材料物理性能复习重点 - 图文

第二章

非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）

相对电导率：IACS% 定义：把国际标准纯软铜（在室温20度，电阻率为0.01724.mm2/m）的电导率作为100%，其它导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。

载流子：电荷的载体（电子，空穴，正离子，负离子）

物体的导电现象的微观本质是：载流子在电场作用下的定向迁移

迁移数tx，也称输运数（transference number) 定义为：

?x tx??T

式中： σT为各种载流子输运电荷形成的总电导率 σx表示某种载流子输运电荷的电导率

tx的意义：是某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数表示。

载流子与导电性能的关系：

因素：单位体积中可移动的带电粒子数量N 每个载流子的电荷量 q 载流子的迁移率 μ

迁移率：受到外加电场作用时，材料中的载流子移动的难易程度

令μ=v/E，并定义其为载流子的迁移率。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。 σ=Nqμ

迁移率的影响因素：1. 温度越高，平均碰撞间隔时间t越小，迁移率越小 2. 晶体缺陷越多，………………

电子的平均自由程

n为电子的密度 2金属导电机制：载流子为自由电子。

经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。所以有

n为电子的平均速度

m为电子的质量 量子理论，两点基本改进:

nef 表示单位体积内实际参加热传导的电子数,即费米面能级附近参加电传导的电子数 m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果 2 eff * f实际导电的载流子为费米面附近的自由电子！

nel??mv??nelmv产生电阻的根本原因：当电子波通过一个理想晶体点阵时（0K），它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射（不相干散射）。 理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。 （1）晶格热振动（温度引起的离子运动振幅的变化） （2）杂质的引入，位错及点缺陷

在电子电导的材料中，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本质原因。

马西森定律：??????(T)

??与杂质浓度有关，有温度无关 ?(T)与温度有关

电阻率与温度的关系

1）一般来说，温度越高，电阻率越大。在温度高于室温情况下?t??0(1??T)

? 为电阻温度系数：????t??0 ?0T2）金属电阻率在不同范围内与温度变化的关系不同

3) 金属熔化时，电阻增高1.5-2倍，金属原子规则排列遭到破坏，增加了对电子散射。 K，Na正常

Sb反常，共价键变为金属键 铁磁性金属有时发生反常。 Tc: 居里点

铁磁性金属内d及s壳层电子云相互作用的特点决定的

电阻率与压力的关系

在流体静压下，大多数金属电阻率是下降的：?P??0(1??P)

原因：金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率是下降的。

冷加工和缺陷对电阻率的影响

冷变形-----晶格畸变---增加电子散射几率-----导致电阻率增加 马西森定律：?????M

、?M表示与温度有关的退火金属的电阻率，??剩余电阻率，与温度无关

冷加工金属退火，可以回复到冷加工前金属的电阻值 空位的产生：（1）形变；（2）高能粒子辐射中产生；（3）淬火也可以产生。 位错：位错引起的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系

固溶体的电阻率

机理：

加入溶质原子----溶剂的晶格发生扭曲畸变----破坏了晶格势场的周期性-----增加了电子散射几率……合金导电性降低

固溶体组元的化学相互作用：一般 电阻率最大在50%处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体有异常。

有序合金的电阻率：

组元的化学作用加强---导电电子数下降---电阻率增加 晶体离子势场更对称---电子散射的几率下降---电阻率下降 综合作用：电阻率比无序状态下降（一般） 不均匀固溶体（K状态）的电阻率：

K状态：在合金元素中含有过渡金属的，如 Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。

组元原子在晶体内不均匀分布-----内部原子的聚集---增加电子的散射几率----电阻升高 冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态

小结：

缺陷，杂质，第二组元可以考虑为“缺陷”， 一般而言，均匀分布的缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。 问题：

许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高的强度可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化获得，从电导角度看，采用哪种方式？为什么？

因为缺陷毕竟占少数。

本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷，而成为导电的载流子 杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质

离子导电理论： 1.无外加电场时

间隙离子在晶体中各方向的“迁移”次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象。

2.有外加电场时

由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，F=qE，F与E同方向，因而正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。

离子导电是离子在电场作用下的扩散现象： (1)空位扩散 以空位作为载流子扩散； MgO

(2)间隙扩散 是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一 个间隙位置。

当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种扩散很难进行。 一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。

(3)亚晶格间隙扩散 由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙-亚晶格扩散，即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较容易产生。

Nernst-Einstein 方程：

?nq2???D? ??nq? ?D?kT?BkT 其中B? B：离子绝对迁移率

qqkT

离子导电的影响因素： 1）温度的影响

T增加，电导率升高 高温区：本征导电 低温区：杂质导电 2）离子性质晶体结构

改变导电激活能实现的

熔点高----结合力大---导电激活能高—电导率下降 晶体有较大间隙----激活能低----电导率升高

碱卤化物：负离子半径增大---正离子激活能降低---电导率升高 NaF 216kJ/mol NaCl 169kJ/mol NaI 118kJ/mol

一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低

高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低 3）点缺陷的影响：

点缺陷的存在提高了离子的导电性！

热激活产生空位 不等价掺杂

环境气氛使正负离子化学计量比发生变化

固体电解质：具有离子导电的固体物质

快离子导体：某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级

半导体

本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体。行为仅仅由固有的性质决定的。导电行为取决于 元素或化合物的能带结构。

非本征(杂质)半导体：由于外部作用而改变导体固有性质的半导体。

半导体与绝缘体有相似的能带结构，不过能带间隙较小而已。

导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。

Ne?Np

?N0exp(?Eg2kT) Eg——禁带宽度

根据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能态密度进行积分运算等， 可得到本征载流子的浓度表达式：Ne??qN??qe(Ne?e?Np?p)?qeNe(?e??p)?N0qe(?e??p)exp(?Eg/2kT)讨论已有的温度的影响。 1）qe与T无关

2）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低

3）载流子数量随温度升高而呈指数规律增加（占主导） 在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。

N型半导体和P型半导体统称为杂质半导体，与本征半导体相比，具有如下特性：

（1） 掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，导电能力因而也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。

（2） 掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。自由电子或靠空穴导电。 类型 本征 N型 P型 σ E* Eg Ec-Ed Ea n 2 1 1 N0qe(?e??h) N0qe?e N0qe?h E*?e??0exp(?)

nkT

U(r)=U(r0)+cx2-gx3

根据玻尔兹曼分布：可以算出其平均位移：x?3gkT 4c2

膨胀系数

1）概念：用来描述温度变化时材料发生膨胀或收缩程度的物理量

平均线膨胀系数：?l??l l1?T平均体膨胀系数：???V V1?T对于立方晶系：??3? 2）膨胀系数与其它物理量的关系： a) 体膨胀系数与热容存在关系：??rcV KV b) 膨胀系数与金属熔点关系：?TM?b

VTM?V0V0?0.06

c) 膨胀系数和德拜特征温度：ΘD越高，原子间结合力越大，膨胀系数α越小 d) 硬度：硬度愈高，膨胀系数就愈小

影响热膨胀系的因素：

a) 合金成分和相变

组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀有明显影响，如合金形成均一的单相固 溶体，则符合相加律。（混合定律）

相变处有膨胀量的变化：一级相变，相变点有不连续变化，（突变） 二级相变，相变点膨胀系数曲线上有拐点。 b) 晶体缺陷：辐射空位使晶体的热膨胀系数增高。

c) 晶体和各向异性：弹性模量较高的方向将有较小的膨胀系数 d) 铁磁性合金的铁磁转变

出现反常的原因：磁致收缩抵消了合金正常的热膨胀。 e) 加工及热处理对材料的热膨胀性能也有影响。

热传导宏观规律和微观机制 1）傅里叶定律 热传导：一块材料温度不均匀或两个温度不同的物体相互接触，热量便会自动的从高 温度区向低温度区传播。 q??kdT??kgradT dxk：热导率（导热系数） W/(m·k)—单位时间通过垂直截面上的热流密度q正比于温度梯度，其比例系数为热导率。反映材料导热的能力。

热扩散率（导温系数）

物理意义：标志温度变化的速度，将热量传导变化与温度变化联系在一起。在相同 加热条件下，a愈大，物体各处温差小。 热阻：热量传递受到的阻力 R??T ?

导热的微观机制：固体中的导热主要靠晶格振动的格波（声子）和自由电子的运动来实现：

k?kph?ke

kph:声子热导率，ke：电子的热导率

除金属外，一般固体特别是离子或共价键晶体中自由电子很少。

金属的热传导：

对于纯金属，导热主要靠自由电子，合金导热要考虑声子导热的贡献。

将金属中大量的自由电子看作是自由电子气，用理想气体的热导率公式描述：

1k?Cvl3

k：热导率（导热系数）；C单位体积气体的热容；v分子运动的平均速度，l 分子运动的平均自由程。

热传导和电导率的关系：

对由自由电子理论可知：ke/??L0T L0为洛伦兹数（Lorenz number)

条件：不太低的温度下，低温下不成立

热导率及其影响因素：

纯金属 a) 温度 对于纯铜， 分为三个区 Ⅰ区 T增大，k增大 Ⅱ区 T增大，k不变 Ⅲ区 T增大，k减小 铋，锑金属熔化时，热导率上升一倍，共价键减弱，金属键加强。 b)晶粒大小：晶粒粗大，热导率高（由于晶界减少，对声子的阻碍减小） c)各向异性：立方晶系与晶向无关，非立方各向导性。 d)杂质：强烈影响

合金 a) 无序固溶体：浓度增加，热导率减小，最小值一般在50%处。 b)有序固溶体：热导率提高，最大值对应于有序固溶体的成分。 c)钢中的合金无元素，杂质及组织状态都影响其热导率。 奥氏体<淬火马氏体< 回火马氏体<珠光体

无机非金属的热传导：

1） 传导机制：导热主要靠声子，还有光子导热。 2）热导率的影响因素：

a)温度：单晶 Al2O3 分为四个温度区间 迅速上升区 极大值区 迅速下降区 缓慢下降区 b) 化学组成：

对于无机非金属材料：材料结构相同，相对原子质量小，密度小，弹性模量 大，德拜温度越高，热导率越大。轻元素的固体和结合能大的固体热导率大。 对于固溶体：降低热导率 c）晶体结构的影响：晶格结构复杂，则热导率下降。

d）非晶热传导有其特殊性：

① 不考虑光子导热，在所有温度下，非晶导热低于晶体； ② 在较高温度下热导率比较接近

③ 非晶热导随温度变化没有出现极值。

热电效应

1）塞贝克Seebeck效应：

两种不同材料AB组成回路，且两端温度不同，则在回路中存在电动势。

其电动势的大小与材料和温度有关。

在温差较小时，有:EAB?SAB?T

SAB: A,B的相对塞贝克系数

由于电动势有方向性，所以SAB也有方向性 热电性的应用及热电材料

1）通过热电性的测试，分析金属材料组织结构的转变，（合金时效，马氏体回火） 2）热电偶测温（seebeck)

热电极：a) 热电势与温度有良好的线性关系 b) 具有大的热电系数

c) 具有复制性和温度-热电势关系的稳定性

热电偶回路定律：a) 同质电极构成热电回路，则热电势为0

b) 均匀导体二端没有温度差时，导体有温度梯度时其热电势也为0 高温：铂铑-铂

中温，低温：铜-康铜 或 铁-康铜 3）温差发电（seebeck) 4）电致冷（Peltier)

热稳定性：材料承受温度急骤变化而不致破坏的能力.(抗热震性） 热冲击损坏类型：

1）抗热冲击断裂性：抵抗材料发生瞬时断裂的能力

2）抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂，剥落并不断发展，最终 失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。 热应力：仅由材料热膨胀或收缩引起的内应力 热应力的三个来源：

1） 因热胀冷缩受到限制而产生的热应力

当这根杆的温度从T0改变到T1时，产生的热应力为：

??E?l(T0?T1)?E?l?T

2） 因温度梯度而产生的热应力

3） 多相复合材料因各向膨胀系数不同而产生的热应力

抗热冲击断裂性能：

1） 第一热应力抵抗因子R； 2） 第二热应力抵抗因子R'；

热稳定性除与ΔTmax相关外，还与下列因素有关： a) 材料热导率k： k增加，其热应力小

b) 传热的途径：材料愈薄，愈易达到温度均匀

c) 材料表面散热率：表面热传递系数h, h越大，其热稳定性越差 3） 第三热应力抵抗因子R`` 第六章

磁学基本量：

1）磁场强度H：一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度：H?I2?r (A/m)

2）磁偶极矩m：环形电流在其运动中心处产生一个磁矩（或称磁偶极矩)：

m?IS (A? m2)

3) 磁感应强度B：材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的的磁通量密度，称其为磁感应强度B。单位：特斯拉（T），或韦伯/米2（Wb/m2)，或（VS/m2）

B??H

式中：u为磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，材料内部的磁通量密度。在真空中

B0??0H

μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7 （H/m) 4）相对磁导率μr：?r?5）磁化率X：??ur?1 6) 磁化强度M：M??H

当M，B与H相互平行时，X和μr为标量，否则，它们为多阶张量。 磁感应强度还可写成：

? ?0B??H??0?rH??0(1??)H??0H??0?H??0H??0M

磁性参数与介电参数的比较

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