材料物理性能复习资料整理

第一章力学性能材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。材料承受外力作用、抵抗变形的能力及其破坏规律，称为材料的力学性能或机械性能。材料在单位面积上所受的附加内力称为应力。法向应力导致材料伸长或缩短，而剪切应力引起材料的切向畸变。应变是用来表征材料在受力时内部各质点之间的相对位移。对于各向同性材料，有三种基本类型的应变：拉伸应变，剪切应变和压缩应变△。若材料受力前的面积为A0，则0=F/A0称为名义应力。若材料受力后面积为A，则T=F/A称为真实应力。对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变，其应力与应变关系服从胡克（Hook）定律（σ=Eε）。E是弹性模量，又称为弹性刚度。弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗形变能力（即刚度）的大小。E越大，越不容易变形，表示材料刚度越大。弹性模量是原子间结合强度的标志之一。泊松比：在拉伸试验时，材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比值。黏性形变是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间增加而增大。材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性。材料发生塑性形变而不发生断裂的能力称为延展性。在足够大的剪切应力作用下或温度T较高时，材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系统在晶粒内部发生位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。滑移和孪晶：晶体塑性形变两种基本形式。蠕变是在恒定的应力σ作用下材料的应变ε随时间增加而逐渐增大的现象。位错蠕变理论：在低温下受到阻碍而难以发生运动的位错，在高温下由于热运动增大了原子的能量，使得位错能克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。扩散蠕变理论：材料在高温下的蠕变现象与晶体中的扩散现象类似，蠕变过程是在应力作用下空位沿应力作用方向（或晶粒沿相反方向）扩散的一种形式。晶界蠕变理论：多晶陶瓷材料由于存在大量晶界，当晶界位相差大时，可把晶界看成是非晶体，在温度较高时，晶界黏度迅速下降，应力使得晶界发生黏性流动而导致蠕变。自然界中实际存在的材料，其形变介于理想弹性固体与理性黏性液体之间，既具有固体的弹性又具有液体的黏性，即黏弹性。常见的力学松弛现象有蠕变、应力松弛、滞后和力损耗。应力松弛是指在恒定的应变时，材料内部的应力随时间增长而减小的现象。蠕变和应力松弛属于静态力学松弛过程或称静态黏弹性。在交变应力作用下，形变落后于应力变化的现象称为滞后。当应变与应力同相位时，没有滞后现象，发生形变所做的功等于恢复原状时获得的功，而当应变滞后于应力δ相位时，则每一循环周期都要损耗能量，称为力损耗。在交变应力作用下发生的滞后和力损耗属于动态力学松弛或动态黏弹性。时温等效原理：材料的黏弹性力学松弛现象，不仅与时间有关，而且与温度有关。升高温度与延长时间对分子运动及其引起的黏弹性行为是等效的，可借助转换因子T将某一温度测定的黏弹性数据转换为另一温度T0的对应数据，这就是时温等效原理。Griffith断裂理论：断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面断开，而是裂纹扩展的结果，裂纹尖端会产生应力集中，裂纹的存在使得实际材料的断裂强度低于理论结合强度。陶瓷、玻璃等脆性材料有微米级微观线度的裂纹时，就会发生低于理论结合强度的断裂；而金属和非晶态高聚物则在毫米级宏观尺寸的裂纹时，才会发生低应力的断裂。抗拉强度是指在拉伸试验机上，在规定的试验温度、湿度和拉伸速率下，在哑铃形标准试样上施加拉伸负荷，直至试样断裂时所承受的最大应力σf。硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。（压入法和刻划法）一般可认为，硬度表征了材料表面上不大体积内抵抗塑性形变或断裂破坏的能力。常用的材料硬度有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度及显微硬度等第二章热学性能晶体中的原子以平衡位置为中心不停地振动，称为晶格热振动。当温度不太高时，原子的振动可看做是“谐振子”，线性谐振子的能量为：En=(n+1/2)hv(n=0,1,2,…)，可见晶格热振动的能量是量子化的，以hv为单元来增加能量，称这种能量单元为声子。热容量是指物质分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率。1g物质的热容量称为比热容，简称比热。1mol物质的热容量称为摩尔热容当加热在恒压条件下进行时，所测定的热容为定压热容（Cp）。当加热在保持物体体积不变条件下进行时，所测定的热容为定容热容（CV）。CpCV材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象称为热膨胀。在仪器、仪表及电真空技术中，要求应用具有特殊膨胀系数的合金，这些合金统称为膨胀合金。固体材料的热膨胀本质，在于晶格点阵实际上在做非简谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的，点阵能曲线也是非对称的。点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。热膨胀机理：详见《材料物理导论》P58对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动激烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。绝大多数材料的热膨胀系数随温度T变化的规律：随T升高，先快速增加（～T3），然后缓慢增加以至近于恒值，此种情况称为正常热膨胀。对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，膨胀系数随温度的变化不符合一般的正常热膨胀规律，而是在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，称为反常热膨胀。热传导是指材料中的热量自动地从热端传向冷端的现象。固体材料的热传导主要是由晶格振动的格波（声子）来实现，高温时还可能有光子热传导，而金属材料中以电子热传导为主。声子热传导：当材料中某一质点处于较高温度时，其热振动较剧烈，振幅较大，而邻近质点温度较低，热振动较弱；由于质点间有相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点影响下振动加剧，热运动能量增加，由此热量就能转移和传递，从温度较高处传向较低处，从而产生热传导现象。声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。光子热传导：高温时有明显的光子热传导。材料中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出频率较高的电磁波频谱，其中波长在0.4-40μm间的可见光和近红外光具有较强的热效应，称为热射线，热射线的传递过程称为热辐射。电子热传导：金属材料的热传导主要依靠电子。合金材料中电子的散射主要是杂质原子的散射。晶体中的缺陷、杂质、晶界等使声子平均自由程降低，使减小；平均自由程与声子振动频率有关，波长长的容易绕过缺陷，使自由程加大；平均自由程与温度有关，温度升高，声子的振动能量加大，频率加快，碰撞增多，自由程减小。在高温时，最小平均自由程等于几个晶格间距；在低温时，最长平均自由程长达晶粒的尺度。合金材料的热传导由声子和电子共同贡献。热稳定性（抗热震性）是指材料承受温度的急剧变化而不致碎裂破坏的能力。（抗热冲击断裂性＆抗热冲击损伤性）材料在未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力称为热应力。具有不同热膨胀系数α的多相复合材料，由于各相膨胀或收缩的相互牵制会产生内应力，各向同性材料由于材料中存在温度梯度也会产生内应力。第三章电学性能按照电阻率由大到小的规律，把材料分为介电（绝缘）体，半导体，导体，超导体。材料在电场作用下能产生导电电流的原因是存在电荷的定向运动，具体是通过电荷的载体（载流子）的运动来实现的。金属的自由电子气模型（费米电子气模型）：金属材料的原子在失去价电子成为带正电的离子实，而价电子在离子的正电背景下能自由移动，既满足电中性条件，也不会因价电子之间的库伦力而散开，这种自由电子还服从泡利不相容原理，其能量分布满足费米-狄拉克分布函数。金属材料的电阻率ρ与温度T成正比，温度高时金属材料的电阻大。ρ=ρs(T)+ρi能带理论采用“单电子近似法”来处理晶体中的电子能谱。单电子近似法假设：①固体中的原子核按一定的周期固定的排列在晶体中②每个电子是在固定原子核势场及其他电子的平均势场中运动。能带理论：电子能够占据的能量区域称为允带（布里渊区），允带之间的不允许电子占据的能量范围称为禁带。原子壳层中的内层允带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允带。被电子占满的允带称为满带，每一个能级上都没有电子的允带称为空带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带：价带上能量最低的允带称为导带。允带中的能级不是连续的，而是能级的间隔与禁带相比小得多，故可视为准连续的。导体、半导体与介电体的区别：P92迁移率是指载流子在单位电场中的迁移速度。对于晶态半导体材料及许多导体材料，其导电的载流子主要是电子或空穴（即电子空位），具有电子型电导，其特征是具有“霍尔效应”。霍尔效应：P94对于固溶型的CaO、Y2O3和ZrO3等材料，其导电的载流子主要是离子，具有离子型电导，其特征是具有“电解效应”。电解效应：由于离子导电发生迁移时，在电极附近发生电子得失，伴随有新物质的产生，即发生电解现象。许多电导率很低的材料在电场作用下会沿电场方向上产生电偶极矩μ，在靠近电极的材料表面会产生束缚电荷，这种材料称为介电体或简称为电介质，这种现象称为电介质的极化。根据构成物质的分子中正、负电荷中心是否重合，而把电介质分为两类：极性电介质（不重合时），非极性电介质（重合时）。根据参与极化的微观粒子种类，介电体分子极化可分为下列三类：电子极化：指在外电场的作用下，构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化。建立或消除极化时间极短，为10-15~10-16s。由电子极化产生的偶极矩与作用于该分子的电子强度之比值，称为“电子极化率”。离子极化：指在外电场作用下，构成分子的离子发生相对位移而形成的极化，离子极化建立或消除极化时间很短，与离子在晶格振动的周期有相同的数量级，约为10-12~10-13s。偶极子转向极化：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下，沿外施电场方向转向而产生宏观偶极矩的极化。有一类物质即使外加电场去除后仍然存在极化，这种极化称为“自发极化”，而且其自发极化方向可随外电场的方向的不同而反转，这类材料称为“铁电体”。电子位移极化和离子位移极化是“瞬时位移极化”。偶极子转向极化和热离子极化是“松弛极化”。实际介质电导率并不为零，介质中包括三部分电流：由几何电容的充电和位移极化引起的瞬时电流，由松弛极化引起的吸收电流和由电导引起的剩余电流。吸收电流也是介质在交变电压作用下引起介质损耗的重要来源，而剩余电流使介质产生电导损耗。介电体在高电场下电流急剧增大，并在某一电场强度下完全丧失绝缘性能的现象称为“介电体的击穿”，相应的电场强度称为“击穿强度”Eb或称为“抗电强度”。介电材料的击穿一般分为电击穿、热击穿。电击穿是在较低温度下介电体采用了消除了边缘效应的电极装置进行电击穿实验时观察到的一种击穿现象。电击穿强度是反映材料耐受电场作用能力的一种度量，是材料的特性参数之一。热击穿是由于介质内热的不稳定造成的一种击穿。固体介质的电击穿的碰撞电离理论：在强电场下固体导带中可能因冷发射或热发射而存在一些电子，这些电子一面在外电场作用下被加速获得动能，一面与晶格振动相互作用而加剧晶格振动，把电场的能量传递给晶格，当这两方面在一定温度下和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导，但当电子从电场中得到的能量大于损失给晶格振动的能量时，电子的动能越来越大，直至电子与晶格的相互作用增强到能电离产生新电子，自由电子数迅速增加，电导不断增大，导致电击穿开始发生。本征电击穿理论雪崩电击穿理论材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象，在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体。迈斯纳(Meissner)效应：当超导体低于临界温度Tc时，外加的磁场会被排斥在超导体之外。约瑟夫森(Josephson)效应：当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层。第四章磁学性能磁感应强度B：表示在外加磁场H的作用下，材料内部产生的磁通量密度。磁导率μ：表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部的磁通量密度，是材料的特征常数。相对磁导率μr：材料的磁导率