材料物理性能复习资料

晶格热振动：晶体中的质点总是围绕着平衡位置作微小振动。格波:晶格振动以波的形式在材料内传播。热容：在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)，单位为J／k。声频支振动:格波中频率甚低的振动波，质点彼此之间的位相差不大时，格波类似于弹性体中的应变波.光频支振动:格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区为什么温度升高材料会吸收热量？这是因为温度升高时，晶格振动加剧，材料的内能增加；另外，吸收的热量与过程有关，若温度升高时体积发生膨胀，物体还要对外作功。热容是材料的焓随温度变化而变化的一个物理量，这就是热容的本质。组织转变对热容的影响:①一级相变：相变在某一温度点完成，除体积突变外，还同时吸收和放出潜热的相变。如金属三态转变、同素异构转变、合金的共晶和包晶转变等。特点：如图1-6(a)所示，加热到Tc时，热焓H发生突变，热容为无限大。②二级相变：是在一定温度区间内逐步完成。如磁性转变、bbc点阵有有序—无序转变、合金的超导转变等。特点：如图1-6(b)所示，热焓无突变，仅在相变点附近的狭窄区域内加剧，同时热容也发生剧烈变化，但为有限值。相变的潜热对应于图中的阴影部分面积。热容的测量:1.量热计法2.撒克斯法3.热分析法热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。线膨胀系数：温度升高1K时，物体的相对伸长。线性振动：是指质点间的作用力与距离成正比。热膨胀和结合能、熔点的关系:固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。所以，质点间结合力强，热膨胀系数小.熔点也取决于质点间的结合力。所以熔点高的材料膨胀系数小。热膨胀系数的测定：要测准材料的平均线膨胀系数，关键在于能否精确地给出试样温度变化值△T并同时精确反映出此时试样长度的变化值△L。通常把能给出试样长度随温度变化的装置称为膨胀仪。按原理可分为机械式、光学式和电测式。1.机械杠杆式膨胀仪：把试样的膨胀量通过杠杆放大传递到记录笔上。2.光杠杆膨胀仪：是利用三角架的机械放大，再加上安装在三角架上的旋转镜的光点反射光程的放大，使用照相方法直接记录出膨胀曲线。其精度较高，稳定性较好，是目前使用最高度广泛的膨胀仪之一。3.电感式膨胀仪：是目前应用最多的一种，放大倍数高。热膨胀分析：组织转变附加的体积效应使膨胀曲线产生拐折。切线法：从膨胀曲线可以确定组织转变临界点：①取膨胀曲线上偏离单纯热膨胀规律的开始点，即切离点。②取膨胀曲线上4个极值点a、b、c、d所对应温度作为组织转变临界点Ac1、Ac3、Ar3、Ar1影响热膨胀的因素：1.键强：键强越大的材料，热系数越小。2.晶体结构一般规律（1）结构不同（即使成分相同），膨胀系数不同。（2）通常结构紧密的晶体，膨胀系数较大；3.非等轴晶系晶体，其单晶在各晶轴方向上的膨胀系数不同。4.相变：材料在加热过程中发生相变时，体积变化，材料的膨胀系数也变化。5.化学成分:形成固溶体合金时，溶质元素的种类和含量对合金的膨胀系数有明显影响。两元素形成的化合物比形成的固溶体膨胀系数小。多相合金的膨胀系数介于其组成相的膨胀系数之间。可近似地根据“加和法则”粗略计算。温度应力又称为热应力,它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异,各处膨胀变形或收缩变形不一致,相互约束而产生的内应力熔点：在一个大气压下，晶体从固态熔化为液态的温度。热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端的现象。热传导：热量降从温度高的区域自动流向温度低的区域的现象。稳定传热是：传热过程中，材料在传热方向上各处的温度T是恒定的，与时间无关，△Q/△t是常数。导热系数λ的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。热阻率：热导率的倒数。非稳定传热是指：传热过程中物体内各处的温度随时间而变化。固体导热的基本方式：由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。气体导热的基本方式：质点间直接碰撞金属材料导热的基本方式：自由电子间碰撞；非金属材料导热的基本方式：晶格振动（格波）→声子碰撞，并且格波分为声频支和光频支两类。在温度不高时，光频支的能量很小，固体材料的导热主要靠声频支的作用，可以忽略光频支在导热过程中的作用。声频波的量子称为声子。它所具有能量仍然应该是hv，经常用ћω来表示。声子热导的理论假设：可把声频支的传热看成是声子的运动。把格波和物质的相互作用理解为声子和物质的碰撞，把格波在晶体中传播时遇到的散射看作是声子同晶体中质点的碰撞，把理想晶体中热阻归结为声子-声子的碰撞。晶格的热振动是非线性的→晶格间有着一定的耦合作用→声子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减小→热导率降低。声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。热射线：有热效应的电磁波称为热射线。热辐射：热射线的传递过程称为热辐射。影响导热性能的因素：电导率，温度，晶体结构，化学组成，复相陶瓷，气孔。热导率的测量：稳态法，非稳态法热稳定性:材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。热应力：材料由于热膨胀或收缩引起的内应力热冲击损坏的类型（1）材料抵抗发生瞬时断裂这类破坏的性能，称为抗热冲击断裂性；（2）材料抵抗在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质这类破坏的性能，称为抗热冲击损伤性。提高抗热冲击断裂性能的措施:1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ／E提高。2．提高材料的热导率λ，使R′提高。3．减小材料的热膨胀系数α。4减小表面热传递系数h。5减小产品的有效厚度rm。6有意引入裂纹，是避免灾难性热震破坏的途径。抗热冲击断裂性：以强度—应力（strength-stress）理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶瓷等无机材料。抗热冲击损伤性：以应变能—断裂能（strain-fractureenergy）为判据，认为在热应力作用下，裂纹产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能热导率的应用：（1）是保温材料选择的依据；（2）金属材料热处理计算保温时间的重要参数；（3）多相材料的导热系数可降低，且气体的导热系数比固体材料要低得多，气孔率高的多孔轻质耐火材料比一般的耐火材料的导热系数低，这是隔热耐火材料生产应用的基础。（4）航空、航天材料，电子信息材料的选择与计算。导电性:在电场作用下，材料中的带电粒子发生定向移动从而形成宏观电流的现象。根据材料导电性的高低，可将材料划分为：导体、半导体、绝缘体。电子电导的特性1.电子电导的载流子：是电子或空穴(即电子空位)。2.电子电导材料：主要发生在导体和半导体中。3.电子的运动1）在理想晶体中：在绝对零度下，电子运动像理想气体分子在真空中的运动一样，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。2）实际晶体中：周期性受到破坏，电子运动受到阻碍。电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因之一3）电场周期破坏的原因：晶格热振动、杂质的引入、位错和裂缝等。4）电子运动受阻的原因：电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射使电子运动受阻。电流密度J:单位面积通过的电流量。霍尔效应：若在X方向通以电流，在z方向上加以磁场，则在Y方向电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场的现象。载流子：材料中参与传导电流的带电粒子。迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度。μ=v/E电导率：σ=nqμ半导体的电导率表达式为：离子电导：载流子为离子的电导称为离子电导；电子电导：载流子为电子的电导称为电子电导。导电性的物理本质研究的三个理论阶段：经典自由电子理论，量子自由电子理论，能带理论。经典电子理论认为：正离子形成的电场是均匀的，自由电子运动的规律遵循经典力学气体分子的运动规律。量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。导带：最靠近价带而能量较高的能带.这是除去完全被电子充满的一系列能带外，还有部分被填表满的能带.此带中，电子能自由活动。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电子，从而产生电子导电性。enepeh禁带：又称能隙。不允许自由电子和空穴存在的各能带之间的能量间距，较常指价带之上，导带之下的一段能量区间。为了产生电导，必需将电子激发，越过禁带，进入导体、半导体、绝缘体的能带中电子分布的情况各具有明显的特征，导体中存在未满带(由于电子未充满或能带重叠)。绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁带。半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多(一般在1eV左右)。经典自由电子理论存在着严重缺陷。原因：认为所有的自由电子都参与导电。根源：经典自由电子理论没有认识到金属中自由电子的能量、波矢或速度状态的量子化特征影响本征载流子的浓度的因素：温度T高时,热缺陷浓度才显著,即本征电导在高温下显著。E和晶体结构有关，在离子晶体中，肖待基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能低。只有在结构很松，离子半径很小的情况下，易形成弗仑克尔缺陷，如AgC1晶体。物体的导电现象的微观本质：载流子在电场作用下的定向迁移影响迁移率的因素：晶格散射，电离杂质散射金属导体能带结构：导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，导电电子的浓度很大。半导体能带结构：半导体的禁带较窄(Eg小)，电子跃迁比较容易。绝缘体能带结构：金属中载流子浓度等于自由电子浓度；绝缘体中载流子浓度很小，所以主要介绍半导体中载流子浓度。（将在半导体的导电性中详细阐述）。离子电导的影响因素：温度↑导电性↓、离子性质、晶体结构的影响（晶体熔点高→原子之间的结合力大→导电激活能高→电导率降低）金属材料为电子导电，陶瓷材料中电子电导比较显著的主要是半导体陶瓷。电子电导率：和离子电导率一样，电子电导率仍可按公式σ=nqμ计算。金属材料导电性的影响因素：1.金属材料的导电性控制因素2.温度对金属导电性的影响3.合金元素与晶体缺陷对金属导电性的影晌4.原子结合键对金属导电性的影晌5.相变对金属导电性的影晌6.电阻率的各向异性7.电阻率的尺寸效应金属材料电阻分析的应用：研究合金的时效，测定固溶体的溶解度，研究合金的有序-无序转变，研究材料的疲劳过程本征半导体：μe电子迁移率μh空穴迁移率本征电导：导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在的电导。n型半导体：掺入施主杂质的半导体压敏效应：指对电压变化敏感的非线性电阻效应。晶界效应：压敏效应，PTC效应；表面效应双碱效应：指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成25-30%)，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。压碱效应：指含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。超导现象：当某种材料在低于某一温度时，电阻率突然减小到零的现象。该温度即是临界温度（Tc）。第一类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。第一类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。第二类超导体主要包括金属化合物及其合金，还包括金属元素钒、锝和铌。电化学老化现象：在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。磁化：物质在磁场中受到磁场的作用而表现出一定的磁性。材料磁性来源：安培的分子环流说磁介质：在考虑物质受磁场的影响或物质对磁场的影响时的物质。磁介质的磁化：由于物质的分子（或