材料物理性能基础知识点

1、基础知识点一,基本概念：1 .摩尔热容：使1摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容。它反映材料从周围环境吸收热量的能力。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，温度升高1K所需要的热量称为比热容。它反映材料从周围环境吸收热量的能力。3 .比容：单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。4 .格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，因此品格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故品格振动会在晶体中以弹性波的形式传播，而形成格波”。5 .声子（Phonon）:声子是晶体中晶格

2、集体激发的准粒子，就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。6.德拜特征温度：德拜模型认为： 晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动， 声频支的频率具有0wmax分布，其中，最大频率所对应的温度即为德拜温度出，即fe=?wmax/ko7 .示差热分析法（DifferentialThermalAnalysis,DTA）:是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线）的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ATT（t）,从而对材料组织结构进行分析的一种技术。8 .示差扫描量热法（DifferentialScanningCalorimet

3、ry,DSC）:用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。9 .热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。10.塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。11.玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。12.迈斯纳效应：若在常温下将超导体先放入磁场内，则有磁力线穿过超导体；然后再将超导体冷却至Tc以下，发现磁产从超导体内被排出，即超导体内无磁场B=0。即

4、超导体具有完全的抗磁性。13.铁电体：具有电畴结构和电滞回线的晶体。14 .铁电性：具在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化的方向可因外电场的作用而反向，晶体的这种特性称为铁电性。15 .自发极化：在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化。16.压电效应：在某些晶体（主要是离子晶体）的一定方向施加机械力作用时，晶体的两端表面出现符号相反的束缚电荷，且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比，这种由机械效应转换成电效应的现象称为压电效应。17.逆压电效应：将具有压电效应的电介质置于外电场中，由于外电场的作用引起其内部正负电荷中心位移，从而导致电介质发生形变（形变与所加电场

5、强度成正比），这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。18 .介质损耗：由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗，由电能转变为其它形式的能（如热、光能等），统称为介质损耗。19.光生伏特效应：光照射引起PN结两端产生电动势的效应。当光照射到PN结结区时，光照产生的电子一空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累使N区侧带负电，空穴在P区积累使P区侧带正电，从而建立一个与原内建电位差相反的电位差，称为光生电位差。20 .磁化强度：单位体积的总磁矩，表征物质的磁化状态。21 .磁畴：在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。22.磁致伸缩效应：铁

6、磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都发生变化的现象。23.退磁场：当铁磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由于磁极作用而产生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到减弱外磁场的作用，故称为退磁场。24.技术磁化：在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程。25.磁导率当外磁场H增加时，磁感应强度B增加的速率叫磁导率，用以表示，即产B/H。表示磁性材料传导和通过磁力线的能力.单位为亨利/米（Hm-1）.26.内耗：固体材料对振动能量的损耗称为内耗，它代表材料对振动的阻尼能力。27.滞弹性（或驰豫）：在弹性范围内出现的非弹性现象（如弹性蠕变和弹性后效）。28.滞弹性内耗：由滞弹性产生

7、的内耗。29.弹性模量：在弹性范围内，引起物体单位变形所需要的应力大小。即材料所受应力b与应变e之间的线性比例系数，6=E,e其中称为弹性模量。它表示材料弹性变形的难易程度。二，基本理论（含微观机理）：热学：1.杜隆一珀替定律；2.爱因斯坦模型；3.德拜的比热模型电学：1.量子自由电子理论；2.能带理论；3.离子导电机制磁学：1.铁磁金属的自发磁化理论；2.矫顽力理论（应力理论，杂质理论）热膨胀：微观机理弹性与内耗：1.弹性理论；2.滞弹性内耗机制（驰豫理论的基本思想）三，基本规律（含影响因素）热学：热容的实验规律，影响热容的因素及规律（温度，组织转变，结构相变，合金成分等）电学：导体，半导体

8、，绝缘体的导电性随温度的变化规律；影响导电性的因素磁学：M-T 曲线；磁化规律；影响铁磁性的因素（组织敏感参量和组织不敏感参量）热膨胀：热膨胀的实验规律；常见材料（如钢组织）的膨胀规律弹性与内耗：内耗的实验测定；斯诺克内耗实验四，实验测量方法与原理热学：热容的测定及热分析方法磁学：磁性的测量方法及原理（如矫顽力等）热膨胀：热膨胀的测量方法弹性与内耗：弹性模量及内耗的测量原理；碳在 aFe 中的扩散系数和扩散激活能的测定.内容简介第一章.材料的热性能由于材料和制品往往要应用于不同的温度环境中，很多使用场合还对它们的热性能有着特定的要求，因此热学性能也是材料重要的基本性质之一。固体材料的一些热性能

9、如比热，热膨胀、热传导等都直接与品格振动有关，因此我们首先介绍热力学与统计力学一些概念和品格振动的有关内容。1材料的热容热容的概念：热容的定义：物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容.摩尔热容：使1摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的能量，它反映材料从周围环境吸收热量的能力。比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为比热容。它反映材料从周围环境吸收热量的能力。比容：单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。物体的热容还与它的热过程性质有关，假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定的热容称为恒压热容（CP）

10、 。 假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的， 则所测定的热容称为恒容热容（CV） 。由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功（膨胀功），所以每提高1K温度需要吸收更多的热量，即CPCV,1.1晶态固体热容的经验定律和经典理论晶体的热容，元素的热容定律一一杜隆一珀替定律：恒压下元素的原子热容等于25J/Kmol：实际上大部分元素的原子热容都接近25J/Kmol,特别在高温时符合得更好。根据晶格振动理论，一个摩尔固体中有N个原子，总能量为：E=3NkT=3RT式中N阿佛加德罗常数；T绝对温度（K）k波尔茨曼常数；R=8.314（J/kmol）一气体普适常数。按热容的定义，有：

11、Cv=（dE/dT）v=3NkB=3R=24.91J/（mol.K）1.2晶态固体热容的量子理论1.2.1爱因斯坦模型爱因斯坦提出的假设是：晶体中所有原子都以相同的频率振动，振动的能量是量子化的，且每个振子都是独立的振子。3Nk23NkfeTvkT_2kTkT1当T趋于零时，CV逐渐减小，当T=0时，CV=0,这都是爱因斯坦模型与实验相符之处，但是2E在低温下，当T0E时爱因斯坦模型爱因斯坦模型6 斯坦模型 1，林山所石原 r 那以川同的卿振血振功的胞机是量子化的.且备个提子都是独立的提于振动的 En=ntv,j+1/2Tii小、替/爱因呼怆混度振子具有施En=nh6J 的几率；exp(-nW

12、k-T)耀子的平均能 E(u)=(h/exphw/luT)1平均声子城 m=E(9D,CV=3RS即是杜隆一珀替定律。124NkT3当温度很低时，即TC因全三、研究有序三、研究有序- -无序转变无序转变微相交 在恒温恒不下.除有体枳变化外， H生一支伴船相变酒热度午q 潞容无限大M 统片的 w-态华火.同东异构特变,共晶，包下转变，血全的共析蚌变专，1)二修相要 相变在个句限的温度低国内遇渐变化,雷电交生.但不夹麦.希容在转变温电用山 I:行剧外变化 a 但为有限值.这类相变也括磁性转变,部分林科的有序五论奄 有人认为郦分轼无序卜一堆用变，.超导转亳N1J喑金;有存态:宜定的低地态五序态:亚温

13、f高能)态3W无序出7白一坪态无.序必th)I吸热峰有序愈J1rtg.300 例例加。加。4110UTA热分析方法的实验原理热分析方法的实验原理DTA与DSC方法的实验原理比较丐比由贝斤特_ATintlitt城祥口口 1 工分折测量示意工分折测量示意1111DTA敢时5熙熟峥刷踊/帆蛔忖耐现虻品湾.UT高*的即程耳激峰的旅雄虐1F比.兔坡度哥.自衲拄制.中保区下件定量分析.鬲过下削定件分析.口加优点：精确度，定量分析700度以下)麦动热补懵器温度D14 曲拄和温度曲拄和温度 1 的关系的关系2固体材料热膨胀的物理本质：原子的非简谐振动2热膨胀和其它性能的关系2.4膨胀系数与热容的关系2.4膨胀

14、系数a与熔点Tm的关系格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程， 即一般纯金属从0K加热到熔点Tm,相对膨胀量约为6%。实际可写成：Tmw=(VTm-V0)/V0=C其中，VTm和V0分别为熔点和0K时金属的体积。C为常数，多数立方和六方品格金属取0.060.076即固态金属的体热膨胀极限方程：(VTm-V0)/V0=C6%6.7%线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式：alTm-0.0222.4膨胀系数a与德拜温度好的关系：%=b/(V2/3AT岫j。原子间结合力与D2成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。2.4热膨胀与原子序数的关系：具有一定的周期性：IA族元素的a值随Z增加而增大，其余

15、A族元素的a值则随Z增加而减小.这与键有关.碱金属a值高，过渡族元素a值低.与原子结合力有关.2影响膨胀性能的因素2.51.相变的影响：一级相变的特征是：体积发生突变，伴有相变潜热，膨胀系数在转变点无限大。如三态转变,同素异构转变等属于一级相变。二级相变无体积突变和相变潜热，但膨胀系数和比热容有突变1.%2.晶型转变：室温下ZrO2晶体是单斜晶型。温度高于1000度时转为四方晶型，体积收缩4%。严重影响应用。加入MgO,CaO,Y2O3等稳定剂后，在高温与ZrO2形成立方晶型的2.%2.有序-无序转变：Cu-Zn合金成分接近CuZn时，形成具有体心立方点阵的固溶体，低温时为有序状态，铜原子在每

16、个单胞的结点上，锌原子在中心。随T升高逐渐转变为无序，固溶体。不到2000度不发生晶型转变。2,晶型转变*空斌下 ZH)工晶体是单制品型.调度高于 1 皿 0 度时转为四方品型.体枳收靖 4%.严血影则应用 n 加入等稳定剂后.在高温与 Zi。工形成6.02X023)=3.503(g/cm3)1g金刚石的体积(比容)V1=1/3.503=0.285(cm3/g);1g石墨的体积V2=1/2.25=0.444(cm3/g);故由金刚石转变成石墨结构时体积膨胀=(V2-V1)/V1=(0.444-0.285)/0.285=55.8%例2.Calculatethechangeinvolumethat

17、occurswhenBCCironisheatedandchangestoFCCiron.ThelatticeparameterofBCCironis2.863AandofFCCironis3.591AVolumeofBCCcell=a3=2.8633=23.46710-30(m3)VolumeofFCCcell=a3=3.5913=46.30710-30(m3)ButtheFCCunitcellcontainsfouratomsandtheBCCunitcellcontainsonlytwoatoms.TwoBCCunitcellswithatotalvolumeof46.934willco

18、ntain4atoms.Volumechange/atom=(46.307-46.934)/46.934=-1.34%Steelcontractsonheating!2J.钢膨胀曲战的分析134膨版分析的应用 （也织转变体积就应）I 确定钢的蛆生转变温.度*潟度变化尤用餐）正常胖服筑州变化号鼓附加聪威加段：珠光除M变为熨氏理eb段；俄泰体痞餐于奥氏体注;n期定包用上料烟品界上时，看性培制wNIL情.除刘祸的魄力行严格要求先，正有下刊塔上1.原始以垠内相H.常川昶我布，晶粮田用Hr2.M1H垢极员冷速电一股小F；00Gh.高岩？则治也酉用小CL3,奥由修阳度前保里时同按理点最外这.4.淬火钢的回

19、火nt26060tl 体枳收黑，马氏体分融为恢泰体和限化铁535 匕网火：200 匕出现拐折,表明回火铜异度;为钛素体和濯破困1成铁承用一例1.金刚石为碳的一种晶体结构，具品格常数a=0.357nm,当它转变成石墨(p=2.25g/cr3)每个晶胞共含工亡甘析制钢加急 y】）.磐安点的测定Ail|过共折桐h:圣艺体从作治本氏体:b：帙飞悻解琳r奥氏伸；-次修磁棒wfriftftfl区睁m口忸折；星氏协等底半触比蛛布体大导假斜卡大 次蒋我林痔融靖， 使?氏席常族市而r比容增匕使“0 两旁翻率不同.-AH-.、耻:AlAuI/I共桁恻Ari.TXWtt折就硼定钢的（TT 断就（连域冷却转呼曲 f留

20、 MCGWud 连续冷却特曼热廊版曲线Bl.#北帆如蝶电放rnc1:80-16011体积收缩.E相催化物析出.马氐体正力度下降H:23口-280*0：体板膨胀.残奥分解.8.%2.材料的热传导与热稳定性1 .基本概念：热传导；热导率（X）;热扩散率（a）2 .基本规律：?傅立叶（Fourier-）定律:单位温度梯度下， 单位时间内通过单位垂直面积的热量。入导热能力魏德曼-弗兰兹定律：3 .固体材料热传导的微观机理一固体导热：电子导热，声子导热和光子导热。能量的载体：电子（彳惠布罗意波）；声子（格波）：声频波的量子；光子（电磁波）金属：主要是电子导热为主；合金/半导体：电子/声子导热；绝缘体：声

21、子导热。热导率人与热阻率的关系为2=1/。4 .影响热导率的因素：（1）温度的影响；（2）显微结构的影响；（3）化学组成的影响；（4）气孔的影响。5 .导热系数测量方法：稳态方法：（1）1.热流法导热仪；（2）保护热流法导热仪；（3）保护热板法导热仪：动态（瞬时）测量法：（1）热线法；（2）激光闪射法。6 .材料的热稳定性提高抗热冲击断裂性能的措施：1 .提高应力强度%减小弹性模量E1 .提高材料的热导率2 .减小材料的膨胀系数3 .减少材料表面热传递系数4 .减小产品的有效厚度第二章材料的电导电导的物理现象电导的宏观参量电流密度J=E/p=E（r（2.1）式中=R（S/L）,为材料的电阻率。

22、电阻率的倒数定义为电导率，即=1/。电导率的基本表达式：户nqp（2.2）其中：为电导率，n为载流子的浓度，q为载流子的电荷量，以为载流子的迁移率。载流子：电子，离子。电子电导：载流子为电子（或电子空穴）的电导称为电子电导；离子电导：载流子为离子（或离子空位）的电导称为离子电导。dQSdTdtdxLT无机材料中的载流子可以有电子和电子空穴，阴、阳离子空位和阴、阳离子填隙，而金属导体中的载流子主要是电子晶体的能带导体，半导体和绝缘体的能带结构及导电性。金属导体的能带：价带与导带重叠而无禁带，或价带没填满而形成导带。此时处在导带的价电子就是自由电子，即使在温度很低时也具有很强的导电能力。半导体的能

23、带：满价带和空导带，且有禁带。禁带宽度较小（如错AEg=0.72eV;硅Si的AEg=1.1eV;ZnO:AEg=3.37eV）室温下导电能力弱（室温电子热运动能量：kT=1.3810-23J/Kx300Kz（1.6X0-19）=26X10-3eV=26meV）o绝缘体的能带：满价带和空导带，且有禁带。禁带宽度较宽（如金刚石的AEg=6eV;MgO:AEg=eV）,基本无导电能力。根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有价电子都能参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。在具有严格周期性势场的理想晶体中的载流子，在绝对零度下的运动像理想气体分子在真空中的运动一样，不受阻力，迁

24、移率为无限大。当周期性势场受到破坏，载流子的运动才受到阻力的作用，其原因是载流子在运动过程中受到了各种因素的散射。本小节以散射的概念为基础分析讨论电子的迁移率的本质。改错：1.半导体的禁带宽度比绝缘体的大。答：错；半导体的禁带宽度比绝缘体的大（心。散射的两个原因：1、晶格散射：晶格振动引起的散射叫做晶格散射；温度越高，品格振动越强对载流子的品格散射也将增强，迁移率降低。2、离子杂质散射：离子杂质散射的影响与掺杂浓度有关，掺杂越多，载流子和电离杂质相遇而被散射的机会也就越多。温度越高，散射作用越弱。高掺杂时，温度越高，迁移率越小。2.3影响电子电导的因素影响电导率的因素有温度、杂质及缺陷。影响电

25、导率的因素.温度：温度是强烈影响材料物理性能的外部因素。一般而言：电子电导：金属材料电导率随温度的升高而下降。原因：因温度对有效电子数影响不大，加热使点阵热振动加剧，电子散射几率增加，电子运动平均自由程减小。离子电导：离子晶体型陶瓷材料电导率随温度的升高而上升。原因：热缺陷增多。.冷加工对金属电阻的影响：冷加工形变使金属电阻增大：如：冷加工变形使金属如（Fe,Cu,Ag,Al等）的电阻率增加2%6%,只有W,Mo,Sn可分别增加30%,-50%,15%,20%,90%;一般单相固溶体经冷加工可增加10%20%,而有序固溶体则增加100%甚至更高。而（Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-A

26、l等合金形成K状态，使电阻下降。.热处理对金属电阻的影响：退火产生回复和再结晶可使电阻下降。但退火温度高于再结晶温度时，再结晶生成很细小晶粒，品界面缺陷反使R大。淬火产生缺陷使R增大。.固溶体合金的导电性固溶体的导电性：高导电性金属溶入低导电性溶剂中也使固溶体电阻增高。二元合金最大电阻率在50%处；铁磁性和强顺磁性固溶体有异。贵金属（Cu,Ag,Au）与过渡族金属组成固溶体，电阻也异常高（价电子转移到过渡族金属的d-或f-壳层中。有效导电电子数减少。有序化有利于改善离子电场的规整性，减少电子散射。不均匀固溶体（K状态）的电阻：（Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al等合金形成K状态：现

27、象:冷加工使电阻明显降低，但回火反而使电阻升高。原因：原子偏聚尺寸与电子平均自由程可以比拟，产生附加散射使电阻增大。.碳钢的电阻：随含碳量和热处理工艺不同而变：淬火态比退火态电阻高。淬火态组织是碳在a-铁中的固溶体，含碳量越高，淬火后马氏体和残余奥氏体中固溶的碳就越多。.超导电性超导体的性能：完全的导电性，完全的抗磁性（迈斯纳效应）。影响超导态的三个性能指标：超导转变温度Tc；超导临界磁场Hc（T）=Hc（0）1-（T/Tc）2;超导临界电流Ic=c?r?H/2.其中，c为光速，r为试样截面半径。.电阻的测量：p=RS/L分类：高阻测量（R107Q）,选用兆欧表（粗测），冲击检流计（精测）。中

28、阻测量（R:102106Q）,用万用表，欧姆表，单电桥法（精测）。半导体用直流四探针法。金属及合金电阻（R:10-6102Q）,双电桥或电位差计。重点掌握金属导体，半导体，及绝缘体的测量方法，测量原理（含电路图），测量步骤及计算公式。.电阻分析的应用：碳钢的回火；Al-Cu合金的时效；Cu3Au合金的有序-无序转化；测定固溶体溶解度曲线；.热电性能三个基本热电效应：塞贝克效应（1821年发现）；珀耳帖效应（1834年发现）；汤姆逊效应（1854年发现）.在珀耳帖效应中，如果电流方向与接触电势同向时，接触端则放热；如果电流方向与接触端电势反向时则吸热。在汤姆逊效应中，如果电流方向与温差电势方向相

29、同时，则有热流流出导体；如果电流方向与温差电势方向相反时，则有热流流入导体。影响热电势的因素（合金元素，温度，组织转变，有序-无序转变，钢的含碳量及热处理的影响，热电势的测量热电性分析的应用热电子效应.压电性与铁电性正压电效应：在某些晶体（主要是离子晶体）的一定方向施加机械力作用时，晶体的两端表面出现符号相反的束缚电荷，且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比，这种由机械效应转换成电效应的现象称为压电效应。逆压电效应：将具有压电效应的电介质置于外电场中，由于外电场的作用引起其内部正负电荷中心位移，从而导致电介质发生形变（形变与所加电场强度成正比），这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。

30、晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象.电介质的极化强度与施加电场呈正比：P=oeE铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。（具有自发极化的晶体）铁电体：具有电畴结构和电滞回线的晶体。.热释电效应.光电性，磁电性一.外光电效应在光线作用下，物体内电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电效应能否产生， 取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。 这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，称为红限频率（对应的光波长称为临界波

31、长）。?f光线f红限，再大的光强也不能导致电子发射；?f光线f红限，微弱的光线即可导致电子发射。习题1.光电管的光电子发射面受到入=2537?的光照射， 所放出的电子最大能量为2.5eV,试求材料的逸出功。 注：h=6.62610-34J?sc=3108m/s；q=1.6汉0-19库仑。hc/E二.内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率p发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：.光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这

32、种效应的光电器件有光敏电阻。过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。本征吸收：半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hv）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即hvEg。从而有祖学出/h,笫hc/Eg=1.24仙meV/Eh:普朗克常数；c：光速；祖：材料的频率阈值；让材料的波长阈值习题2.已知Ge和Si的禁带宽度分别为0.72eV和1.1eV,试求光照下本证G

33、e和Si发生光电效应时所需光的最小波长？习题3.某功函数为2.5eV的金属表面受到光照射，（1）这个面吸收红光（入红=760nm）或紫光（入紫二380nm）时，能发出光电子吗？（2）用波长为185nm的紫外光照射时，从表面放出的光电子能量是多少电子伏特eV?.光生伏特效应?在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。?基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。改错：.当光照射在PN结上时，所产生的先生电位差与PN结原内建电位差相同。答：错；当光照射在PN结上时，所产生的先生电位差与PN结原内建电位差相小（反）第三章.材料的磁学性能磁荷（等效）理论磁偶极矩：jmml

34、磁极化强度：Jm磁感应强度：B磁导率：=B/HB0（HM）;相互关系jm0PmJ0MB0(HM)0(1)0(1)一,基本参量分子电流理论磁矩：PmIS磁化强度：MpmV磁场强度：H磁化率：=M/H二，基本关系jm0Pm；J0M；SI:Bo(HM)B:T;H:A/m;M:A/m(特斯拉)或Wb/m2B:1T=104G;H:1103A/m=4兀Oe;M:1M03A/m=emu/cm3;四、常见铁磁性材料的基本磁性参数饱和磁化强度Ms、饱和磁极化强度Js、饱和磁感应强度Bs：衰1Q6一壁强磁物质的饱和磁化强度和居里温度的单位为C或l（PA/nO物质% %（室温）（室温）M式OK)九（户“原子或分子）

35、Tt/KFe17077432.2161043Co140014471,7151395Ni4855210.606631Gd1980I7.55293Dy292010.288MnBi62068。3.52630CujMnAl430(580)(4,0)603CtiMnln500( (600)( (4.0)506MnAs67。8703.4318MnB1475331830.24745MnSb7103.53587CrTe240339336CiO；5152.03386KuO19206,869Mil电Qi4105.0573F.O*4804.1858YjFejOj_1302005.0560注：本表数值取自材料科学导论

36、（2002）p278Ms0K(kA/m)RTJs=NMs0K(T)RTTc(K)Fe：174017002.192.141043Co：143014001.81.761395Ni：5104870.640.61631Gd:20102.53293CGS:B0H4MB:G(Gauss);H:Oe;M:emu/cm3;Co：Kui：410kJ/m3;Ku2：100-143kJ/m3;Fe：K1:4248kJ/m3;K2：1215kJ/m3;Ni:K1:-3-5.4kJ/m3;K2:-2.55kJ/m3;SmCo5：Ku1：15500kJ/m3;Nd2Fe14B：K1:5000kJ/m3;K2：660kJ/

37、m3;例1.牌号为1J46的冷轧铁锲软磁薄带的饱和磁化强度为Ms=11.9105Am-1,则饱和磁极化强度Js为T(特斯拉)，沿薄膜法向的退磁场Hd为Am-1,最大矫顽力Hc=20A/m,相当于Hc=Oe(奥斯特)。(注：田=4冗10-7Hm-1)。磁矩和磁化强度磁矩(1)定义：磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩m。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IASo(2)原子磁矩物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。现在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩。电子轨道运动产生的磁矩：科=(l(l+1)1/2田

38、电子自旋产生的磁矩：阳=(S(S+1)1/2田原子核的磁矩：原子核的磁矩电子(轨道+自旋)磁矩Dy:29203.6788材科名林一体藉的mB杷,乂的恨翱大，*加GhBaFiri.原子核的磁矩物质磁性的分类弱磁性：1.抗磁性；2.顺磁性；3.反铁磁性。强磁性：1.铁磁体；2.亚铁磁体：与铁磁体相似，但x值较小，如磁铁矿（Fe3O4）。?顺磁性：定义：当材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。?顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-310-6数量级。?原子内部存在固有磁矩（离子有未填满的电子壳层）。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V;4d-金属钥Nb,皓Zr,钥

39、Mo,钳Pd;5d-金属（Hf,Ta,W,铝Pt）。?自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li,Na,K,Mg,Al是顺磁性金属。?顺磁性物质的磁化率与温度C?抗磁性：定义：当材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。?抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率x是甚小的负常数（M与H反向），一般约为10-6数量级。?抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性.?金属中有一半是抗磁金属。Cu,Ag,Au,Hg,Zn,Bi等。（因抗磁性大于电子的顺磁性）?铁磁性?有一类物质如Fe,Co,Ni,室温下磁化率可达1

40、0106数量级，这类物质的磁性称为铁磁性?铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性（有剩磁）。?铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里点具磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律CTTC?反铁磁性e2m9.2731024（波尔磁子，电子磁矩的基本单位）e：单位电荷；h:普朗克常数;反铁磁自旋有序，首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在MnO上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离子位于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍射图与奈耳点以下80K温度的衍射图比较，看到低于

41、奈耳点的衍射图有额外的超点阵线，通过分析得到反铁磁的磁结构。?亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。磁畴的形成和自发磁化磁畴的形成铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性，这是由于物质内部存在自发磁化的小区域，即磁畴。对于处于退磁化状态的铁磁体，它们在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化强度的取向式杂乱的。因而物质的磁畴不会是单畴，而是由许多小磁畴组成的。磁畴形成的原因有交换”作用和超交换作用。交换”作用磁偶极子类似于一个小永久磁体，因此在其周围形成磁场，这一磁场必然会对其它磁矩产生作用，使磁矩在特定方向

42、取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趋于一致。实际上这是由于电子的静电相互作用造成的，也即交换”作用。这一现象也可从电子的共有化”运动得到解释。交换作用能：Eex=-AS1S2=-Acos小;A0时，自发平行排列；A3,即一定的点阵结构。Rab:原子间距；r:未满电子壳层半径.超交换作用在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。在尖晶石结构中实际上存在A-A,B-B,A-B三种可能位置.因而存在三种交换作用。由于各种原因，这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势。金属的铁磁性磁各向异性材料的磁化有难易之分，对于晶体来说，不同的晶体学方向其磁化也有所

43、不同，即存在易磁化的晶体学方向和难磁化的结晶学方向，分别称为易磁化轴和难磁化轴。如体心立方结构的Fe,其100的3个轴为易磁化轴，111的4个轴为难磁化轴。Fe的100、Ni的111、和Co的0001为难磁化方向。立方晶系晶体磁晶各向异性能：匚KK/22222EKK0K1（12233室温下：铁K1=4.2104J/m3;Ni:KI=-0.34104J/m3;六角晶系晶体磁晶各向异性能：L24EKKu1sinKu2sinHCPCo：KUI=41X104J/m3;四方结构Nd2Fe14B:KUI=5M06J/m3;六角：SmCo5:KUI=1.55X07J/m3;铁磁体的形状各向异性及退磁能退磁场

44、：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。铁磁体被磁化后产生的退磁场强度：Hd=-NM;其中N为几何退磁因子，M为磁化强度，负号表示退磁场与M反向。M120HddM0NM202当铁磁体呈开路态时， 磁体越粗短 （细长） ，N值越大 （越小） ， 退磁能也越大 （越小） 。 球体Nx=Ny=Nz=1/3;沿Z方向的一维直线型磁体：Nx=Ny=1/2,Nz=0;在X-Y平面内的二维磁性薄膜：Nx=Ny=0,Nz=1。在S.I.单位制中，Nx+Ny+Nz=1.磁致伸缩效应使消磁状态的铁磁体磁化， 一般情况下其尺寸、 效应。长度为L的棒沿轴向磁化时，若长度变化为强磁场的作用下达到饱

45、和的值s称为磁致伸缩常数,致伸缩可以使磁能（实际上是电能）转换为机械能,变为电能。（T则，当9=00寸，E 取最小值，此时M6磁性薄膜为易面磁化;磁畴结构磁畴的形成是能量最低原理的结果退磁能（减小表面自由磁极）；磁弹性能（减少磁畴尺寸）；畴壁能（包括磁晶各向异性能，磁弹性能）畴壁数量减少。为易磁化方向；而Fe的111、Ni的100、和Co的10102、K222退磁能：Ed形状会发生变化，这种现象称为此致伸缩L,则磁致伸缩率=L/L,磁致伸缩率在作为铁磁体的特性参数经常使用。利用磁而利用核致伸缩的逆效应可以使机械能转磁弹性能：ESin2;8 为M与 6 夹角。讨论：1.如果（T,0贝当9=900

46、寸，E取最小值，此时M6磁性薄膜为垂直磁化；2.如果由于铁磁体具有很强的内部交换作用，铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向，发生自发磁化，在物质内部形成许多小区域，即磁畴。这种自生的磁化强度叫自发磁化强度MS。因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。大量实验证明，为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而就分裂成无数微小的磁畴，形成磁畴结构。每个磁畴的体积大约为10-9cm3,约有1015个原子。磁畴壁：相邻磁畴的过渡区。磁畴壁具有交换能，磁晶能及磁弹性能。磁畴壁有吸引夹杂物或空隙的作用，因畴壁经过夹杂物或空隙时系统的退磁能和

47、畴壁能都较小。磁性材料中，夹杂物或空隙越多，壁移磁化就越困难，因而，磁化率也就越低。单畴颗粒：具有低的磁导率和高的矫顽力。技术磁化磁滞回线：铁磁体在未经磁化或退磁状态时，其内部磁畴的磁化强度方向随机取向，彼此相互抵消，总体磁化强度为零。如果将其放入外磁场H中，其磁化强度M随外磁场H的变化是非线性的。技术磁化：在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程。磁化阶段：I。畴壁的可逆迁移阶段；II。畴壁的不可逆迁移阶段；III。磁畴的旋转碉壁移动的阻力1。应力理论：Hei-;20Msl2。杂质理论：He/一 a2/32oMsd可以用磁滞回线说明晶体磁学各向异性。在某一宏观方向上（如

48、水平方向、垂直方向）生长的单磁畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加外加磁场，磁滞回线为直角型，而在与此垂直的方向上施加磁场，磁滞回线缩成线性。3.6影响金属铁磁性的因素组织结构不敏感参量：Ms,入s,K,T筹， 它们与成分， 铁磁相的性质及数量有关；组织结构敏感参量：Hc,5飞Br等，它们与技术磁化有关。一，温度的影响：M-T曲线：Tc；二，应力的影响：应力方向与磁致伸缩同号时应力促进磁化；反之则阻碍磁化。,形变，晶粒及杂质的影响：形变产生大量缺陷和很高的应力，使磁导率下降，娇顽力升高;再结晶退火可消除应力和缺陷，使磁化容易，从而使磁导率显著增高，娇顽力下降；晶粒细化与加

49、工硬化的效果相似。晶粒越细小，晶界（面缺陷）便越多，磁化的阻力也越大，越难磁化。杂质：固溶杂质使点阵扭曲，阻碍畴壁移动，使以下降，Hc上升。间隙固溶体时，杂质影响较大，形成夹杂物和置换式固溶体时影响较小。但都使Ms降低。何谓磁导率11?改善铁磁材料（1的方法有哪些?.磁导率囚当外磁场H增加时，磁感应强度B增加的速率叫磁导率，用以表示，即尸B/H。提高铁磁材料磁导率小的方法途径有：1）消除铁磁材料中的杂质；2）把晶粒培育到足够大并呈等轴壮；3）冷加工造成再结晶织构；4）磁场中退火造成磁织构。四，合金成分和组织的影响（见课件）五，钢的铁磁性：铁素体（碳溶于eFe中形成的间隙固溶体），珠光体，贝氏体

50、，和马氏体均具有强铁磁性。Fe3c是弱铁磁相。奥氏体呈顺磁相。淬火态比退火态的Hc高，含C量高的Hc高（同是淬火态或退火态）；细片。珠光体的Hc比粗片状和粒状的高。?B导率的变化与Hc相反。改错：.在钢的组织中，奥氏体是铁磁相。答：错；在钢的组织中，奥氏体是铁刀厕磁相。.钢在回火过程中，残余奥氏体分解会引起饱和磁化强度Ms的降低。答：错；钢在回火过程中，残余奥氏体分解会引起饱和磁化强度Ms的隆低（升高）。.7铁磁性的测量（详细见课件）静态磁性能的测量：直流磁场下的基本磁化曲线，磁滞回线，以及由此定义的磁参数：Ms,Br,Hc,N,（BH）rnlOx却态磁性测量：测量软磁材料在交变磁场中的性能，

51、以及各种.闭路试样的冲击法2.开路试样的冲击法测量3.热磁仪测量法(磁转矩三三, ,形变、晶粒及杂质的影响形变、晶粒及杂质的影响出变：产生大量觥霜和很高的应力,使磁导率下降.娇域力升高；再玷晶退火：可消除应力和缺 KL 使基化容易,从而使磁导率显著增高，妍献力下降：晶粒细化与加工硬化的效果相似：晶物统如小，晶界（面疑陪卜便越冬，磁化的阻力也越大，越难磁化.条噱：固溶杂质使点阵扭曲，阻碍崎鬟移动，使下降.He.上升*间隙固溶体时，杂质HK嘉府较大，形成夹杂物和置模式固溶体时影物较小,.V怛都使、降 1EL7二、研究淬火钢的回火马氏体1强镀褪相叶度亲奥氏所风磴相）都是亚橙态.同火叫要发生分解.回火

52、过程小多相相纲的饱和磁化强度霰从相加糜则.T1D（磷素工具钢含碉1%）回火时M-T曲线中马氏饵中析上磁化打品东蜃田济分解卓回2020C400600 门 CB,f下的小和磁损耗仪)4.抛脱法1。先将试样磁化到饱和；2。逐渐增大反向电流退磁3。直至将试样迅速抽出后，检流计为零。4。HC=NI/L材料的弹性及内耗弹性模量：在弹性范围内，引起物体单位变形所需要的应力大小。即材料所受应力6与应变8之间的线性比例系数，6=E,e其中称为弹性模量。它表示材料弹性变形的难易程度。弹性的物理本质：见课本。弹性模量与其他物理量的关系.与熔点Tm的关系：E=KTmacb;其中c比热容；K,a,b常数(a1,b2)；

53、原子结合力越强，熔点也越高，E也越大。.与德拜特征温度8D的关系：见课件.与原子结构的关系：见课件影响弹性模量的关系.温度的影响葭般情况：TT-a2FJ-EJ铁：T=100C,E=-(34)%;钢：t=25450C,AE=-20%;弹性模量温度系数：e=(1/E)(dE/dT);热膨胀系数：a=(1/a)(da/dT)思考：试由E=k/am推证：e/a的数。.相变的影响(多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变、超导态转变等)2.合金成分与组织的影响总的来说，加入少量的合金元素和进行不同热处理工艺对E的影响不明显，但加入大量的合金元素会使E产生明显变化。E与溶质浓度之间可以成近似于直线关系，或偏离直

54、线关系。(一)形成固溶体合金(二)形成化合物和多相合金弹性模量是个组织不敏感的参量，它几乎与单相合金的晶粒大小与形状，多相合金中第二相的弥散程度，形状和分布状态等因素无关。溶质原子对E影响小结：1。由于溶质加入而造成点阵畸变，使E降低。2。溶质和溶剂原子结合力比溶剂原子结合力大，使E增加，反之降低。3。溶质原子可能阻碍位错弯曲和运动，使E增大。4。过渡族元素的d层电子未填满，结合力较强，可能使E增大。5。有序化有利于改善离子电场的规整性，有利于增强化学作用力。使E增大。弹性模量的测量及应用1)静态法：从应力和应变曲线确定弹性模量E的方法。缺点：精度底，载荷大小，加载速度影响大；脆性材料有困难。

55、2)动态法：在试样承受交变应力产生很小应变的条件下测量弹性模量E的方法。优点：速度快，准确。试样承受极小的应力应变(10-5-10-7)适用于高温和交变复杂负荷条件下工作的金属零部件。弯曲振动共振法两端自由的均匀棒的振动方程：Q44Suu满足于基波的圆棒的弹性模量：24EItxE=1.2624f2/d2其中，L、d、f、p分别为试样的长度、直径、共振频率、和密度。试样尺寸应满足：L/d=20-25;悬丝：直径小于0.2mm,长度100300mm不具有强谐振的细丝。室温可用棉线；600c以下，选用铜丝；高温可用铝金丝。悬丝挂在共振的结点处：0.2240.174L范围内.内耗(Internalfr

56、iction)滞弹性：在弹性范围内出现的非弹性现象(如弹性蠕变和弹性后效)。滞弹性内耗：滞弹性是在弹性范围内出现的非弹性现象.理想的弹性体完全遵守虎克定律，应力与应变随时保持相同的位相，则无内耗.滞弹性内耗?tan6=(1/2九)(AiW/W)周在单位弧度上的相对能量损耗?Q-1=(1/2兀)(AW/W)=(1/兀)ln(An/An+1)Theinternalfrictioniscalculatedfromthedecayofthevibrationamplitude.?Q-1=tan6=(1/31/2)-(Av/vr)?内耗峰与内耗谱：根据弛豫理论：tanAAMGJ2/(1+W2);其中胡为

57、模量亏损，AM=(Md-MR)/(MUMR)1/29P成9P时，tan6都趋于零。r=W,tan81出现极大值，内耗峰。弛豫时间 p 受力材料从一个平衡状态过渡到新的平衡态，内部原子调整所需要的时间。它与温度T及扩散激活能的关系：T=T0exp(H/RT)产生滞弹性内耗峰的共振条件：是乎1时，内耗峰tan6出现极大值。其中，弛豫时间：=r0exp（H/RT）得到内耗曲线的途径：.改变振动频率得到Q-1-曲线.改变温度得到Q-1-T曲线滞弹性内耗明显与动态的振动频率有关，与振幅无关。即使是滞弹性材料，如果实验是准静态地进行，不会产生内耗。这时一种动态滞后行为的结果。静滞后内耗：静滞后也是一种弹性范围内的非弹性现象。应