轉變：亞穩態轉變為穩態時要放出熱量，從而導致熱容曲線向下拐折（不可逆轉變, 如過飽和固溶體的時效，馬氏體和殘余奧氏體回火轉變，形變金屬的回復與再結晶等。）.4熱容的測量與熱分析 (詳細見課件)比熱容的常用測量方法一. 量熱計法. (適用于低溫和中溫測比熱)。1. 混合法; 2. 電阻加熱法二. 撒克司法. (適用于高溫測比熱)三. 斯密特法.（適用測比熱與轉變潛熱）四. 熱分析方法l 簡單熱分析;l 示差熱分析DTA; 利用在相同條件下加熱或冷卻時,試樣和標準樣的溫度差與溫度或時間關系,對組織結構進行分析的一種技術。l 掌

16、握示差熱分析原理圖。l 差動掃描量熱DSC：用差動方法測量加熱或冷卻過程中，將試樣和標準樣的溫度差保持為零時，所需要補充的熱量與溫度或時間的關系2. 材料的熱膨脹2.1熱膨脹系數物體的體積或長度隨著溫度的升高而增大的現象稱為熱膨脹。假設物體原來的長度為l0，溫度升高t后長度增量為l，實驗指出它們之間存在如下的關系：線膨脹系數： (2.1) l 稱為線膨脹系數.物體體積隨溫度的增長可表示為：體膨脹系數： (2.2) V 稱為體膨脹系數，相當于溫度升高1K時物體體積相對增大。線膨脹系數與體膨脹系數的關系: 幾種典型材料的線膨脹系數(RT): 石英玻璃: l 0.5×10-6 /K；鐵:

17、l 12 ×10-6 /K； 高溫納燈所用的封接導電材料: 金屬鈮 l = 7.8×10-6 /K； Al2O3燈管 l = 8×10-6/K。2.2 固體材料熱膨脹的物理本質：原子的非簡諧振動晶格振動中相鄰質點間的作用力，實際上是非線性的，即作用力并不簡單地與位移成正比。質點在平衡位置兩側時受力的情況并不對稱，在質點平衡位置r0的兩側，合力曲線的斜率是不等的，當r< r0時，曲線的斜率較大，r> r0時，斜率較小，所以r< r0時，斥力隨位移增大得很快，r> r0時，引力隨位移的增大要慢些，在這樣的受力情況下，質點振動時的平均位置就不在r

18、0處而要向右移，因此相鄰質點間平均距離增加，溫度越高，振幅越大，質點在r0兩側受力不對稱情況越顯著，平衡位置向右移動得越多，相鄰質點間平均距離也就增加得越多，以致晶胞參數增大，晶體膨脹。從位能曲線的非對稱性同樣可以得到較具體的解釋，溫度愈高，平均位置移得愈遠，晶體就愈膨脹。2.3熱膨脹和其它性能的關系2.3.1膨脹系數與熱容的關系熱膨脹是因為固體材料受熱以后晶格振動加劇而引起的容積膨脹。而晶格振動的激化就是熱運動能量的增大。升高單位溫度時能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數顯然與熱容密切相關而有著相似的規律。格律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動理論: V = rCV/(E0V);

19、立方晶系: l = rCV/(3E0V); 其中， r為格律乃森常數(r約在 1.5 2.5間); E0 是0 K時體彈模量。線膨脹系數與熱容隨溫度T的變化關系定性一致。因溫度升高，熱振動加劇，升高單位溫度的能量也增高。2.3.2膨脹系數與熔點Tm的關系格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程，即一般純金屬從0 K加熱到熔點Tm，相對膨脹量約為6%。實際可寫成： Tm V = (VTm-V0)/V0 = C 其中, VTm和V0 分別為熔點和0K時金屬的體積。 C為常數，多數立方和六方晶格金屬取0.06 0.076。即固態金屬的體熱膨脹極限方程： (VTm-V0)/V0 = C 6% 6.7%。線

20、膨脹系數和熔點的關系可有經驗公式： l Tm 0.0222.3.3 膨脹系數與德拜溫度D的關系： l = b/(V2/3AD2); 可見，金屬的德拜溫度越高，膨脹系數就越小。由于原子間結合力與D2成正比，原子間結合力越大，膨脹系數越小。分析金屬的熱膨脹特性可以間接地獲得有關原子間結合力的信息。2.3.4 熱膨脹與原子序數的關系:具有一定的周期性:IA族元素的值隨Z增加而增大,其余A族元素的值則隨Z增加而減小.這與鍵有關. 堿金屬值高,過渡族元素值低.與原子結合力有關.石英玻璃的值約0.5×10-6/K；而F鐵為12 ×10-6/K.2.4 影響膨脹性能的因素2.4.1 1.

21、相變的影響：一級相變的特征是：體積發生突變，伴有相變潛熱，膨脹系數在轉變點無限大。如三態轉變，同素異構轉變等屬于一級相變。二級相變無體積突變和相變潛熱，但膨脹系數和比熱容有突變。1. 晶型轉變：室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于1000度時轉為四方晶型，體積收縮4%。嚴重影響應用。加入MgO,CaO, Y2O3等穩定劑后，在高溫與ZrO2形成立方晶型的固溶體。不到2000度不發生晶型轉變。2. 有序-無序轉變：如Au-Cu有序合金加熱到300時有序開始破壞。達480時完全無序化。拐折點對應有序無序轉變的上臨界溫度，常稱有序-無序轉變溫度。Cu-Zn合金成分接近CuZn時，形成具有體心立方點

22、陣的固溶體，低溫時為有序狀態，銅原子在每個單胞的結點上，鋅原子在中心。隨T升高逐漸轉變為無序，吸收熱量。屬于二級相變。3. 鐵磁性轉變：多數金屬和合金的膨脹系數隨溫度的變化規律與熱容一樣按T3規律變化。鐵磁金屬和合金會出現反常膨脹。目前解釋是磁致伸縮抵消了合金的熱膨脹。具有負反常膨脹特性合金可用于獲得膨脹系數為零或負值的因瓦(Invar)合金，或在一定溫度范圍內不變的可伐合金(Kovar alloy)。2.4.2不同結構的物質：原子間結合力與D2成正比，結合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數越小。對于相同組成的物質，由于結構不同，膨脹系數也不同。通常結構緊密的晶體，膨脹系數都較大，而類似于無定形的

23、玻璃，則往往有較小的膨脹系數。多晶石英的l值為12 ×10-6/K；而無定型石英玻璃的值只有0.5 ×10-6/K。2.4.3 鋼組織的膨脹特性 鋼的膨脹特性取決于組成相的性質和數量。 鋼組織中馬氏體比容最大，奧氏體最小，鐵素體和珠光體居中。而馬氏體，珠光體和奧氏體的比容都隨含碳量的增加而增大。 鐵素體和滲碳體的比容有固定值。 鋼的線膨脹系數則相反，奧氏體最大，鐵素體和珠光體次之，馬氏體最小。2.5膨脹的測量膨脹測量是材料熱性能研究的一種物理方法。材料的熱膨脹特性以它的膨脹系數表征，通常檢測其平均線膨脹，核心在于精確測量在特定溫區內的熱膨脹量。按原理可分為：光學式，電測式，

24、機械式。1. 光學膨脹儀光學膨脹儀是物理冶金中常用的膨脹儀。其基本原理是利用光杠桿放大試樣的膨脹量，并用標準樣的伸長標出溫度。又通過照相方法自動記錄膨脹曲線。放大倍數可達200 800倍通常可分為：(1). 普通光學膨脹儀(測定膨脹系數)(2). 示差光學膨脹儀(靈敏度和精確度更高，適于測定臨界點)標樣功能：在普通光學膨脹儀中，標準樣的功能是指示和跟蹤待測試樣的溫度示差光學膨脹儀中，標準樣的功能是除了指示溫度和跟蹤待測試樣的溫度外，還有將試樣內部組織未轉變前的膨脹量抵消，將膨脹量的測量范圍縮小，以提高放大倍數和測量的靈敏度。標準樣的要求：其膨脹量與溫度成正比；在測量范圍內無相變,不易氧化；導熱

25、系數接近待測樣。與試樣的形狀和尺寸相同.標準樣的選擇：較低溫度方圍研究有色金屬和合金時，常用銅和鋁純金屬做標準樣；研究鋼材時，研究鋼的標樣可采用皮洛斯合金（PYROS alloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).穩定性好，1000度以下無相變，膨脹系數由12.27×10-6/K均勻增加到21 . 24×10-6/K。較石英傳動桿的線膨脹系數約0.5×10-6/K。2. 電測式膨脹儀將膨脹量轉換為電訊號，然后進行電訊號的記錄，數據處理和畫出膨脹曲線。(包括應變電阻式膨脹儀，電容式膨脹儀和電感式膨脹儀) 。電感式膨脹儀:組成：初級，次級線圈和磁芯構成。初級和次級線

26、圈繞在同一絕緣管上, 次級線圈由兩段完全相同的繞組反向的先圈串接而成。它們相對初級線圈完全對稱。磁芯處在中間位置時，反接的次級線圈的感生電動勢相互抵消。磁芯偏離中間位置差動變壓器信號與磁芯偏離量呈線性關系。原理:采用差動變壓器原理將試樣的膨脹量轉換為電信號（放大倍數可達到6000倍）。特點：試樣可采用真空高頻加熱，加熱速度可控制在500/s以下范圍。試樣冷卻可以選用小電流加熱自然冷卻和強力噴氣冷卻三種冷卻方式。加熱溫度和冷卻速度易于自動化和計算機控制和數據處理。近年來，較為先進的全自動快速膨脹儀膨脹量轉換采用的就是差動變壓器原理。缺點：易受電磁因素的干擾。變壓器電源采用200400Hz以防止工

27、業網的干擾。3.機械式膨脹儀(1).千分表式膨脹儀(2). 杠桿式膨脹儀將膨脹量轉移到千分表或利用杠桿作用放大.2.6 膨脹分析的應用（組織轉變體積效應）2.6.1亞共析鋼，共析鋼，和過共析鋼的膨脹曲線分析及組織轉變溫度的確定l 亞共析鋼的加熱膨脹曲線分為共析轉變和自由鐵素體溶解兩個階段。奧氏體的比容比珠光體小，珠光體轉變為奧氏體使試樣的長度產生明顯收縮，導致膨脹曲線陡直下降。自由鐵素體逐漸溶解于奧氏體，致使曲線緩慢降低。l 共析鋼的加熱膨脹曲線上的陡直下降十分顯著，表明珠光體轉變為奧氏體的數量增多，體積收縮效應也隨之增大。l 過共析鋼在珠光體轉變為奧氏體以后曲線斜率增大，這是由于奧氏體的膨脹

28、系數比珠光體大。過共析鋼中有二次滲碳體存在，二次滲碳體不斷溶解，使奧氏體的含碳量不斷增高，比熱容不斷增大，從而導致膨脹曲線在高溫區出現明顯的拐折，拐折點的溫度對應于Accm和Arcm。膨脹曲線見書P29-圖1.322.6.2過冷奧氏體等溫轉變的動力學曲線分析2.6.3 鋼的冷卻膨脹曲線分析例1. 金剛石為碳的一種晶體結構，其晶格常數a=0.357 nm，當它轉變成石墨（=2.25g/cm3）結構時，求其體積改變百分數？金剛石的晶體結構為復式面心立方結構，每個晶胞共含有8個碳原子。解：金剛石的密度：=（8×12）/(0.357×10-7)3×6.02×10

29、23）=3.503（g/cm3）1g金剛石的體積（比容）V1=1/3.503=0.285 (cm3/g);1g石墨的體積V2=1/2.25=0.444(cm3/g);故由金剛石轉變成石墨結構時體積膨脹=（V2-V1）/V1=(0.444-0.285)/0.285=55.8%例2. Calculate the change in volume that occurs when BCC iron is heated and changes to FCC iron. The lattice parameter of BCC iron is 2.863 A and of FCC iron is 3.5

30、91 AVolume of BCC cell = a3 = 2.8633 = 23.467×10-30 （m3）Volume of FCC cell = a3 = 3.5913 = 46.307×10-30 （m3）But the FCC unit cell contains four atoms and the BCC unit cell contains only two atoms. Two BCC unit cells with a total volume of 46.934 will contain 4 atoms. Volume change/atom = (

31、46.307 -46.934)/46.934 = -1.34%Steel contracts on heating!3. 材料的熱傳導與熱穩定性1. 基本概念： 熱傳導； 熱導率（）； 熱擴散率（）2. 基本規律： 傅立葉（Fourier）定律：單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量。 導熱能力。 魏德曼-弗蘭茲定律：材料的熱傳導（1）穩定傳熱過程:熱傳導:材料中熱量由高溫向低溫區域傳遞的現象。（2）不穩定傳熱過程: 對于一個外界無熱交換，本身又存在溫度梯度的物體，單位面積上的溫度隨時間的變化率為: 3固體材料熱傳導的微觀機理固體導熱：電子導熱，聲子導熱和光子導熱。能量的載體：電子（

32、德布羅意波）；聲子（格波）：聲頻波的量子；光子（電磁波）金屬：主要是電子導熱為主；合金/半導體：電子/聲子導熱；絕緣體：聲子導熱。4. 影響熱導率的因素：（1）溫度的影響；（2）顯微結構的影響；（3）化學組成的影響；（4）氣孔的影響。5. 導熱系數測量方法：穩態方法: （1）1. 熱流法導熱儀；（2）保護熱流法導熱儀；（3）保護熱板法導熱儀：動態（瞬時）測量法：（1）熱線法；（2）激光閃射法。6. 材料的熱穩定性熱穩定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。熱沖擊損壞的類型：抗熱沖擊斷裂性：材料發生瞬時斷裂；抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環作用下，材料的表面開裂、剝落、并

33、不斷發展，最終碎裂或變質。 提高抗熱沖擊斷裂性能的措施：1. 提高應力強度，減小彈性模量E 2. 提高材料的熱導率 3. 減小材料的膨脹系數 4. 減少材料表面熱傳遞系數 5. 減小產品的有效厚度第四章 第四章 第二章 材料的電導2.1電導的物理現象2.1.1 電導的宏觀參量電流密度 J=E/=E （2.1）式中r=R(S/L)，為材料的電阻率。電阻率的倒數定義為電導率s，即s=1/r。也可寫為：J=sE （2.2）這就是歐姆定律的微分形式，它適用于非均勻導體。微分式說明導體中電流密度正比于該點的電場，比例系數為電導率。電導率的基本表達式： = nq （2.2）其中： 為電導率，n為載流子的濃

34、度，q為載流子的電荷量，為載流子的遷移率。載流子：電子，離子。電子電導：載流子為電子（或電子空穴）的電導稱為電子電導；離子電導：載流子為離子（或離子空位）的電導稱為離子電導。無機材料中的載流子可以有電子和電子空穴，陰、陽離子空位和陰、陽離子填隙，而金屬導體中的載流子主要是電子2.2 晶體的能帶導體，半導體和絕緣體的能帶結構及導電性。金屬導體的能帶：價帶與導帶重疊而無禁帶，或價帶沒填滿而形成導帶。此時處在導帶的價電子就是自由電子，即使在溫度很低時也具有很強的導電能力。半導體的能帶：滿價帶和空導帶，且有禁帶。禁帶寬度較小（如鍺Eg = 0.72 eV；硅Si 的Eg = 1.1 eV；ZnO：Eg

35、 = 3.37 eV）室溫下導電能力弱（室溫電子熱運動能量：kT=1.38×10-23J/K×300K/（1.6×10-19）=26×10-3eV=26meV）。絕緣體的能帶：滿價帶和空導帶，且有禁帶。禁帶寬度較寬（如金剛石的Eg = 6 eV；MgO：Eg = 7.7 eV），基本無導電能力。根據能帶理論，晶體中并非所有電子，也并非所有價電子都能參與導電，只有導帶中的電子或價帶頂部的空穴才能參與導電。在具有嚴格周期性勢場的理想晶體中的載流子，在絕對零度下的運動像理想氣體分子在真空中的運動一樣，不受阻力，遷移率為無限大。當周期性勢場受到破壞，載流子的運動

36、才受到阻力的作用，其原因是載流子在運動過程中受到了各種因素的散射。本小節以散射的概念為基礎分析討論電子的遷移率的本質。散射的兩個原因：1、晶格散射：晶格振動引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動越強對載流子的晶格散射也將增強，遷移率降低。2、離子雜質散射：離子雜質散射 的影響與摻雜濃度有關，摻雜越多，載流子和電離雜質相遇而被散射 的機會也就越多。溫度越高，散射作用越弱。高摻雜時，溫度越高，遷移率越小。2.3 影響電子電導的因素影響電導率的因素有溫度、雜質及缺陷。影響電導率的因素1. 溫度：溫度是強烈影響材料物理性能的外部因素。一般而言:電子電導：金屬材料電導率隨溫度的升高而下降。原因：因溫

37、度對有效電子數影響不大， 加熱使點陣熱振動加劇，電子散射幾率增加，電子運動平均自由程減小。離子電導： 離子晶體型陶瓷材料電導率隨溫度的升高而上升。原因：熱缺陷增多。2. 冷加工對金屬電阻的影響：冷加工形變使金屬電阻增大： 如：冷加工變形使金屬如 (Fe,Cu,Ag,Al等)的電阻率增加2% 6%，只有W,Mo,Sn可分別增加30%，50%，15%，20%，90%；一般單相固溶體經冷加工可增加10%20%，而有序固溶體則增加100%甚至更高。而(Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等合金形成K狀態，使電阻下降。3. 熱處理對金屬電阻的影響：退火產生回復和再結晶可使電阻下降。但退火溫

38、度高于再結晶溫度時，再結晶生成很細小晶粒，晶界面缺陷反使R大。淬火產生缺陷使R增大。4. 固溶體合金的導電性固溶體的導電性：nl 高導電性金屬溶入低導電性溶劑中也使固溶體電阻增高。nl 二元合金最大電阻率在50%處；鐵磁性和強順磁性固溶體有異。nl 貴金屬(Cu,Ag,Au)與過渡族金屬組成固溶體，電阻也異常高(價電子轉移到過渡族金屬的d-或f-殼層中。有效導電電子數減少。nl 有序化有利于改善離子電場的規整性，減少電子散射。不均勻固溶體(K狀態)的電阻：(Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等合金形成K狀態：現象:冷加工使電阻明顯降低，但回火反而使電阻升高。原因: 原子偏聚尺寸

39、與電子平均自由程可以比擬, 產生附加散射使電阻增大。5. 碳鋼的電阻：隨含碳量和熱處理工藝不同而變：淬火態比退火態電阻高。淬火態組織是碳在-鐵中的固溶體，含碳量越高，淬火后馬氏體和殘余奧氏體中固溶的碳就越多。6 超導電性超導體的性能：完全的導電性，完全的抗磁性（邁斯納效應）。影響超導態的三個性能指標：超導轉變溫度Tc；超導臨界磁場Hc（T）=Hc(0)1-(T/Tc)2; 超導臨界電流Ic = c r Hc/2.其中，c為光速，r為試樣截面半徑。7電阻的測量：=RS/L分類：n 高阻測量(R > 107 ) ，選用兆歐表(粗測)，沖擊檢流計(精測)。n 中阻測量(R：102106) ，用

40、萬用表，歐姆表，單電橋法(精測)。n 半導體用直流四探針法。n 金屬及合金電阻(R：10-6102) ，雙電橋或電位差計。重點掌握金屬導體，半導體，及絕緣體的測量方法，測量原理（含電路圖），測量步驟及計算公式。8電阻分析的應用：n 碳鋼的回火n Al-Cu合金的時效n Cu3Au合金的有序-無序轉化n 測定固溶體溶解度曲線9. 熱電性能l 三個基本熱電效應: 塞貝克效應 (1821年發現); 珀耳帖效應 (1834年發現); 湯姆遜效應 （1854年發現）.在珀耳帖效應中，如果電流方向與接觸電勢同向時，接觸端則放熱；如果電流方向與接觸端電勢反向時則吸熱。在湯姆遜效應中，如果電流方向與溫差電勢方

41、向相同時，則有熱流流出導體；如果電流方向與溫差電勢方向相反時，則有熱流流入導體。l 影響熱電勢的因素（合金元素，溫度，組織轉變，有序-無序轉變，鋼的含碳量及熱處理的影響，l 熱電勢的測量l 熱電性分析的應用熱電子效應10. 壓電性與鐵電性正壓電效應：在某些晶體（主要是離子晶體）的一定方向施加機械力作用時，晶體的兩端表面出現符號相反的束縛電荷，且束縛電荷的密度與施加的外力大小成正比，這種由機械效應轉換成電效應的現象稱為壓電效應。逆壓電效應：將具有壓電效應的電介質置于外電場中，由于外電場的作用引起其內部正負電荷中心位移，從而導致電介質發生形變（形變與所加電場強度成正比），這種由電效應轉換成機械效應

42、的過程稱為逆壓電效應。晶體的介電性：電場作用引起電介質產生極化的現象. 電介質的極化強度與施加電場呈正比： P= eo ceE鐵電性：在一定溫度范圍內具有自發極化，在外電場作用下，自發極化能重新取向，電位移矢量與電場強度間的關系呈電滯回線特征。 （具有自發極化的晶體）鐵電體：具有電疇結構和電滯回線的晶體。11熱釋電效應12光電性，磁電性一. 外光電效應 在光線作用下，物體內電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。 光電效應能否產生,取決于光子的能量是否大于該物質表面的電子逸出功。這意味著每一種物質都有一個對應的光頻

43、閥值,稱為紅限頻率（對應的光波長稱為臨界波長）。 f光線< f紅限, 再大的光強也不能導致電子發射； f光線> f紅限，微弱的光線即可導致電子發射。習題1. 光電管的光電子發射面受到 = 2537 Å的光照射，所放出的電子最大能量為2.5 eV，試求材料的逸出功。注： h = 6.626×10-34 Js； c = 3×108 m/s；q=1.6×10-19 庫侖。二.內光電效應 當光照射在物體上，使物體的電阻率發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：

44、1.光電導效應 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。本征吸收: 半導體吸收光子的能量使價帶中的電子激發到導帶，在價帶中留下空穴，產生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。產生本征吸收的條件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。即h Eg。從而有0Eg/h， 0 hc/Eg = 1.24m·eV

45、/Eg，h：普朗克常數；c：光速；0：材料的頻率閾值；0：材料的波長閾值習題2. 已知Ge和Si的禁帶寬度分別為0.72 eV和1.1 eV，試求光照下本證Ge和Si發生光電效應時所需光的最小波長？習題3. 某功函數為2.5 eV的金屬表面受到光照射，（1）這個面吸收紅光（紅=760 nm）或紫光（紫=380 nm）時，能發出光電子嗎？（2） 用波長為185 nm的紫外光照射時，從表面放出的光電子能量是多少電子伏特eV？2.光生伏特效應Ø 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。Ø 基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。第三章. 材料的

46、磁學性能一， 基本參量分子電流理論 磁荷（等效）理論 相互關系磁矩： 磁偶極矩： 磁化強度： 磁極化強度： 磁場強度：H 磁感應強度：B 磁化率：=M/H 磁導率：=B/H 二，基本關系； ； ； 三，單位換算SI： CGS：B: T; H : A/m  M : A/m B :G(Gauss); H :Oe; M : emu/cm3 （特斯拉）或Wb/m2B: 1T=104 G; H: 1×103 A/m=4 Oe; M: 1×103 A/m= emu/cm3 例1牌號為1J46的冷軋鐵鎳軟磁薄

47、帶的飽和磁化強度為Ms = 11.9×105 A·m-1，則飽和磁極化強度Js 為_ T （特斯拉），沿薄膜法向的退磁場Hd為_ A·m-1，最大矯頑力Hc = 20 A/m，相當于Hc = _ Oe （奧斯特）。（注：0 = 4×10-7 H·m-1）。3.1磁矩和磁化強度3.1.1磁矩（1）定義: 磁矩是表示磁體本質的一個物理量。任何一個封閉的電流都具有磁矩。其方向與環形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環形的面積的乘積IS。（2）原子磁矩物質是原子核和電子的集合體，要理解物質的磁性起源，就要考慮原子具有的磁矩。現在我們可以從以下三方面

48、來分析原子中的磁矩。 電子軌道運動產生的磁矩: l = (l(l+1)1/2 B 電子自旋產生的磁矩: s = (S(S+1)1/2 B 原子核的磁矩: 原子核的磁矩<<電子（軌道+自旋）磁矩 e：單位電荷；h:普朗克常數；m:電子質量；l: 軌道量子數；s:自旋量子數。外磁場（Z）方向上的磁矩分量：n 原子的磁矩Ø 電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成 Ø 孤立原子的磁矩決定于原子的結構 Ø 某些元素具有各層都充滿電子的原子結構，其電子磁矩相互抵消，因而不顯磁性Ø 原子構成晶體后，過渡族元素鐵族3d，鈀族4d，鉑族5d，錒族6d殼層未滿，

49、由于晶場作用使電子的軌道角動量動結。F電子影響較小。Ø 電子（軌道+自旋）磁矩 >>原子核的磁矩3.2 物質磁性的分類弱磁性: 1. 抗磁性；2. 順磁性；3. 反鐵磁性。強磁性: 1. 鐵磁體；2. 亞鐵磁體：與鐵磁體相似，但 值較小，如磁鐵礦（Fe3O4)。v 順磁性：定義: 當材料被磁化后,磁化矢量與外加磁場的方向相同時，固體表現為順磁性。Ø 順磁性物質的磁化率一般很小，室溫下約為10-310-6 數量級。Ø 原子內部存在固有磁矩(離子有未填滿的電子殼層)。如過渡元素、稀土元素：3d-金屬Ti,V; 4d-金屬鈮Nb, 鋯Zr, 鉬Mo，鈀Pd；

50、5d-金屬(Hf, Ta, W, 鉑Pt）。Ø 自由電子的順磁性大于離子的抗磁性。如：堿金屬和堿土金屬離子雖然是填滿的殼層，但Li，Na, K，Mg， Al是順磁性金屬。Ø 順磁性物質的磁化率與溫度 的關系服從居里-外 斯定律：v 抗磁性：定義: 當材料被磁化后,磁化矢量與外加磁場的方向相反時，固體表現為抗磁性。Ø 抗磁性物質的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的負常數(M與H反向)，一般約為10-6 數量級。Ø 抗磁性是電子電子的循軌運動在外加磁場作用下的結果.任何金屬都具有抗磁性.Ø 金屬中有一半是抗磁金屬。Cu, Ag, Au, Hg, Z

51、n, Bi等。(因抗磁性大于電子的順磁性)v 鐵磁性Ø 有一類物質如Fe,Co,Ni，室溫下磁化率可達10 10 6 數量級，這類物質的磁性稱為鐵磁性Ø 鐵磁性物質即使在較弱的磁場內，也可得到極高的磁化強度，而且當外磁場移去后，仍可保留極強的磁性（有剩磁）。Ø 鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現出來，超過這一溫度，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點其磁化率與溫度的關系服從居里一外斯定律 v 反鐵磁性反鐵磁自旋有序，首先是由舒爾和司馬特利用中子衍射實驗在MnO上證實。MnO的晶體結構是Mn離子形成面心立方晶格，O離子位于每個Mn-Mn對之間。從中子衍射線，超過奈耳點的

52、室溫衍射圖與奈耳點以下80K溫度的衍射圖比較，看到低于奈耳點的衍射圖有額外的超點陣線，通過分析得到反鐵磁的磁結構。v 亞鐵磁性體：相鄰原子磁體反平行，磁矩大小不同，產生與鐵磁性相類似的磁性。一般稱為鐵氧體的大部分鐵系氧化物即為此。3.3磁疇的形成和自發磁化3.3.1磁疇的形成鐵磁體在很弱的外加磁場作用下能顯示出強磁性，這是由于物質內部存在自發磁化的小區域，即磁疇。對于處于退磁化狀態的鐵磁體，它們在宏觀上并不顯示磁性，這說明物質內部各部分的自發磁化強度的取向式雜亂的。因而物質的磁疇不會是單疇，而是由許多小磁疇組成的。磁疇形成的原因有“交換”作用和超交換作用。3.3.1.1“交換”作用 磁偶極子類

53、似于一個小永久磁體，因此在其周圍形成磁場，這一磁場必然會對其它磁矩產生作用，使磁矩在特定方向取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趨于一致。實際上這是由于電子的靜電相互作用造成的，也即“交換”作用。這一現象也可從電子的“共有化”運動得到解釋。交換作用能: Eex = -AS1·S2 = -Acos; A>0時，自發平行排列； A<0時，反平行排列。3.3.1.2產生鐵磁性條件：鐵磁性除與電子結構有關外，還決定于晶體結構。 (1).有固有磁矩(未滿電子殼層); (2) Rab/r > 3，即一定的點陣結構。 Rab: 原子間距; r :未滿電子殼層半徑.3.3.1.3超交

54、換作用在某些材料中過渡金屬離子不是直接接觸，直接接觸交換作用很小，只有通過中間負離子氧起作用。在尖晶石結構中實際上存在A-A，B-B，A-B三種可能位置.因而存在三種交換作用。由于各種原因，這些化合物中只有其中的一種超交換作用占優勢。3.4 金屬的鐵磁性3.4.1 磁各向異性材料的磁化有難易之分，對于晶體來說，不同的晶體學方向其磁化也有所不同，即存在易磁化的晶體學方向和難磁化的結晶學方向，分別稱為易磁化軸和難磁化軸。如體心立方結構的Fe，其100的3個軸為易磁化軸，111的4個軸為難磁化軸。立方晶系晶體磁晶各向異性能：室溫下：鐵K1= 4.2×104 J/m3 ; Ni：K1= -0

55、.34×104 J/m3 ; 六角晶系晶體磁晶各向異性能： HCP Co： KU1=41×104 J/m3 ; 四方結構Nd2Fe14B: KU1=5×106 J/m3 ;六角：SmCo5: KU1=1.55×107 J/m3 ;3.4.2鐵磁體的形狀各向異性及退磁能退磁場：非閉合回路磁體磁化后，磁體內部產生一個與磁化方向相反的磁場。鐵磁體被磁化后產生的退磁場強度：Hd = -N·M; 其中N為幾何退磁因子，M為磁化強度，負號表示退磁場與M反向。退磁能：當鐵磁體呈開路態時，磁體越粗短(細長)，N值越大（越小），退磁能也越大（越小）。球體Nx=N

56、y=Nz=1/3; 沿Z方向的一維直線型磁體：Nx = Ny = 1/2，Nz=0; 在X-Y平面內的二維磁性薄膜：Nx = Ny = 0，Nz=1。在S.I.單位制中，Nx + Ny+ Nz = 1.3.4.3磁致伸縮效應使消磁狀態的鐵磁體磁化，一般情況下其尺寸、形狀會發生變化，這種現象稱為此致伸縮效應。長度為L的棒沿軸向磁化時，若長度變化為DL，則磁致伸縮率l=DL/L，磁致伸縮率在強磁場的作用下達到飽和的值ls稱為磁致伸縮常數，作為鐵磁體的特性參數經常使用。利用磁致伸縮可以使磁能（實際上是電能）轉換為機械能，而利用糍致伸縮的逆效應可以使機械能轉變為電能。磁彈性能：； 為M與夾角。 討論：1. 如果s < 0, >