材料物理复习大纲复习进程
材料物理复习大纲
【一、力学】
1 材料力学性能概论
材料的力学性能是关于材料强度的一门学科，即关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和评定方法的一门学科。
2 弹性极限σe：不产生永久变形的最大应力
比例极限σp：保持弹性比例关系的最大应力值。略小于σe；
3 弹性模量的影响因素
（1）结合键材料熔点与弹性模量的一致性关系
（2）原子结构：对金属来说，原子结构对其弹性模量影响很大弹性模量的周期性变化
（3）温度：随温度升高，弹性模量降低。
（4）相变：相变影响晶体结构，从而影响弹性模量。
相变包括：多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变、超导态转变等。
陶瓷的弹性模量E与气孔率P的关系可表示为：E = E0e-bP式中，E0是气孔率为零时的弹性模量，b为与陶瓷制备工艺有关的常数。对连续基体内的闭气孔，经验公式为：
E = E0 (1-1.9P + 0.9 P2)
4 陶瓷材料的弹性模量特点
特点一：陶瓷材料的弹性模量一般高于金属。
特点二：陶瓷材料的弹性模量，不仅与结合键有关，还与陶瓷相组成及气孔率有关。
（金属材料的弹性模量是一个非常稳定的力学性能指标）
?对两相陶瓷复合物，两相弹性模量分别为E1，E2，体积百分数分别为
V1，V2
?当应力平行于层面，各层应变相等，复合陶瓷的平均弹性模量为：
E//=E1V1+E2V2
?当应力垂直于层面，各层的应力相等，复合陶瓷的平均弹性模量为： E⊥=E1E2/(E2V1+E1V2)
特点三：陶瓷材料压缩时的弹性模量一般高于拉伸时的弹性模量，即压缩时的曲线斜率比拉伸时大。
5 滞弹性
6 屈服强度σs：应力超过σe，材料开始出现塑性变形，当应力增至s点时，试样开始产生明显的塑性变形，在曲线上出现了水平的锯齿形的线段，表现为应力不增加，试样仍然继续塑性伸长，这种现象叫屈服。对应的强度叫屈服强度。
7 陶瓷材料的抗弯强度由于陶瓷材料塑性小，陶瓷强度主要指它的断裂强度。陶瓷弯曲试样的表面粗糙度和是否进行棱边倒角加工对抗弯强度有较大影响
8 断裂的类型正断：断裂垂直于最大正应力；切断：沿着最大切应力方向断开。
(1)张开型(或称拉伸型)裂纹
外加正应力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端张开，扩展方向和正应力垂直。这种张开型裂纹通常简称I型裂纹。
(2)滑开型(或称剪切型)裂纹
剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展，通常称为Ⅱ型裂纹。
(3)撕开型裂纹
在切应力作用下，一个裂纹面在另一裂纹面上滑动脱开，裂纹前缘平行于滑动方向，如同撕布一样，这称为撕开型裂纹，也简称Ⅲ型裂纹。
9 断裂力学：研究带裂纹体的力学，它给出含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标――断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。
10 根据断裂纹理论解释为什么脆性材料容易断裂？粉末压制烧结时产生裂纹Inglis理论
在具有孔洞的大而薄的板上，孔洞端部的应力几乎只取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而跟孔洞的形状无关。裂纹扩展的临界应力：σc = (Eγ/(4c))1/2 式中，c为裂纹半长。
Griffith微裂纹理论
Orowan理论：修正后的公式
γp为扩展单位面积裂纹所需的塑性功
陶瓷：微观裂纹控制，1μm
金属：宏观裂纹控制，1.25mm
11 断裂韧性
应力场σij、应力场强度因子KI、几何形状因子Y
K I = Y σ (πc)1/2
式中Y是裂纹形状系数，也叫几何形状因子，无量纲。
K I的单位：MPa?m1/2，c为裂纹半长。
随σ增加，K I也增加，当试样断裂（宏观）或裂纹扩展（微观）时，所对应的临界K I便称为断裂韧性（KC或K IC）。
K I：受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化，也与裂纹的形状类型以及加载方式有关。与材料本身的固有性能无关。
断裂韧性KC和KIC：表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值越大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就越大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值越高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就越大。
K C是平面应力状态下的断裂韧性，与板材或试样厚度有关。
K IC是平面应变状态下的断裂韧性，是一材料常数。
12 根据断裂韧性来选择材料
有一构件：实际使用应力为1.3GPa，有两种钢材待选：
甲钢：σys = 1.95 GPa，KIC = 45 MPa?m1/2
乙钢：σys = 1.56 GPa，KIC = 75 MPa?m1/2
假设钢中存在最大2mm长的裂纹，那么从安全角度如何选择所需的钢材？
13 材料的加工硬化
经塑性变形后试样的应力
两个思路：
（1）完全消除内部的位错和其它缺陷，使其强度接近于理论强度。
【等轴定向凝固】
（2）在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动，提高其强度。
14 陶瓷材料增韧措施
?通过晶须或纤维增韧陶瓷基体中分布的晶须或纤维等第二相，可以使裂
纹在扩展时发生转向，从而使KIC增加。
?异相弥散强化增韧基体中引入第二相颗粒，利用基体和第二相之间热膨
胀系数和弹性模量的差异，在试样制备的冷却过程中，颗粒和基体周围
产生残余压应力。这种压应力使得裂纹在前进过程中发生偏转。
?相变增韧利用ZrO2的马氏体相变强化来增韧陶瓷。
?显微结构增韧晶粒或颗粒的超细化与纳米化；；晶粒形状自补强增韧：
15 材料的硬度
硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标，是在给定载荷条件下，材料对形成表面压痕（刻痕）的抵抗能力。
16力腐蚀
在室温下硅酸盐玻璃和其它陶瓷中，裂纹尖端发生局部腐蚀或在裂纹尖端处应力集中在缺陷上，使材料在低应力下开裂，新开裂的表面还没来得及被介质腐蚀，则裂纹扩展停止，接着进行下一个腐蚀-开裂循环，形成宏观上裂纹的缓慢生长。水和其它化学物质的存在会加速这种腐蚀，这个机制也叫应力腐蚀。【二、热学】
1 热容在不发生相变和化学反应时，材料升高1K温度所需要吸入的热量，单位：J/K
2 晶态固体热容随温度变化的实验规律：
（1）金属元素在高于某一特征温度后，其摩尔热容接近于一个常数
25J/mol K，这一特征温度称为Debye温度。
（2）在极低温度，Cv与温度的三次方成正比，随温度的降低而急剧下降。
（3）温度降低到10K以下时，热容与温度T成正比。接近0K时，热容趋近于0。
3 热膨胀的物理本质
当温度升高时，原子在平衡位置附近的振动会发生改变，由于引力和斥力作用方式的不同，使得原子在平衡位置两侧的变化幅度不同，从而使得平衡位置偏离原来的位置，微观上表现为两原子距离的拉长，宏观上表现为材料在该方向上的膨胀。
4 热导率单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。
5 热传导的主要机制
固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的。在高温下，也可以通过光子来传导热量。
声子导热
无机非金属固体材料中的主要导热机制。
当材料中某一质点处于较高温度，热振动强烈，振幅大，而邻近质点温度低，振动弱，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，热振动的能量增加，从而引起热量的转移和传递。
光子导热
对辐射线透明的介质，热阻很小，自由程大；
对辐射线不透明的介质，自由程小；
对于完全不透明的介质，自由程为零，在这种介质中，辐射传热可以忽略。
单晶和玻璃对于辐射线是比较透明的，因此，在773-1273K辐射传热比较明显。
大多数陶瓷材料室温下为半透明或不透明，光子自由程小，在高温下辐射传热才比较明显
电子导热金属的导热机理
6 晶体导热与非晶体导热规律的区别
?非晶体的热导率（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体小。
?晶体和非晶体材料的热导率在高温时接近。
?非晶体导热曲线没有峰值点m。
【三、磁】
1 基本磁参数
回路电流的磁矩μm
磁偶极子的磁偶极矩j m
磁化强度M
磁极化强度J
比磁化强度σ
磁场强度H
磁感应强度B
磁化率χ
比磁化率χσ
磁导率
2 材料的磁性分类
抗磁性（diamagnetism）
顺磁性（paramagnetism）
铁磁性（ferromagnetism）
反铁磁性（antimagnetism）
亚铁磁性（ferrimagnetism）
3 电子直接交换作用
交换能
E = E0 + Eex
= E0– 2Aσ1σ?2
= E0– 2Aσ1σ?2cos?
E：氢分子总能量；E0：与自旋无关的能量常数；Eex：与电子自旋取向有关的交换能；σ1σ?2：自旋角动量；?：自旋角动量之间的夹角；A：交换积分，代表电子交换位置时对应的能量，与电子云重叠程度有关。
?=0,cos?=1,则当A>0，E最小。电子自旋平行排列，自旋磁矩加强，呈现铁磁性。
?=180o,cos?=-1,则当A<0，E最小。电子自旋反平行排列，自旋磁矩抵消。
推出铁磁性判据
必要条件：原子具有固有磁矩，即原子中必须有未被填满的电子壳层。
充分条件：交换积分A>0。
【若要使A>0，“电子云”重叠要多，近邻原子间距（晶格点阵常数a）应适当地大于3d电子轨道平均半径r，当30。】
4 超交换作用
其思路为：O2-外层电子为2p6，p电子的空间分布呈哑铃状，当氧离子与阳离子近邻时，氧离子的p电子可以激发到d 状态，而与3d过渡族元素的阳离子的电子按洪德法则耦合，此时剩余的未
成对p电子则与另一近邻的阳离子产生交换作用，这种交换作用是以氧离子为媒介的，称为超交换作用或间接交换作用。
铁磁性与反铁磁性的本质
?当n>=5时，电子自旋只能取与3d电子自旋取向构成反平行排列的状态，如果O1-与右侧
磁性离子间的交换积分A<0，导致O1-两侧磁性离子磁矩间反铁磁性耦合。如果A>0，则导致铁磁性耦合。
?当n<5时，电子自旋只能取与3d电子自旋取向相同的状态，如果O1-与右侧磁性离子间的
交换积分A<0，则导致铁磁性耦合，如果A>0，则导致反铁磁性耦合。
5 双交换作用
以氧离子作为中间媒介，两个不同价态的过渡族离子间的交换相互作用。
例如：La1-xCaxMnO3中Mn离子有Mn3+和Mn4+。此时与超交换作用不同，氧离子的一个p电子进入Mn4+中，该Mn4+离子变为Mn3+，而氧离子另外一边的Mn3+离子中的一个电子交换到氧原子的p电子轨道，这样Mn3+离子变为Mn4+。由于Mn4+离子中的电子是未半满(n<5)，跳入到Mn4+的电子自旋与Mn4+离子的电子自旋平行耦合。而从Mn3+（电子填充也是未半满）离子跳入氧离子p轨道电子自旋与跳到Mn4+离子的电子自旋方向必然是相同的。因此Mn3+离子的电子通过氧离子作为中间媒介跳入到Mn4+离子，使Mn3+离子与Mn4+离子间呈铁磁性耦合。称为双交换相互作用。
6 磁化曲线与磁滞回线
7 常见的永磁材料与软磁材料
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第一章材料的光学性能
一、光的波粒二象性、光的干涉和衍射、发生双光束干涉和衍射的充要条件
1.光的波粒二象性：光波同时具有波和粒子的双重性质
1)波动性：光在宏观传播过程中显示出具有波传播的特征(光的干涉和衍射)
2)粒子性：光在微观上显示出粒性特征，如在物体的电磁辐射与吸收、光子与物质的相互作用中
（光的折射与反射、光电效应、康普敦效应）
3)频率越高、波长越短、能量越强的光子粒子性越显著；频率越低、波长越长、能量越低的光子波
动性越显著。在同一条件下，光子或者表现其粒子性，或者表现其波动性，而两者不能同时都表
现出来。
4)爱因斯坦光电效应方程：E=hν=hc/λ;p= hν/c=h/λ
5)光速：c=1/(μ0ε0)0.5; ν=c/(μrεr)0.5
2.光的干涉和衍射
1)干涉
a)定义：两束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。
b)条件：频率相等，相位差恒定，振动方向一致
c)现象：雨后油渍、动物羽毛
2)衍射
a)定义：当光波传播到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物而进入几何阴影区的现象
b)条件：当障碍物线度与光波波长可以比拟时，才能发生衍射现象。
c)现象：夜间眯眼看远处灯光
二、光的反射和折射定律、费马原理推证、折射率的影响因素、晶体的双折射
1.反射和折射定律
1)反射定律
a)反射线和入射线位于同一平面（即入射面），分别处于法线的两侧
b)反射角等于入射角
2)折射定律
a)折射线位于入射面内
b)折射线和入射线分别处于法线的两侧。
c)对于单色光而言，入射角的正弦和折射角的正弦之比是一个常数。
sinθ1/sinθ2=n2/n1=v1/v2=n21
2.费马原理推证（见PDF）
3.折射率
1)绝对折射率：光在真空和介质中的速度之比：n=c/v(其余见PDF)
2)相对折射率：在两种（各向同性）媒质中光速比：n21=n2/n1=v1/v2
3)材料的绝对折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢
4)材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构(对非铁磁介质主要是电结构)在光波作用下的
极化性质或介电特性。
5)影响因素
a)构成材料元素的离子半径
[1]大离子高折射率材料
[2]小离子低折射率材料
b)材料的结构、晶型
[1]均质介质：一个折射率
[2]非均质介质：不同方向有不同折射率
c)材料存在的内应力（？？）
[1]垂直于内应力方向的n值大
[2]平行于内应力方向的n值小
d)同质异构体
[1]高温时的晶型折射率低
[2]低温时的晶型折射率高
4.晶体的双折射
1)定义：当一束自然光穿过各向异性介质时，分成两条折射光的现象称为双折射现象。
2)概念
a)寻常光——o光：o光的振动方向垂直于自己的主平面，o光只有一个折射率n o
b)非常光——e光：e光的振动方向平行于自己的主平面，e光在垂直光轴方向（速度最大）上的
折射率n e为主折射率
c)光轴：在该方向上o光、e光的传播速度相同，折射率相同，两光线重合。
d)晶体的主平面：光线传播方向和光轴方向所组成的平面
e)正晶体n o f)负晶体n o>n e 三、朗伯特定律、比尔定律、金属和电介质的吸收率与波长的关系、光的色散、色 散率公式、柯西公式 1.朗伯特定律：光强不是很大时，被吸收的能量、即光强，与吸收体的厚度成正比 I=I0e-αx 2.比尔定律：当光通过浓度较低的透明溶液时，溶液的吸收系数与溶液的质量分数C成正比。 α=AC I=I0e-ACL 3.金属的吸收率与波长的关系 由于金属的价电子处于未满带，电子吸收光子能量后不用跃迁到导带就能发生碰撞而发热，因此在可见光区有大吸收系数。 4.电介质的吸收率与波长的关系 1)可见光区透过性好：电介质材料的价电子所处的能带是填满的，它不能吸收光子而自由运动，而 可见光区的光子能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。 2)三个吸收峰 a)红外区：由于红外频率的光波引起材料中离子或分子的共振而发生的。 b)紫外区：由于紫外频率的光波引起原子中的电子发生共振，也就是紫外光频率的光子足够使电 子从价带跃迁到导带或其他能级上去，因而发生吸收。 c)X射线区：由于X射线使原子内层电子跃迁到导带而引起的。 5.光的色散 材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为折射率的色散。 6.色散率公式 色散率=dn/dλ 色散系数γ=(n D-1)/(n F-n C) n D: 以钠的D谱线(589.3nm)测得的折射率 n F: 以氢的F谱线(486.1nm)测得的折射率 n C: 以氢的C谱线(656.3nm)测得的折射率 7.柯西公式 n=A+B/λ2+C/λ4 符合——正常色散 不符——反常色散 反常色散：在强烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相同，产生严重的扭曲或割断现象，此称为反常色散。 四、光的散射本质、散射系数的影响因素、散射分类 1.散射现象 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散 射。 2.散射系数 I=I0e-αl=I0e-(αa+αs)l αa吸收系数，αb散射系数 3.散射本质 当光波的电磁场作用于物质中具有电结构的原子、分子等微观粒子时，激起粒子的受迫振动，使其成为发光中心，向各个方向发射球面次波。杂质微粒的线度一般比光的波长小，它们彼此间的距离比波 长大，而且排列毫无规则。因此，当它们在光作用下不相干叠加，而是形成散射光。 4.散射系数的影响因素 1)散射质点的大小，出最大峰时，粒子直径d=4.1λ/2π(n-1) 2)散射质点的数量 3)散射质点与基体的相对折射率 5.散射的分类 1)弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。 a)丁达尔散射 当a0?λ时，σ→0，即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关 b)米氏散射 当a0与λ相近时，σ=0～4，即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，σ在0~4之间，具体 取值与散射中心有关. c)瑞利散射 当a0?λ时σ=4，即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反 比。瑞利散射不改变原入射光的频率。 I s∝1/λ4 2)非弹性散射：由于入射光子与介质发生非弹性碰撞而使频率发生改变的光散射。 a)拉曼散射：是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。 b)布里渊散射：是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的 声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果。 五、透射光强公式、影响陶瓷材料不透明性的主要因素、乳浊机理、获得致密的半 透明陶瓷所采取的措施 1.透射光强公式 2.影响陶瓷材料不透明性的主要因素：反射和散射 1)材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，因而在不均匀界面上形成相对折 射率，反射和散射增大。 2)由于晶粒的双折射特性及排列方向的随机性使晶粒之间产生折射率的差别，引起晶界出的反射及 散射损失。 3)气孔引起的散射损失 4)对于致密的多晶材料来说，影响透光率的主要因素在于组成材料的晶体的双折射率。 3.乳浊机理 要获得高度乳浊(不透明性)和覆盖能力，就要求光在达到具有不同光学特性的底层之前被漫反射掉。 4.获得致密半透明陶瓷的措施 1)通过高烧成温度完全排除细孔。 2)形成大量玻璃相 3)调整各相折射率，使之相互匹配。 六、非线性光学效应 1.电光效应 1)现象：由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应。 2)电场与折射率的关系：n=n0+aE0+bE02…… 3)泡克尔斯效应 在没有对称中心的晶体中，外加电场与折射率的关系具有一次电光效应=aE0 ，Δn=0.5n3r c E，r c电 光陶瓷电光系数 材料科学基础Ι课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：材料科学基础 所属专业：材料物理，材料化学 课程性质：专业基础课 学分：8 （二）课程简介、目标与任务； 课程简介： 本课程是材料学科本科生的一门专业基础课。它的主要任务是使学生对材料的生产、科研、应用以及它的过去、现在和未来有初步了解，以及对材料科学与工程有一个较全面而又概括的了解同时，使学生掌握较完整全面的材料科学基础知识。本课程的覆盖面较宽，要介绍工程材料的结构与性能，生产制备，科研和应用的概况，材料的发展历史，目前状况和发展趋势。各章节除介绍有关材料的基本知识外，尽可能反映该领域的新成果、新发展及其在新技术中的应用。用必要的例子生动地描述出该领域的基本情况、动态和趋势。从这个意义上说，它不是一门传统的导论课，而是学生掌握材料科学基础知识的基础课。它让学生了解这一领域的基础、现状和前景。课程对材料研究的若干方法也做一些简介。 目标与任务： 通过本课程教学，使学生对材料科学基础知识以及材料的生产过程有一个较全面、较概括的了解；对当前材料科学研究的前沿有初步了解；培养学生对材料科学的兴趣。初步掌握各类工程材料的基本概念，包括组织结构、性能、生产过程和应用等；初步了解材料科学的研究前沿以及我校材料学科的科研工作简况。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 本课程是材料专业的专业基础课，本课程的学习需要学生具备高等数学、大学物理、大学化学作基础，同时又是材料专业的专业课（如金属材料学、陶瓷材料学、高分子材料、功能材料等）的基础。 （四）教材与主要参考书。 1. W.D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering: An Introduction，6th edition, John Wiley and Sons, Inc., New York,2003. 这有答案，大家尽量出有答案的题材料物理性能 习题与解答 吴其胜 盐城工学院材料工程学院 2007，3 目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37) 1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) (0114.010 5.310101401000940000cm E A l F l E l l =?????=??= ?=?=?-σ ε0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变) (91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100=-=?=A A l l ε名义应变) (99510 524.44500 6 MPa A F T =?= = -σ真应力 1-3一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(210 5.3) 1(28 8 MPa Pa E G ≈?=+?= += μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(310 5.3) 21(38 8 MPa Pa E B ≈?=-?= -=μ体积模量. ,. ,112 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝=== = ∝= = = =??? ? ? ?亦即做功或者：亦即面积εε εε εε εσεσεσ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(11 2211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-= e e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为 第一章 1、应力：单位面积上所受的内力ζ=F/A 2、应变：描述物体内部质点之间的相对运动ε=△L/Lo 3、晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。条件：①移动较小 的距离即可恢复、②静电作用上移动中无大的斥力 4、塑性形变过程：①理论上剪切强度：克服化学键所产生的强度。当η>ηo时，发生滑移 （临界剪切应力），η=ηm sin(2πx/λ),x<<λ时，η=ηm（2πx/λ）。由虎克定律η0=Gx/λ.则Gx/λ=ηm（2πx/λ）→ηm=G/2π;②位错运动理论：实际晶体中存在错位缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动，使位错运动所需的力比是晶体两部分整体相互华东所需的力小的多，故实际晶体的滑移是位错运动的结果。位错是一种缺陷，位错的运动是接力式的；③位错增值理论：在时间t内不但比N个位错通过试样边界，而且还会引起位错增值，使通过便捷的位错数量增加到NS个，其中S位位错增值系数。过程机理画图 5、高温蠕变：在高温、恒定应力的作用下，随着时间的延长，应变不断增加。⑴起始阶段 0-a：在外力作用下瞬时发生弹性形变，与时间无关。⑵蠕变减速阶段a-b：应变速率随时间递减，即a-b段的斜率dε/dt随时间的增加而愈小，曲线愈来愈平缓。原因：受阻碍较小，容易运动的位错解放出来后，蠕变速率就会降低；⑶稳态蠕变阶段b-c：入编速率几乎保持不变，即dε/dt=K（常数）原因：容易运动的位错解放后，而受阻较大的位错未被解放。⑷加速入编阶段c-d:应变绿随时间增加而增加，曲线变陡。原因：继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来。影响入编的因素：⒈温度，温度升高，入编增加。⒉应力，拉应力增加，蠕变增加，压应力增加，蠕变减小⒊气孔率增加，蠕变增加，晶粒愈小，蠕变率愈小。⒋组成。⒌晶体结构。 6、弹性形变：外力移去后可以恢复的形变。塑性形变：外力移去后不可恢复的形变 第二章 7、突发性断裂（快速扩展）：在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好 等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。（一旦扩展，引起周围盈利的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突出性断裂） 8、裂纹缓慢生长：当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况 下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长。 9、理论结合强度：无机材料的抗压强度大约是抗拉强度的10倍。δth=(EΥ/a)0.5→(Υ=aE/100) →δth=E/10(a：晶格常数，Υ：断裂表面能断裂表面能Υ比自由表面能大。这是因为储存的弹性应变能除消耗于形成新表面外，还有一部分要消耗在塑性形变、声能、热能等方面。 10、Griffith微裂纹理论：⑴Inglis尖端分析：孔洞两个端部的应力取决于孔洞的长度和 端部的曲率半径而与孔洞的形状无关。应用：修玻璃通过打孔增加曲率来减慢裂纹扩展。 ⑵Griffith能量分析：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于开裂形成两个新表面所需 的表面能。（产生一条长度2C的裂纹，应变能降低为We，形成两个新断面所需表面能为Ws）。裂纹进一步扩展（2dc，单位面积所释放的能量为dWe/2dc，形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/2dc。）当dWe/2dc 《金属材料学》课程教学大纲 以下是为大家整理的《金属材料学》课程教学大纲的相关范文，本文关键词为金属材料学,课程,教学大纲,，您可以从右上方搜索框检索更多相关文章，如果您觉得有用，请继续关注我们并推荐给您的好友，您可以在教师教学中查看更多范文。 《金属材料学》课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：金属材料学所属专业：材料物理专业课程性质：专业基础课学分：3 （二）课程简介：《金属材料学》是一门综合性和应用性较强的专业必修课。根据材料物理专业先修课程和教学内容，本课程包括金属学和金属材料两大部分，其中金属学的内容作为《材料科学基础》课程的补充和深入，金属材料部分在《材料科学基础》、《材料力学性能》等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。课程的学习，使学生系 统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。 目标与任务；通过本课程的学习主要掌握：1.金属材料的成份、组织结构及性能三者间的关系，金属的基本理论和知识。2.合金元素在钢中的作用、原理和规律；3.钢的热处理原理以及其与合金化的配合；4.掌握各类铸铁的成分组织和性能特点；5.常用有色金属及其合金的成分、性能和热处理特点. （三）先修课程：《材料科学基础》、《材料力学性能》等。 （四）教材与主要参考书。 教材：《金属学与热处理》第二版，崔忠圻主编，哈尔滨工业大学出版社。参考书： 《金属材料学》第二版，吴承建陈国良强文江等编著，冶金工业出版社。《金属材料学》第二版，戴起勋主编程晓农主审，化学工业出版社。《材料科学基础》，胡赓祥、蔡荀主编，上海交通大学出版《材料科学基础》，潘金生等编，清华大学出版社 二、课程内容与安排绪论 （一）讲授，2学时（二）内容及基本要求1.金属材料的发展概况。 2.了解金属材料在国民经济中的地位与作用。 3.本课程的性质、 无机材料物理性能试题及答案 无机材料物理性能试题及答案 一、填空题（每题2分，共36分） 1、电子电导时，载流子的主要散射机构有中性杂质的散射、位错散射、电离杂质的散射、晶格振动的散射。 2、无机材料的热容与材料结构的关系不大，CaO和SiO2的混合物与CaSiO3 的 热容-温度曲线基本一致。 3、离子晶体中的电导主要为离子电导。可以分为两类：固有离子电导（本征 电导）和杂质电导。在高温下本征电导特别显著，在低温下杂质电导最为显著。 4、固体材料质点间结合力越强，热膨胀系数越小。 5、电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，因 电子迁移率很高，所以不存在空间电荷和吸收电流现象。 6、导电材料中载流子是离子、电子和空位。 7. 电子电导具有霍尔效应，离子电导具有电解效应，从而可以通过这两种效应检查材料 中载流子的类型。 8. 非晶体的导热率（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体的 小。在高温下，二者的导热率比较接近。 9. 固体材料的热膨胀的本质为：点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增 大。 10. 电导率的一般表达式为 ∑ = ∑ = i i i i i q nμ σ σ 。其各参数n i、q i和μi的含义分别 是载流子的浓度、载流子的电荷量、载流子的迁移率。 11. 晶体结构愈复杂，晶格振动的非线性程度愈大。格波受到的 散射大，因此声子的平均自由程小，热导率低。 12、波矢和频率之间的关系为色散关系。 13、对于热射线高度透明的材料，它们的光子传导效应较大，但是在有微小气孔存在时，由于气孔与固体间折射率有很大的差异，使这些微气孔形成了散射中心，导致透明度强烈降低。 14、大多数烧结陶瓷材料的光子传导率要比单晶和玻璃小1～3数量级，其原因是前者有微量的气孔存在，从而显著地降低射线的传播，导致光子自由程显著减小。 15、当光照射到光滑材料表面时，发生镜面反射；当光照射到粗糙的材料表面时，发生漫反射。 16、作为乳浊剂必须满足：具有与基体显著不同的折射率，能够形成小颗粒。 用高反射率，厚釉层和高的散射系数，可以得到良好的乳浊效果。 17、材料的折射随着入射光的频率的减少（或波长的增加）而减少的性质，称为折射率的色散。 材料物理性能习题与解答 目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37) 1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变 1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为 材料物理性能 第一章、材料的热学性能 一、基本概念 1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Q c ??= 2.比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[ 与 物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ??=1 3.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。 4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容： 5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供 给 物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。 6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。t l l l ?=?α0 8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。t V V t t V ??= 1α 9.热导率（导热系数）λ：在 单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。（标志 材 料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。 10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。）。 二、基本理论 1.德拜理论及热容和温度变化关系。 答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。 ⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数； ②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波； ③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类； ④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位hν的整数倍。 ⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。 ②当T《θD时，Cv,m∝3T。 ③当T→0时，Cv,m→0，与实验大体相符。 ⑷不足：①由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用； ②晶体不是连续介质，德拜理论在低温下也不符； ③金属类的晶体，没有考虑自由电子的贡献。 2.热容的物理本质。 答：温度一定时，原子虽然振动，但它的平衡位置不变，物体体积就没变化。物体温度升高了，原子的振动激烈了，但如果每个原子的平均距离保持不变，物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。 【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系； ⑵对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能力也不同； ⑶温度升高，晶格的振幅增大，该频率的声子数目也增大； ⑷温度升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】 3.热膨胀的物理本质。 答：由于原子之间存在着相互作用力，吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关（是非线性关系，引力、斥力的变化是非对称的），两原子相互作用是不对称变化，当温度上升，势能增高，由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。 ⑴T↑原子间的平均距离↑r＞r0吸引合力变化较慢 ⑵T↑晶体中热缺陷密度↑r＜r0排斥合力变化较快 【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大（微观），宏观表现为体积、线长的增大】 4.固体材料的导热机制。 答：⑴固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。 ①纯金属：电子导热是主要机制； ②合金：声子导热的作用增强； ③半金属或半导体：声子导热、电子导热； ④绝缘体：几乎只有声子导热一种形式，只有在极高温度下才可能有光子导热存在。 ⑵气体：分子间碰撞，可忽略彼此之间的相互作用力。 固体：质点间有很强的相互作用。 5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8 ⑴①有潜热，热容趋于无穷大；⑵①无潜热，热容有突变 《材料物理》课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：材料物理 英文名称：Physics of Materials 二、课程代码及性质 课程代码:0801142 课程性质:专业基础课、专业必修课 三、学时与学分 总学时：40（理论学时：40学时；实践学时：0学时） 学分：2.5 四、先修课程 大学物理、材料科学基础 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业学生开设。 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 本课程的教学目的: 1、掌握材料物理（能带论、晶格振动、材料磁性）的基本理论,具备解决和分析问题的能力； 2、掌握功能材料的物理（电学、热学、磁学、光学）现象与本质规律，培养学生开发新型功能材料的能力； 3、了解功能材料的发展趋势和动态,培养学生学习新知识的能力。 七、教学重点与难点： 教学重点： 影响材料物理性质的基本理论。晶体结合、能带论、晶格振动与热学性质、 材料的磁性 教学难点： 能带论、材料的磁性、材料的介电性、超导电性 八、教学方法与手段： 教学方法： (1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成; (2)从材料的物理性质及物理现象为引导、探讨产生光、电、磁的材料物理本质，掌握重要的理论。。 教学手段： (1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观; (2)强调研究思路的创新过程，注重理论与实践相结合。每一个基本理论学习介绍后再增加介绍其带来新功能材料与器件的研究突破，引导学生的学习兴趣。 九、教学内容与学时安排 （1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表2所示。 （2）具体内容 各章节的具体内容如下： 绪论（2h） 第一章晶体结构（4h） 1.1 晶格的周期性 1.2晶格的对称性 1.3 倒格子 1.4 准晶 第二章晶体结合 (4h) 2.1晶体结合的普遍描述 2.2 晶体结合的基本类型及特性 名词解释 1.应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 2.弹性模量：表征材料抵抗变形的能力。 3.剪切应变：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角变化。 4.滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，就叫滑移. 5.屈服应力：当外力超过物理弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力叫屈服应力。 6.塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性。 7.塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。 8.粘弹性：一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时变现出弹性和粘性，称为粘弹性. 9.滞弹性：弹性行为与时间有关，表征材料的形变在应力移去后能够恢复但不能立即恢复的能力。 10.弛豫:施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。 11.蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 12.应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。 13.断裂韧性：反映材料抗断性能的参数。 14.冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 15.亚临界裂纹扩展：在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展称为亚临界裂纹扩展。 16.裂纹偏转增韧：在扩展裂纹剪短应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致机体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。 17.弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果，称为弥散增韧。 18.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，称为相变增韧。 19.热容：分子热运动的能量随着温度而变化的一个物理量，定义为物体温度升高1K所需要的能量。 20.比热容：将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量，简称比热。 21.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 热传导：当固体材料一端的温度笔另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端。22.热导率：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。 23.热稳定性:指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。 24.抗热冲击断裂性：材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。 25.抗热冲击损伤性：材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能。 26.热应力：材料热膨胀或收缩引起的内应力。 27.声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力 ※ 材料的导电性能 1、 霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两 个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。 形成的电场E H ，称为霍尔场。表征霍尔场的物理参数称为霍尔系数，定义为： 霍尔系数R H 有如下表达式：e n R i H 1 ± = 表示霍尔效应的强弱。霍尔系数只与金属中自由电子密度有关 2、 金属的导电机制 只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。 利用能带理论严格导出电导率表达式： 式中： nef 表示单位体积内实际参加传导过程的电子数； m *为电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。 此式不仅适用于金属，也适用于非金属。能完整地反映晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，它将不受散射而无阻碍的传播，这时 电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射(不相干散射)，这就会产生电阻——金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。 3、 马西森定律 （P94题11） 试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时威慑年电阻测量要在低温下进行。 马西森（Matthissen ）和沃格特（V ogt ）早期根据对金属固溶体中的溶质原子的浓度较小，以致于可以略去它们 之间的相互影响，把金属的电阻看成由金属的基本电阻ρL(T)和残余电阻ρ?组成，这就是马西森定律（ Matthissen Rule ），用下式表示： ρ?是与杂质的浓度、电缺陷和位错有关的电阻率。 ρL(T)是与温度有关的电阻率。 4、 电阻率与温度的关系 金属的温度愈高，电阻也愈大。 若以ρ0和ρt 表示金属在0 ℃和T ℃温度下的电阻率，则电阻与温度关系为: 在t 温度下金属的电阻温度系数： 5、 电阻率与压力的关系 在流体静压压缩时，大多数金属的电阻率降低。 在流体静压下金属的电阻率可用下式计算 式中：ρ0表示在真空条件下的电阻率；p 表示压力；φ是压力系数(负值10-5~10-6 )。 正常金属（铁、钴、镍、钯、铂等），压力增大，金属电阻率下降；反常金属（碱土金属和稀土金属的大部分） 6、 缺陷对电阻率的影响：不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同，空位和间隙原子对剩余电阻率的影响和金属 杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。 “材料性能学”课程教学大纲 武汉大学物理科学与技术学院 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 一、课程英文名称：An Introduction to Materials Properties 二、适用专业：材料科学与技术试验班，材料物理等本科专业学生 三、课程性质：指定选修 四、总学时（学分）：54学时（3学分）； 五、授课方式： 1、课堂授课（为主）； 2、实验（电镜断口观察）、 3、课堂讨论（每一位学生选择一个专题，写一篇综述论文，并且在课堂上讲解 和讨论，与作业一起作为平时成绩，平时成绩占总成绩的50％。） 六、使用教材： 《材料性能学》王从曾主编，刘会亭主审，北京工业大学出版社，2001年。 七、参考书目 1、《工程材料力学性能》刘瑞堂、刘文博、刘锦云编，哈尔滨工业大学出版社， 2001年。 2、《材料物理性能》田莳编著，北京航空航天大学出版社，2001年。 3、《材料物理导论》熊兆贤编著，科学出版社，2001年。 八、课程主要内容简介： 《材料性能学》是一门专业指定选修课。该课程涉及知识面宽，信息量大，基础性强。主要讲授材料各种性能的基本概念、物理(化学)本质、影响材料性能的因素及性能指标的测试原理与工程应用等。材料性能涉及到材料科学和工程两部分内容。性能的物理本质部分告诉我们“为什么”，工艺一结构、性能及其测试分析技术告诉我们“如何做”，其载体和桥梁就是具体的材料。学习过程中把这两部分有机地结合起来，有利于学生掌握材料各种性能研究领域的整体，促进积极思维和创造精神。 主要内容包括：１）材料的力学性能：材料在静载条件下的力学性能、冲击韧性、断裂韧性、疲劳性能、磨损性能，以及高温力学性能等；２）材料的物理性能：材料的热学性能、磁学性能、电学性能、光学性能、压电及铁电性能等；３）材料的腐蚀及老化性能等。 九、教学目的与要求： 本课程是“材料科学与工程”一级学科的专业课程之一。目的在于使学生了解材料常见力学性能和物理性能的本质及其变化规律；初步熟悉有关力学性能和物理性能的测试方法和在材料科学研究中的运用；掌握材料韧性、脆性、疲劳性能、热性、电性、磁性、弹性、内耗等的本质、基本变化规律、以及与组织结构的关系；掌握测试的基本原理和分析方法；了解在材料研究及实际工业生产中的运用。 材料无机材料物理性能考试及答案 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 无机材料物理性能试卷 一．填空（１×２０＝２０分） 1．CsCl结构中，Ｃs+与Cl-分别构成＿＿＿＿格子。 ２．影响黏度的因素有＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ３.影响蠕变的因素有温度、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ４．在＿＿＿＿、＿＿＿＿的情况下，室温时绝缘体转化为半导体。 ５．一般材料的＿＿＿＿远大于＿＿＿＿。 ６．裂纹尖端出高度的＿＿＿＿导致了较大的裂纹扩展力。 ７．多组分玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿。 ８．介电常数显著变化是在＿＿＿＿处。 ９．裂纹有三种扩展方式：＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿。 １０．电子电导的特征是具有＿＿＿＿。 二.名词解释（4×4分=16分） 1.电解效应 2.热膨胀 3.塑性形变 4.磁畴 三.问答题（3×8分=24分） 1.简述晶体的结合类型和主要特征： 2.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式?晶体中离子电导分为哪几类？ 3.无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。 4.下图为氧化铝单晶的热导率与温度的关系图，试解释图像先增后减的原因。 四，计算题（共20分） 1.求熔融石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm，弹性模量值从60 到75GPa。（10分） 2.康宁1273玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数： =0.021J/(cm ·s ·℃)；a=4.6×10-6℃-1；σp=7.0kg/mm2， 《材料物理性能》测试题 1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、 2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、 3、磁各向异性一般包括 、 、 等。 4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。 5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。 6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。 7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。 8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。 9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。 10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。 1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。 （ ） 2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。 （ ） 3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。 （ ） 4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。 （ ） 5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。 （ ） 6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。 （ ） 7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。 （ ） 8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。 （ ） 9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。 （ ） 10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。 （ ） 1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ） A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。 B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。 C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。 D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。 2、 关于热膨胀，下列说法中不正确的是 （ ） A 各向同性材料的体膨胀系数是线膨胀系数的三倍。 B 各向异性材料的体膨胀系数等于三个晶轴方向热膨胀系数的加和。 C 热膨胀的微观机理是由于温度升高，点缺陷密度增高引起晶格膨胀。 D 由于本质相同，热膨胀与热容随温度变化的趋势相同。 3、下面列举的磁性中属于强磁性的是 （ ） A 顺磁性 B 亚铁磁性 C 反铁磁性 D 抗磁性 4、关于影响材料铁磁性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 温度升高使得M S 、 B R 、H C 均降低。 B 温度升高使得M S 、B R 降低，H C 升高。 C 冷塑性变形使得C H μ和均升高。 D 冷塑性变形使得C H μ和均降低。 5、下面哪种效应不属于半导体敏感效应。 （ ） A 磁敏效应 B 热敏效应 C 巴克豪森效应 D 压敏效应 6、关于影响材料导电性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 由于晶格振动加剧散射增大，金属和半导体电阻率均随温度上升而升高。 B 冷塑性变形对金属电阻率的影响没有一定规律。 C “热塑性变形＋退火态的电阻率”的电阻率高于“热塑性变形＋淬火态” D 一般情况下，固溶体的电阻率高于组元的电阻率。 7、下面哪种器件利用了压电材料的热释电功能 （ ） A 电控光闸 B 红外探测器 C 铁电显示器件 D 晶体振荡器 8、下关于铁磁性和铁电性，下面说法中不正确的是 （ ） A 都以存在畴结构为必要条件 B 都存在矫顽场 C 都以存在畴结构为充分条件 D 都存在居里点 9、下列硬度实验方法中不属于静载压入法的是 （ ） 金属材料物理专业实验课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：金属材料物理专业实验 所属专业：金属材料 课程性质：专业实验课 学分：4 （二）课程简介、目标与任务； 课程简介：金属材料物理专业实验是专业实验教学部的重要组成部分，其前身是原物理系金属物理专业，始建于1956年，是我国第一批设置的金属物理专业，是与吉林大学、北京大学、南京大学、中山大学同期先后设置的专业，也是建国初期按照地理区域和行政区域划分的全国八大金属材料研究基地之一。主要培养有色金属、复合材料、粉末冶金、材料热处理、材料腐蚀与防护及表面等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面的人才。本专业实用性很强，研究成果可以直接应用到现实生产，所取得的进展和人民群众的日常生活密切相关，专业就业前景广阔。 目标和任务：从基础性的技能训练实验、综合性创新性实验和研究性科研训练等三个层次上进行实验内容、层层深入地培养与训练学生的综合实验素质及创新能力：精选基础性实验，建设并加强综合性实验和研究创新性实验。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 《金属物理学》《金属热处理》 （四）教材与主要参考书。 教材：自编中 参考书： 1.《金属热处理综合实验指导书》，王志刚、刘科高主编，高等学校“十二五”实验实训规 划教材，冶金工业出版社； 2.《金属材料及热处理实验教程》，周小平主编，华中科技大学出版社； 3.《金属热处理原理与工艺》，王顺兴主编，哈尔滨工业大学出版社； 4.《金属热处理工艺学》，夏立方主编，哈尔滨工业大学出版社 （五）主讲教师。 主讲：卓仁富，闫徳 教师梯队：王君，耿柏松，门学虎，吴志国 二、课程内容与安排 第一章金属热处理（退火、正火、淬火） （一）教学方法与学时分配 8学时，必做实验。先讲授，然后自己动手完成实验 （二）内容及基本要求 主要内容：热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，热处理的主要目的是改善钢材性能，提高工件使用寿命。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。 热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。 普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。Fe-FeC相图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。 【重点掌握】：含碳量、加热温度、冷却速度等因素与碳钢热处理后组织及性能的关系。 无机材料物理性能考试试题及答案 一、填空（18） 1. 声子的准粒子性表现在声子的动量不确定、系统中声子的数目不守恒。 2. 在外加电场E的作用下，一个具有电偶极矩为p的点电偶极子的位能U=-p·E，该式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低而反向时能量为最高。 3. TC为正的温度补偿材料具有敞旷结构，并且内部结构单位能发生较大的转动。 4. 钙钛矿型结构由 5 个简立方格子套购而成，它们分别是1个Ti 、1个Ca 和3个氧简立方格子 5. 弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。 6. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 7. 制备微晶、高密度与高纯度材料的依据是材料脆性断裂的影响因素有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。 8. 粒子强化材料的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，达从而到强化的目的。 9. 复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 10.裂纹有三种扩展方式：张开型、滑开型、撕开型 11. 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 二、名词解释(12) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性能等。 电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子的某一电子壳层转移到相邻原子的相似壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。 三、简答题（13） 1. 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 答：正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；在高温下，有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-----粘性流动。因此玻璃在高温时能变形。 2. 有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？ 答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 3. 简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。 答：(1) 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率c。(3) 减小材料的热膨胀系数a。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。材料科学基础Ι_课程教学大纲
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