西北工业大学材料物理性能总复习.pdf

材料物理性能 总复习 第一章 固体中电子结构和状态第一章 固体中电子结构和状态 总结 总结 总结 总结 基本理论基本理论 电子的粒子性和波动性电子的粒子性和波动性电子的粒子性和波动性电子的粒子性和波动性 金属电子理论金属电子理论 基本理论基本理论 测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理 波函数及其物理意义波函数及其物理意义波函数及其物理意义波函数及其物理意义 薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程 薛定锷方程的应用薛定锷方程的应用薛定锷方程的应用薛定锷方程的应用无限势阱无限势阱无限势阱无限势阱 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构 电子在原子中分布遵守的原理电子在原子中分布遵守的原理电子在原子中分布遵守的原理电子在原子中分布遵守的原理 分子结构和键合分子结构和键合 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 光的二象性光的二象性 粒子的二象性粒子的二象性 核外电子壳层结构核外电子壳层结构 电子的粒子性和波动性电子的粒子性和波动性电子的粒子性和波动性电子的粒子性和波动性霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 光的二象性光的二象性 基本理论基本理论 测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理 粒子的二象性粒子的二象性 hP hE 物质波物质波物质波物质波 波粒二象性是一切物波粒二象性是一切物 质所普遍具有的属性质所普遍具有的属性 x p h 微观粒子 不能同时用确定的位置不能同时用确定的位置 和确定的动量来描述和确定的动量来描述 用几率概念描述用几率概念描述 电子在原子 中的运动 ne RH 1 RH 0RH 0 空穴空穴空穴空穴电子电子电子电子 x t2cos 0 基本理论基本理论 波函数及其物理意义波函数及其物理意义波函数及其物理意义波函数及其物理意义薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程薛定锷方程的应用薛定锷方程的应用薛定锷方程的应用薛定锷方程的应用 物质波物质波 px i e h 0 定态波函数 振幅函数 定态波函数 振幅函数 物质波是一种几率波物质波是一种几率波 2 0 8 0 2 2 2 2 2 22 2 h mE dx d mE dx d h 0 2 22 2 UE m dx d h 0 8 2 2 2 2 UE h m dx d 0 2 2 2 UE m h 一维势阱一维势阱 求解求解sdg 3 2 1 sin 2 n a xn a 2 222 2ma n E h 能量量子化能量量子化 自由粒子自由粒子自由粒子自由粒子 一般粒子一般粒子一般粒子一般粒子 三维三维三维三维 基本理论基本理论 原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构电子在原子中分布遵守的原理电子在原子中分布遵守的原理电子在原子中分布遵守的原理电子在原子中分布遵守的原理分子结构和键合分子结构和键合 核外电子壳层结构核外电子壳层结构 四个量子数四个量子数 主量子数 主量子数 角量子数 角量子数 角量子数 角量子数 磁量子数磁量子数磁量子数磁量子数 ml 自旋量子数自旋量子数自旋量子数自旋量子数 ms 泡里不相容原理泡里不相容原理泡里不相容原理泡里不相容原理 能量最低原理能量最低原理能量最低原理能量最低原理 洪德规则洪德规则 键合的量子计算键合的量子计算键合的量子计算键合的量子计算 原子能级原子能级 分子能级分子能级 能级展形能级展形 分裂分裂 金属电子理论金属电子理论 古典电子理论古典电子理论量子电子理论量子电子理论量子电子理论量子电子理论能带理论能带理论能带理论能带理论 经典量子能带经典量子能带 价电子公有价电子公有YYY 价电子自由运动 能量自由改变 价电子自由运动 能量自由改变 Y Y Y 量子化的 准自由电子 量子化的 准自由电子 允带 量子化 禁带 能量不允许区 允带 量子化 禁带 能量不允许区 金属是一势箱 势能 金属是一势箱 势能 Y 常数常数 Y 常数常数 Y 周期场周期场 服从的规律服从的规律 理想气体定律 波尔兹曼统计 费米 狄拉克统计 能量量子化 费米能 理想气体定律 波尔兹曼统计 费米 狄拉克统计 能量量子化 费米能EF 量子化规律 能带 量子化规律 能带 允带 禁带允带 禁带 在布里渊区界面上 能量发生突变 在内部能量量子化 量子化规律 周期场 在布里渊区界面上 能量发生突变 在内部能量量子化 量子化规律 周期场 2211 2 2 3 2 1 VPVP Tk vmE EEZ NEE E 5 3 E 5 3 大 大总 第二章 材料的电性能第二章 材料的电性能 总结 总结 材料的电性能材料的电性能 电荷的载体称为电荷的载体称为载流子载流子 金属导电机制金属导电机制 金属电阻及其影响因素金属电阻及其影响因素金属电阻及其影响因素金属电阻及其影响因素 古典电子理论古典电子理论 对导电的解释对导电的解释 量子电子理论量子电子理论 对导电性的解释对导电性的解释 能带理论能带理论 对导电性的解释对导电性的解释 m en 2 不同的理论对有关项作不同的物理解释不同的理论对有关项作不同的物理解释 与 成正比 与 成正比 T 与 与T 成正比成正比 较为全面 的解释了 导体 半 导体 绝 缘体的问 题 较为全面 的解释了 导体 半 导体 绝 缘体的问 题 两个基本公式两个基本公式 马基森定律马基森定律 温度与纯金属电阻的关系温度与纯金属电阻的关系 各种因素对电阻的影响各种因素对电阻的影响 冷加工对金属电阻的影响冷加工对金属电阻的影响 缺陷对金属电阻的影响缺陷对金属电阻的影响 固溶体的电阻率固溶体的电阻率 有序合金的电阻率有序合金的电阻率 不均匀固溶体 不均匀固溶体 K状态 的电阻率状态 的电阻率 化合物 中间相 多相合金的电阻率化合物 中间相 多相合金的电阻率 半导体半导体 电子类载流子导电电子类载流子导电引言引言 半导体半导体 材料的电性能材料的电性能 电性能测量及其应用举例电性能测量及其应用举例 伏伏 安法安法 单电桥法单电桥法 双电桥法双电桥法 电位差计法电位差计法 直流四探针法直流四探针法 电阻测量方法电阻测量方法电阻法分析应用举例电阻法分析应用举例 测量固溶体溶解度曲线测量固溶体溶解度曲线 研究合金时效研究合金时效 研究马氏体转变研究马氏体转变 研究疲劳和裂纹扩展研究疲劳和裂纹扩展 第五章 材料的热性能第五章 材料的热性能 总结 总结 材料的热性能材料的热性能 材料的热容材料的热容材料的热膨胀材料的热膨胀材料的导热性材料的导热性 固体热固体热容容理论理论简介简介 陶瓷材料热容陶瓷材料热容 金属和合金的热容金属和合金的热容 相变对热容的影响相变对热容的影响 热分析方法热分析方法 热分析应用热分析应用 热膨胀原理热膨胀原理 热膨胀系数热膨胀系数 热膨胀系数与其它物理热膨胀系数与其它物理 量之间的关系量之间的关系 影响热膨胀的因素影响热膨胀的因素 多晶体和复合材料的热膨胀多晶体和复合材料的热膨胀 热膨胀测试方法及其应用热膨胀测试方法及其应用 膨胀合金膨胀合金 固 体 热 容 理 论 简 介 固 体 热 容 理 论 简 介 金属和合金的热容金属和合金的热容 经典热容理论 杜隆 珀替定律经典热容理论 杜隆 珀替定律 爱因斯坦的量子热容理论爱因斯坦的量子热容理论 德拜量子热容理论德拜量子热容理论 C dE dT 3R 常数常数 温度 较高 温度 较高 C dE dT 3R 常数常数 温度 较低 温度 较低 热容和热容和T3成比例成比例 CV m T3 C dE dT 3R 常数常数 温度 较高 温度 较高 温度 较低 温度 较低 与实验相符与实验相符 无转变时金属的热容与温度曲线 纯金属 无转变时金属的热容与温度曲线 纯金属 三个区三个区 当当T D时 时 C C离离 3R 当当T D时 时 C C离离 C电电 AT3 BT 陶瓷材料热容陶瓷材料热容相变对热容的影响相变对热容的影响 德拜特征温度德拜特征温度 D 3 2 137 a M D MV T 热容与温度关系更符合德拜模型热容与温度关系更符合德拜模型 合金热容合金热容2 1 mp m pmp qCpCC 诺埃曼诺埃曼 考普定压热容定律考普定压热容定律 发生相变时有热效应发生相变时有热效应发生相变时有热效应发生相变时有热效应 一级相变一级相变 二级相变二级相变 例如 例如 熔 化 有序 无序转变 亚稳态的热效应 熔 化 有序 无序转变 亚稳态的热效应 热分析方法热分析方法 热分析应用热分析应用 差热分析 差热分析 DTA dTA法法 差示扫描量热法 差示扫描量热法 DSC 补偿型补偿型 可确定相变点 相变潜热定量分析误差大可确定相变点 相变潜热定量分析误差大 研究快速冷却条件下金属材料的相变点研究快速冷却条件下金属材料的相变点 建立合金状态图建立合金状态图 热分析确定临界点时要注意的问题热分析确定临界点时要注意的问题 消除方法消除方法 测定钢的转变曲线测定钢的转变曲线确定相变点可以和金相等方法联合使用确定相变点可以和金相等方法联合使用 研究 相热稳定性研究 相热稳定性 研究有序研究有序 无序转变无序转变 热膨胀原理热膨胀原理热膨胀系数热膨胀系数 热膨胀来自原子的非简谐振动热膨胀来自原子的非简谐振动 吸引力 正 负电子间的库仑力 使体积缩小 排斥力 同号电荷的库仑力斥力 使体积增大 吸引力 正 负电子间的库仑力 使体积缩小 排斥力 同号电荷的库仑力斥力 使体积增大 1 1 1 12 12 1 1212 C TT ll l TTll o dT dl lT T 1 体膨胀系数体膨胀系数 线膨胀系数线膨胀系数 平均体膨 胀系数 平均体膨 胀系数 12 12 1 1 TT VV V 真体膨 胀系数 真体膨 胀系数 dT dV VT T 1 热膨胀系数与其它物理 量之间的关系 热膨胀系数与其它物理 量之间的关系 影响热膨胀的因素影响热膨胀的因素 金属的体膨胀系数与热容的关系金属的体膨胀系数与热容的关系 V c KV r 膨胀系数与熔点的关系膨胀系数与熔点的关系 0 06 V VV 0 0TM 体积膨胀 体积膨胀 膨胀系数与德拜温度的关系膨胀系数与德拜温度的关系 23 2 1 Da MV A 膨胀系数与硬度的关系膨胀系数与硬度的关系 硬度越高 膨胀系数就越小硬度越高 膨胀系数就越小 铁磁性转变的影响铁磁性转变的影响 晶体各向异性晶体各向异性 晶体缺陷晶体缺陷 合金成分和相变合金成分和相变 膨胀系数与比容成正比 发生相变时膨胀系数的变化与比容相似 膨胀系数与比容成正比 发生相变时膨胀系数的变化与比容相似 多晶体和复合材料的热膨胀多晶体和复合材料的热膨胀热膨胀测试方法及其应用热膨胀测试方法及其应用 钢的热膨胀特性钢的热膨胀特性 密度大小排 马氏体密度大小排 马氏体 铁素体 铁素体 Fe3C 珠光体 贝氏体珠光体 贝氏体 渗碳体渗碳体 铁素体铁素体 珠光体珠光体 奥氏体奥氏体 正是因为不同材料的比容不同 通过膨胀曲线可测相变点正是因为不同材料的比容不同 通过膨胀曲线可测相变点 多相及复合材料的热膨胀系数多相及复合材料的热膨胀系数经验公式经验公式 热膨胀的测试方法热膨胀的测试方法 机械膨胀仪机械膨胀仪 光学膨胀仪光学膨胀仪 电磁膨胀仪电磁膨胀仪 普通光学膨胀仪 测定膨胀系数方便 示差光学膨胀仪 测定临界点敏感 普通光学膨胀仪 测定膨胀系数方便 示差光学膨胀仪 测定临界点敏感 测定钢的 临界点 测定钢的 临界点 切线发 极值法 双切线交点法 切线发 极值法 双切线交点法 膨胀法在材料研究中的应用膨胀法在材料研究中的应用 测定钢的过冷奥氏体等温转变曲线测定钢的过冷奥氏体等温转变曲线 测定钢的连续冷却转变曲线 测定钢的连续冷却转变曲线 CCT曲线 曲线 研究快速升温时金属相变及合金时效动力学研究快速升温时金属相变及合金时效动力学 第六章材料磁性能总结 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 材料的磁性能材料的磁性能 铁磁性 亚铁磁性 的特性铁磁性 亚铁磁性 的特性 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 磁性测量及在材料科学与工程中的应用磁性测量及在材料科学与工程中的应用 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 磁学基本量磁学基本量磁学基本量磁学基本量磁性分类磁性分类 磁矩磁矩磁矩磁矩iSm r 力矩力矩力矩力矩Bm v vv sin Bm 静磁能静磁能静磁能静磁能 cos BmBmU v v最大 最小 最大 最小 相差相差相差相差2mB2mB 净力净力净力净力 dx dB m dx dU Fx 磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B HB 00 HMHMHB 000 磁化强度磁化强度M 宏观宏观宏观宏观 微观微观微观微观 HM V m M v 磁化率 磁化率 磁化率 不同磁化率 不同 抗磁性抗磁性 顺磁性顺磁性 铁磁性铁磁性 亚铁磁性亚铁磁性 反铁磁性反铁磁性 原子本征磁矩 抗磁性 顺磁性原子本征磁矩 抗磁性 顺磁性 材料的磁性要从材料的磁性要从 正离子的抗磁性 正离子的顺磁性 自由电子的抗磁性 自由电子的顺磁性 正离子的抗磁性 正离子的顺磁性 自由电子的抗磁性 自由电子的顺磁性 四方方面综合讨论四方方面综合讨论 F B F B F B E N E N E N 2 0 2 0 2 0 2 3 3 1 2 3 电顺电顺 原子 本征磁矩 原子 本征磁矩 固有磁矩固有磁矩固有磁矩固有磁矩 m v e m v 电子轨道磁矩电子轨道磁矩 s m v 电子自旋磁矩电子自旋磁矩 Blez mm Bsz m 正离子的 抗磁性 正离子的 抗磁性 来源 电子轨道磁矩 来源 电子轨道磁矩e m 2 2 0 6 r m zNe H M 抗抗 的方向总是 与 的方向总是 与H的方向相反的方向相反 e m 正离子的 顺磁性 正离子的 顺磁性 来源 原子固有磁矩 来源 原子固有磁矩mT C kT n H M m 3 2 0 顺 顺 TcT C 自由电子的 顺磁性 自由电子的 顺磁性 来源 自由电子自旋磁矩 来源 自由电子自旋磁矩 F B E N 2 0 2 3 电顺电顺 自由电子的 抗磁性 自由电子的 抗磁性 来源 自由电子 来源 自由电子 B运动运动 电顺电抗电顺电抗 3 1 元 素 磁 性 元 素 磁 性 碱金属 碱 土金属 碱金属 碱 土金属 过渡和稀土 族金属 过渡和稀土 族金属 Cu Au A g Zn 惰性气体惰性气体 主要 主要 主要 主要 主要 主要 主要 主要 与与T无关无关与与T有关有关 内层电子壳层填满电子 内层电子壳层填满电子 m 0 me 0显示显示 结 论结 论顺磁性顺磁性顺 铁顺 铁抗磁性抗磁性 2 6m NZe x 2 0 离抗离抗 3kT Nm x 2 0 离顺离顺 F 2 B0 E N x 自由电子顺自由电子顺 正离子正离子 抗磁性抗磁性 me电子轨道磁矩电子轨道磁矩 特点 特点 与 与T无关无关 任何原子 分子中都有 任何原子 分子中都有 me 但很小但很小 正离子正离子 顺磁性顺磁性 电子固有磁矩电子固有磁矩m 郎之万顺磁性郎之万顺磁性 特点 特点 与 与T有关 有关 比 比X离抗 离抗大 大1 3个数量级个数量级 自由电子 顺磁性 自由电子 顺磁性 自由电子 抗磁性 自由电子 抗磁性 自由电子自旋磁矩自由电子自旋磁矩 msZ B 特点 特点 与与T关系不大关系不大 泡利顺磁 性 泡利顺磁 性 洛伦兹运动洛伦兹运动 2 6m NZe x 2 0 离抗离抗 3kT Nm x 2 0 离顺离顺 F 2 B0 E N 2 3 x 电顺电顺 居里定律居里定律 T c 外斯定律居里 外斯定律居里 TcT c 电顺电抗电顺电抗 xx 3 1 F 2 B0 E N 电顺电顺 x 铁磁性的特性铁磁性的特性 一 磁化曲线一 磁化曲线 二 磁滞回线二 磁滞回线 三 磁晶各向异性和各向异性能三 磁晶各向异性和各向异性能 四 铁磁体形状各向异性及退磁能四 铁磁体形状各向异性及退磁能 五 磁致伸缩与磁弹性能五 磁致伸缩与磁弹性能 磁滞回线磁滞回线 退磁过程退磁过程 剩磁剩磁 Mr 矫顽力矫顽力 Hc 反向磁饱和反向磁饱和 E点 点 磁滞回线磁滞回线 磁滞损耗磁滞损耗 Q 磁化曲线磁化曲线 软磁 硬磁材料磁滞回线特点软磁 硬磁材料磁滞回线特点 磁化曲线磁化曲线 H B H M 磁化率 磁导率 磁化率 磁导率 初始磁导率初始磁导率 最大导磁率最大导磁率 m 磁晶各向异性和 各向异性能 磁晶各向异性和 各向异性能 易磁化方向易磁化方向 难磁化方向难磁化方向 各向异性能各向异性能 222 2 222222 1 KKEK 铁磁体形状各向异性及退磁能铁磁体形状各向异性及退磁能磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩与磁弹性能 退磁因子与铁磁体的形状有关退磁因子与铁磁体的形状有关 退磁场强度退磁场强度 试样沿不同方向测得的磁化曲线是不同试样沿不同方向测得的磁化曲线是不同 退磁能退磁能 退磁场与磁化强度退磁场与磁化强度M成正比成正比 CGSN d MH 0 SID D MB 0 0 l ll 线磁致伸缩系数线磁致伸缩系数 饱和磁致伸缩系数饱和磁致伸缩系数s 0 0 V VV W 体磁致伸缩系数体磁致伸缩系数 因瓦合金具有较大的体积磁致伸缩系数 其他铁磁体的体积磁致伸缩系数十分小 磁弹性能的计算磁弹性能的计算 2 sin 2 3 s E 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 自发磁化理论自发磁化理论技术磁化理论技术磁化理论 铁磁性 产生的原因 铁磁性 产生的原因 必要条件必要条件 充分条件充分条件 原子磁矩不等于零原子磁矩不等于零 交换积分交换积分A 0 自发磁化理论 解释一些现象 自发磁化理论 解释一些现象 温度升高 温度升高 Ms 铁磁性变成顺磁性铁磁性变成顺磁性 对磁晶各相异性能的解释 易磁化 难磁化对磁晶各相异性能的解释 易磁化 难磁化 磁 畴磁 畴 磁畴壁磁畴壁 磁畴壁的能量磁畴壁的能量 磁畴结构的形成磁畴结构的形成 实际晶体中的磁畴