材料物理性能

材料物理性能材料学院：朱达川绪论按材质分类：金属材料、无机非金属材料、高分子材料按应用领域分：结构材料：强调力学性能，应力应变、强度、塑性、韧性功能材料：强调物理性能；电性能：导电性能，电阻、电阻率、导电率热性能：热容、热膨胀、热传导磁性能：软磁、硬磁声学性能：减震降噪、吸音光学性能：光的折射、反射、吸收功能的复合与转换：热电：温度引起电势的变化压电：力学性能引起极化现象电光：光学特性受电场影响而发生变化磁光：光学性能受磁场影响而变化声光：材料的力—电—热之间功能转换关系连接这些顶角的对角线表示三个主要效应：(1)在可逆变化并考虑单位体积时，温度的变化引起墒的变化dS＝(C／T)dT式中，标量c是单位体积的热容，而T为绝对温度．(2)电场的小变动dEj引起电位移变化dDi，且有如下关系式：dDi＝KijdEj式中，Kij为电容率张量．(3)应力的小变化dσkl会引起应变的小变化dεij，具体关系为dεij＝Sijkldεij式中Sijkl为弹件柔度．连接不同顶角的线段代表不同的藕合效应：下部表示材料的热弹效应，两条对角线中的一条代表由温度变化引起应变的热膨胀，表示由应力引起熵(热)的压热效应；两条平行线，上条线表示由应变引起熵(热)的形变热，下条线代表由温度变化而形状不变时引起的热压力。内容：系统地阐明金属材料物理性能(热、电、磁、弹性与内耗）的变化本质、变化规律、影响因素、测试方法及其在金属材料研究中的应用目的：在掌握必要的物理性能本质的基础上，着重掌握金属物理性能与金属成分、组织、结构之间的关系和金属物理性能的主要测试原理、方法，以期达到在金属研究中能合理选择物理性能分析方法及确定实验方法的初步能力，并为应用和发展特殊物理性能的金属材料打基础。参考书目：宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社：1991徐京娟，金属物理性能分析，上海科技出版社，1987陈述川，材料物理性能，上海交通大学出版社，1999第一章电性能1.1金属的导电性一、表征参数电阻R（Ω）、电阻率ρ（Ωm）、导电率σ（S/m）电阻温度系数：α导体：ρ：10-8~10-4Ωm半导体：ρ：10-4~10+7Ωm绝缘体：ρ：10+8~10+18Ωm二、金属导电理论1、经典电子理论假设：金属晶体中原子失去价电子成为正离子，正离子构成晶体点阵，价电子成为公有化电子，电子间无相互作用。自由电子与正离子间的作用仅类似于机械碰撞；无外场作用时，自由电子沿各向运动的机率相同，不产生电流；施加外电场后电子获得加速度，发生定向迁移，从而产生电流。mtEeatV/mtEeatV2/设单位体积金属中的自由电子数为n，则电流密度导电率σ=J/EmEtneVneJ22Vmlnemtne22Ò22lneVm22单位体积中自由电子数越多，电子运动自由程越大，金属导电性越好。缺陷：忽略了电子间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用。2、量子理论假设：在金属中点阵所产生的势场各处均匀，即离子与价电子没有相互作用，且价电子为整个金属所共有，但明确指出：金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级第二章热学性能热学性能包括热容、热膨胀和热传导，其共同特点是这些性能和金属中原子的热振动密切相关，即热学性能直接取决于晶格振动；由于金属及合金在发生相变时伴随热的吸收或释放，因此可根据热焓、热容等参数变化来判断相变类型，利用对热或温度的测量，确定相变的临界点，从而研究相的析出、固溶、冷加工后的回复与再结晶等过程。2.1热容2.2热膨胀一、热膨胀及其物理本质定义：材料在加热或冷却的过程中，其体积发生热胀冷缩的现象；（无相变：正常热膨胀）组织转变、相变过程也能产生明显的体积效应（异常）表征参数：平均线膨胀系数：平均体胀系数：真实线胀系数：对立方晶系、各向同性材料：121121*TTLLLl121121*TTVVVvdTLdLTl1lv3特殊膨胀合金：因瓦合金：低膨胀系数，α=1.8×10-6可伐合金（定胀合金）：在某一温度范围内，其α接近于一恒定值（4.8×10-6）高膨胀合金：具有较高的膨胀系数（23~28×10-6）热膨胀的物理本质：金属受热时体积膨胀与离子振动有关，温度升高，导致原子间距增大，产生膨胀，其根本原因在于原子热振动时原子间的作用力成非线性，形成的势能呈非对称性，由于势能曲线的非对称性导致原子中心右移，从而使原子间距增大，出现膨胀二、热膨胀与其它物理性能的关系1、热容：均为原子热振动增加而引起的振幅增大和振动能量增大的结果式中：r是格律乃森常数，是表示原子非线性振动的物理量，一般物质r在1．5—2．5，K为体积弹性模量，V为体积，C为等容热容vvCKVr2、原子间结合力A：熔点：原子间结合力越大，金属熔点（Tm）越高，升高相同温度使原子间距增量减小，膨胀系数越小，满足极限方程：Tmαv=（VTm-V0）/V0=Const对于立方、六方金属，C≈0.06~0.076，正方金属：C≈0.0276B：Deby特征温度：原子间结合力与Deby特征温度的平方成正比，故Deby特征温度越高，膨胀系数越小C：硬度：原子间结合力越大，切变模量G越大，位错运动阻力越大，塑性抗力越大，硬度越高，因而膨胀系数越小3、原子序数：热胀系数是原子序数的周期性函数；同一族IA族元素原子序数增加，线胀系数增大；其它A族元素随原子序数的增大，线胀系数下降；同一周期中过渡族金属膨胀系数最小，碱金属膨胀系数最大，原因在于碱金属原子间结合力小，熔点低，而过渡族元数熔点高，同时存在未排满的d、f层电子，结合力大，从膨胀系数小。三、热膨胀的影响因素（一）、相变的影响1、多晶型转变（同素异构）：由于点阵结构重排，金属比容突变，导致膨胀系数不连续变化，具备一级相变的特征；2、有序无序转变：二级相变，相变时体积无突变，但膨胀系数在相变温度区间有改变，从而在膨胀曲线上出现拐折Cv3、磁性转变：居里点Tθ处，随温度的升高，由铁磁----顺磁，从而产生磁致伸缩的逆效应，即出现一附加的伸长或缩短（由相变引起），体现在膨胀系数与温度的关系上，则出现反常：Ni、Co的热膨胀峰向上，为正反常；Fe热膨胀峰向下，为负反常（二）、合金成分和组织的影响1、固溶体：绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间，溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时，固溶体膨胀系数降低，反之升高；随溶质浓度的增加，其变化规律稍低于按算术相加规律的计算值，成凹曲线例：一般情况：在Al中溶入Cu、Si、Ni、Fe、Be；Cu中加Pd、Ni、Au均降低其热膨胀系数；Cu中溶入Zn、Sn使其热膨胀系数增大特殊情况：αSbαCu，但Sb加入Cu中，增大Cu的膨胀系数，与Sb的半金属性有关形成有序固溶体时：随有序度的增加，原子间结合力增大，故其膨胀系数小于无序固溶体。2、多相合金：主要取决于组成相的膨胀系数及其体积百分比合金组织为两相机械混合时，其膨胀系数介于两组成相的膨胀系数之间，近似符合直线规律αalloy=α1*V1%+α2*V2%多相合金的热胀系数对各相大小、分布及形状不敏感，主要取决于组成相的性质与数量。3、化合物：两元素形成化合物时，因原子间呈严格的规则排列，其元素间相互作用比固溶体原子间的作用大，故其膨胀系数较之固溶体，将较大幅度的下降。（三）、晶体结构的影响1、对称性（点阵类型）：对立方、各向同性材料：对六方、正方晶系：由于α11=α22≠α332、晶体缺陷：金属经（核）辐照或高温淬火后，在室温下可保留过饱和的点缺陷浓度，尤其是过饱和的空位浓度增大，使空位附近的原子间距增大，金属体积增大，膨胀系数上升。lv3（四）、钢的膨胀特性钢的显微组织与热处理有关：常见的有M，F+Fe3C（构成P、索氏体、屈氏体、B）、A，其密度依次增大；因此在淬火得到M时，其体积增大；比容从大到小的顺序为：M、Fe3C、F、P、A热胀系数从小到大的顺序为：M、Fe3C、F、P、A四、热膨胀的测量：机械式、光学式、电测式（一）、机械式（千分表指示测试法）（二）、光学式测试法1、普通光学测量法：水平位移：为标样的伸长量；由此伸长量可换算为加热温度垂直位移：试样的伸长量得到试样伸长量△L----T2、示差光学测试法：如以OB代表试样伸长，OA代表标准样伸长，若试样和标准样同时受热膨胀，由于标准样和试样在纵坐标上引起的光点位移相反，光点的位置在C点。并且光点实际位移代表试样和标准样在纵坐标上的投影差，故称为示差。（三）、电学测试方法1、电感式膨胀仪（依靠试样的膨胀导致电感中铁芯位移，产生差动变压）2、电容式膨胀仪（依赖试样膨胀导致电容器极板距离发生位移，使电容变化）五、热膨胀分析的应用由于组织转变都伴随有明显的体积效应，根据这一特性，膨胀法对分析钢的加热、等温、连续冷却和回火过程中的转变非常有利。（一）、确定钢的组织转变温度1、临界转变点（相变点的测定）试样在加热或冷却过程中长度的变化由温度变化（正常热胀冷缩）与组织转变产生的体积效应（异常热胀冷缩）引起；组织转变前与组织完全转变后，试样体积或长度的变化单纯由温度引起，呈线性变化，在组织转变温度范围内，附加了由组织转变引起的异常热胀冷缩，导致膨胀曲线偏离一般规律，拐折点对应组织转变的临界点；2、碳钢的膨胀曲线分析（二）、研究钢的等温转变1、等温转变的动力学曲线测试2、等温转变产物数量的确定与C曲线的绘制（三）、建立钢的连续冷却转变图与淬火膨胀曲线分析淬火膨胀曲线分析：可确定Ms、Mf、转变产物百分比的确定（四）、研究淬火钢的回火淬火钢的原始组织：淬火M+残余A回火过程中的三大效应：淬火M---回火M；残余A分解；碳化物的聚集与长大80一160℃温度区间发生了体积收缩，冷却膨胀曲线1表明温度降低时，曲线不沿原加热曲线回升，此时析出了碳化物相，体积收缩是由于碳化物析出，导致了马氏体的正方度下降。230一280℃温度区间发生了体积膨胀，它表明淬火组织中残余奥氏体发生了分解。260一360℃温度范围出现了体积收缩。它说明马氏体继续分解为铁索体和碳化铁的混合物。加热到535℃后，再缓慢地冷却至室温，冷却膨胀曲线在200℃附近出现了明显的拐折。它表明525℃回火钢的组织已完全转变为铁素体和渗碳体，在以后的冷却过程中渗碳体于200℃附近转变为弱铁磁相。（五）、研究热循环对材料的影响热循环在材料内部将产生缺陷和内应力，随热循环次数的增加，由于相变引起的膨胀幅度有规律地减小，最终完全消失，这是由于材料内部未松弛应力的作用使M体和A体都趋于亚稳定状态，在更高温度下加热，则这种亚稳定状态可得到缓解或消除。图中曲线(4)表示在第19次热循环过程中，由于加热到750℃，使得由从前的多次热循环稳定下来的马氏体在较高的As点开始转变，在随后的冷却过程中，还可以观察到标准的马氏体相变与第1次循环所观察到的完全相同。（六）、研究晶体缺陷晶体缺陷的存在或消失引起的晶体相对体积变化为10-4数量级。利用这种性质可以确定形变试件或高温淬火零件的空位或位错密度。（七）、研究快速升温时金属相变及合金时效动力学在焊接、电加热(高频)、热疲劳及高速连续热处理工艺中，由于升温速度极快，所以研究钢和合金快速加热的相变非常重要。用快速膨胀仪测得的Fe-8％Co(质量分数)合金的不同升温速度对α--γ相变温度的影响结果表明：随升温速度加快，相变温度也向高温推移，因为其相变机制是以扩散方式进行的。燃气轮机叶片用钢(0.06％C、10％Cr、20％Ni、3％Ti、0.4％A1、0.015％B，余为Fe)的加热膨胀曲线和时效等温膨胀曲线。经高温退火的固溶体，其加热膨胀曲线于750℃出现一拐折，根据X射线相分析表明，这个拐点(体收缩)是金属间化合物Ni3（Ti，Al)析出所引起的。时效等温膨胀曲线实际上表明了Ni3（Ti，Al)相析出的动力学过程，700℃等温时效时，Ni3（Ti，Al)相析出最剧烈。2.3热传导定义：由于材料相邻两部分间的温差而发生的能量迁移与传递；Fourier