材料物理性能考試重點(diǎn) 材料物理性能 基本要求

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1、 <<材料物理性能>>基本要求 一，基本概念： 1. 摩爾熱容: 使１摩爾物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為摩爾熱容。它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。 2. 比熱容：質(zhì)量為1kg的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為比熱容。它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。 3. 比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量（即1kg物質(zhì)）的體積，即密度的倒數(shù)（m3/kg）。 4. 晶格熱振動(dòng)： 晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)(原子,離子)總是圍繞著平衡位置作微小振動(dòng). 5. 聲子（Phonon）: 聲子是晶體中晶格集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子，就是晶格振動(dòng)中的簡(jiǎn)諧振子的能量量子。 6.

2、德拜溫度: 德拜模型認(rèn)為:晶體對(duì)熱容的貢獻(xiàn)主要是低頻彈性波的振動(dòng)，聲頻支的頻率具有0～ωmax 分布,其中,最大頻率所對(duì)應(yīng)的溫度即為德拜溫度,即θD=?ωmax/k: 7. 示差熱分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在測(cè)定熱分析曲線（即加熱溫度T與加熱時(shí)間t的關(guān)系曲線）的同時(shí)，利用示差熱電偶測(cè)定加熱（或冷卻）過程中待測(cè)試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣的溫度差隨溫度或時(shí)間變化的關(guān)系曲線ΔT~T（t），從而對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的一種技術(shù)。 8. 示差掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法測(cè)量加熱

3、或冷卻過程中，將試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差保持為零時(shí)，所需要補(bǔ)充的熱量與溫度或時(shí)間的關(guān)系。 9. 熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。 10. 塞貝克效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若在兩接頭處存在溫度差則回路中將有電勢(shì)及電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。 11. 玻爾帖效應(yīng)：當(dāng)有電流通過兩個(gè)不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，還要在兩接頭處出現(xiàn)吸熱或放出熱量Q的現(xiàn)象。 12. 邁斯納效應(yīng)：若在常溫下將超導(dǎo)體先放入磁場(chǎng)內(nèi)，則有磁力線穿過超導(dǎo)體；然后再將超導(dǎo)體冷卻至Tc以下，發(fā)現(xiàn)磁產(chǎn)從超導(dǎo)體內(nèi)被排出，即超導(dǎo)體內(nèi)無磁場(chǎng)B=0。即超導(dǎo)體具有完

4、全的抗磁性。 13. 鐵電體：具有電疇結(jié)構(gòu)和電滯回線的晶體。 14. 壓電效應(yīng)：在某些晶體（主要是離子晶體）的一定方向施加機(jī)械力作用時(shí)，晶體的兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，且束縛電荷的密度與施加的外力大小成正比，這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 15. 逆壓電效應(yīng)：將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)置于外電場(chǎng)中，由于外電場(chǎng)的作用引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，從而導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變（形變與所加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比），這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)的過程稱為逆壓電效應(yīng)。 16. 磁電阻效應(yīng)：磁場(chǎng)對(duì)載流子或半導(dǎo)體中的載流子有作用，致使電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。 17. 光生伏特效應(yīng)：光照射引起PN結(jié)兩

5、端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。當(dāng)光照射到PN結(jié)結(jié)區(qū)時(shí)，光照產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子推向N區(qū)，空穴推向P區(qū)；電子在N區(qū)積累使N區(qū)側(cè)帶負(fù)電，空穴在P區(qū)積累使P區(qū)側(cè)帶正電，從而建立一個(gè)與原內(nèi)建電位差相反的電位差，稱為光生電位差。 18. 磁疇：在未加磁場(chǎng)時(shí)鐵磁體內(nèi)部已經(jīng)磁化到飽和狀態(tài)的小區(qū)域。 19. 磁致伸縮效應(yīng)：鐵磁體在磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，其形狀和尺寸都發(fā)生變化的現(xiàn)象。 20. 退磁場(chǎng)：非閉合回路磁體磁化后，磁體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與磁化方向相反的磁場(chǎng)。 21. 技術(shù)磁化：在外磁場(chǎng)的作用下，鐵磁體從完全退磁狀態(tài)磁化到飽和的內(nèi)部變化過程。 22. 磁導(dǎo)率：當(dāng)外磁場(chǎng)H增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加的速率

6、叫磁導(dǎo)率，用表示， 即=B/H。 23. 內(nèi)耗：固體材料對(duì)振動(dòng)能量的損耗稱為內(nèi)耗，它代表材料對(duì)振動(dòng)的阻尼能力。 24. 滯彈性：在彈性范圍內(nèi)出現(xiàn)的非彈性現(xiàn)象（如彈性蠕變和彈性后效）。 25. 滯彈性內(nèi)耗：由滯彈性產(chǎn)生的內(nèi)耗。 26. 彈性模量：在彈性范圍內(nèi)，引起物體單位變形所需要的應(yīng)力大小。即材料所受應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)胖g的線性比例系數(shù)，σ = Eε，其中稱為彈性模量。它表示材料彈性變形的難易程度。 二，基本理論（含微觀機(jī)理）： 熱學(xué): １．杜隆—珀替定律；２．愛因斯坦模型；３．德拜的比熱模型 電學(xué): 1. 量子自由電子理論; 2. 能帶理論; 3.離子導(dǎo)電機(jī)制 磁學(xué): 1．鐵

7、磁金屬的自發(fā)磁化理論; 2. 矯頑力理論（應(yīng)力理論，雜質(zhì)理論） 熱膨脹：微觀機(jī)理 彈性與內(nèi)耗: 1．彈性理論；２．滯彈性內(nèi)耗機(jī)制（馳豫理論的基本思想） 三，基本規(guī)律（含影響因素） 熱學(xué)：熱容的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，影響熱容的因素及規(guī)律（溫度，組織轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)相變，合金成分等） 電學(xué)：導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體的導(dǎo)電性隨溫度的變化規(guī)律；影響導(dǎo)電性的因素 磁學(xué)：Ｍ－Ｔ曲線；磁化規(guī)律；影響鐵磁性的因素（組織敏感參量和組織不敏感參量） 熱膨脹：熱膨脹的實(shí)驗(yàn)規(guī)律；常見材料（如鋼組織）的膨脹規(guī)律 彈性與內(nèi)耗：內(nèi)耗的實(shí)驗(yàn)測(cè)定；斯諾克內(nèi)耗實(shí)驗(yàn) 四，實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法與原理 熱學(xué)：熱容的測(cè)定及熱分析方法 磁學(xué)：磁性

8、的測(cè)量方法及原理（如矯頑力等） 熱膨脹：熱膨脹的測(cè)量方法 彈性與內(nèi)耗：彈性模量及內(nèi)耗的測(cè)量原理；碳在α－Fe中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能的測(cè)定． <<材料物理性能>>內(nèi)容簡(jiǎn)介 第一章. 材料的熱性能 由于材料和制品往往要應(yīng)用于不同的溫度環(huán)境中，很多使用場(chǎng)合還對(duì)它們的熱性能有著特定的要求，因此熱學(xué)性能也是材料重要的基本性質(zhì)之一。 固體材料的一些熱性能如比熱，熱膨脹、熱傳導(dǎo)等都直接與晶格振動(dòng)有關(guān)，因此我們首先介紹熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)一些概念和晶格振動(dòng)的有關(guān)內(nèi)容。 1 材料的熱容 熱容的概念: 熱容的定義：物體在溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱作該物體的熱容．

9、 摩爾熱容：使１摩爾物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的能量,它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。 比熱容：質(zhì)量為1kg的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為比熱容。它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。 比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量（即1kg物質(zhì)）的體積，即密度的倒數(shù)（m3/kg）。 物體的熱容還與它的熱過程性質(zhì)有關(guān)，假如加熱過程是恒壓條件下進(jìn)行的，所測(cè)定的熱容稱為恒壓熱容(CP)。假如加熱過程是在保持物體容積不變的條件下進(jìn)行的，則所測(cè)定的熱容稱為恒容熱容(CV)。由于恒壓加熱過程中，物體除溫度升高外，還要對(duì)外界作功(膨脹功)，所以每提高1K溫度需要吸收更

10、多的熱量，即CP>CV， 1.1晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論 晶體的熱容，元素的熱容定律——杜隆—珀替定律：“恒壓下元素的原子熱容等于25J/Kmol”。實(shí)際上大部分元素的原子熱容都接近25 J/Kmol，特別在高溫時(shí)符合得更好。 根據(jù)晶格振動(dòng)理論，一個(gè)摩爾固體中有N個(gè)原子，總能量為： E = 3NkT=3RT 式中 N—阿佛加德羅常數(shù)；T—絕對(duì)溫度(‘K)；k—波爾茨曼常數(shù)；R＝8.314(J/kmol)—?dú)怏w普適常數(shù)。 按熱容的定義，有: Cv= (dE/dT)v = 3NkB = 3R =24.91 J/(mol.K) 1.2晶

11、態(tài)固體熱容的量子理論 1.2.1 愛因斯坦模型 愛因斯坦提出的假設(shè)是：晶體中所有原子都以相同的頻率振動(dòng),振動(dòng)的能量是量子化的,且每個(gè)振子都是獨(dú)立的振子。 當(dāng) T >> θE 時(shí): =3R 這就是杜隆—珀替定律的形式。 當(dāng)T趨于零時(shí)，CV逐漸減小，當(dāng)T＝0時(shí)，CV=0，這都是愛因斯坦模型與實(shí)驗(yàn)相符之處，但是在低溫下，當(dāng)T << θE時(shí): 這樣CV依指數(shù)律隨溫度而變化，這比實(shí)驗(yàn)測(cè)定的曲線下降得更快了些，導(dǎo)致差異的原因是愛因斯坦采用了過于簡(jiǎn)化的假設(shè)，實(shí)際晶體中各原子的振動(dòng)不是彼此獨(dú)立地以單一的頻率振動(dòng)著的，原子振動(dòng)間有著耦合作用，而當(dāng)溫度很低時(shí)，這一效應(yīng)尤其顯著。 1.2.2德拜的

12、比熱模型 德拜考慮到了晶體中原子的相互作用。 德拜模型認(rèn)為： 晶體對(duì)熱容的貢獻(xiàn)主要是彈性波的振動(dòng)，即較長的聲頻支在低溫下的振動(dòng) 由于聲頻支的波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)，故可將晶體當(dāng)成是連續(xù)介質(zhì)，聲頻支也是連續(xù)的，頻率具有0～ωmax 高于ωmax的頻率在光頻支范圍，對(duì)熱容貢獻(xiàn)很小，可忽略 式中ΘD—德拜特征溫度；, 一德拜比熱函數(shù)； 根據(jù)上式還可以得到如下的結(jié)論： ① 當(dāng)溫度較高時(shí)，即T>>θD，CV≈3R這即是杜隆—珀替定律。 ② 當(dāng)溫度很低時(shí)，即T<<θD，則經(jīng)計(jì)算： 這表明了當(dāng)T趨于0K時(shí)，CV與T3成比例

13、地趨于零，這也就是著名的德拜T立方定律。 1.2.3無機(jī)材料的熱容 （見課件） 1.3 影響熱容的因素 l 影響無機(jī)材料熱容的因素： l 影響金屬熱容的因素: 1. 自由電子對(duì)金屬材料熱容的貢獻(xiàn): 在低溫下幾乎所有的化合物,固溶體和中間相的熱容: CV =ClV + CeV = αT3 + γT 在極低或極高溫度下,電子熱容的貢獻(xiàn)不可忽略.熱容系數(shù)α , γ由低溫?zé)崛輰?shí)驗(yàn)測(cè)定. 2. 合金成分對(duì)熱容的影響: 合金的熱容是每個(gè)組元熱容與其質(zhì)量百分比的乘積之和。 即 C = x1C1 + x2C2 +…+xnCn。

14、_____奈曼-考普(Neuman-Kopp)定律 高溫下該定律具有普遍性，適用于金屬化合物，金屬與非金屬化合物，中間相和固溶體。熱處理能改變合金的組織，但對(duì)合金高溫下的熱容沒有明顯影響。該定律對(duì)鐵磁合金不適用。 3. 相變時(shí)的金屬熱容變化： 金屬及合金的組織轉(zhuǎn)變：熱效應(yīng) （一）熔化和凝固：熔點(diǎn) Tm C液態(tài) ﹥ C固態(tài) （二）一級(jí)相變：在恒溫恒壓下，除有體積變化外，H和Q發(fā)生突變，伴隨相變潛熱發(fā)生。Cp熱容無限大。如純金屬的三態(tài)變化，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，共晶，包晶轉(zhuǎn)變，固態(tài)的共析轉(zhuǎn)變等。 （三） 二級(jí)相變：相變?cè)谝粋€(gè)有限的溫度范圍內(nèi)逐漸變化，焓也變化，但不突變。熱容在轉(zhuǎn)變溫

15、度附近也有劇烈變化，但為有限值。這類相變包括磁性轉(zhuǎn)變，部分材料的有序無序轉(zhuǎn)變（有人認(rèn)為部分轉(zhuǎn)變屬于一級(jí)相變），超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。 （四）亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變：亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時(shí)要放出熱量，從而導(dǎo)致熱容曲線向下拐折（不可逆轉(zhuǎn)變, 如過飽和固溶體的時(shí)效，馬氏體和殘余奧氏體回火轉(zhuǎn)變，形變金屬的回復(fù)與再結(jié)晶等。） １.4熱容的測(cè)量與熱分析 (詳細(xì)見課件) 比熱容的常用測(cè)量方法 一. 量熱計(jì)法. (適用于低溫和中溫測(cè)比熱)。1. 混合法; 2. 電阻加熱法 二. 撒克司法. (適用于高溫測(cè)比熱) 三. 斯密特法.（適用測(cè)比熱與轉(zhuǎn)變潛熱） 四. 熱分析方法 l 簡(jiǎn)單熱分析; l 示差熱分析DT

16、A; 利用在相同條件下加熱或冷卻時(shí),試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差與溫度或時(shí)間關(guān)系,對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的一種技術(shù)。 l 掌握示差熱分析原理圖。 l 差動(dòng)掃描量熱DSC：用差動(dòng)方法測(cè)量加熱或冷卻過程中，將試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差保持為零時(shí)，所需要補(bǔ)充的熱量與溫度或時(shí)間的關(guān)系． 2. 材料的熱膨脹 2.1熱膨脹系數(shù) 物體的體積或長度隨著溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。假設(shè)物體原來的長度為l0，溫度升高Δt后長度增量為Δl，實(shí)驗(yàn)指出它們之間存在如下的關(guān)系： 線膨脹系數(shù)： (2.1) α l 稱為線膨脹系數(shù). 物體體積隨溫度的增長可表示為：體膨脹系數(shù)：

17、(2.2) α V 稱為體膨脹系數(shù)，相當(dāng)于溫度升高1K時(shí)物體體積相對(duì)增大。 線膨脹系數(shù)與體膨脹系數(shù)的關(guān)系: 幾種典型材料的線膨脹系數(shù)(RT): 石英玻璃: α l ~0.510-6 /K；鐵: α l ~12 10-6 /K； 高溫納燈所用的封接導(dǎo)電材料: 金屬鈮 αl = 7.810-6 /K； Al2O3燈管 αl = 810-6/K。 2.2 固體材料熱膨脹的物理本質(zhì)：原子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng) 晶格振動(dòng)中相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力，實(shí)際上是非線性的，即作用力并不簡(jiǎn)單地與位移成正比。質(zhì)點(diǎn)在平衡位置兩側(cè)時(shí)受力的情況并不對(duì)稱，在質(zhì)點(diǎn)平衡位置r0的兩側(cè)，合力曲線的斜率是不等的，當(dāng)r< r0時(shí)，

18、曲線的斜率較大，r> r0時(shí)，斜率較小，所以r< r0時(shí)，斥力隨位移增大得很快，r> r0時(shí)，引力隨位移的增大要慢些，在這樣的受力情況下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)的平均位置就不在r0處而要向右移，因此相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離增加，溫度越高，振幅越大，質(zhì)點(diǎn)在r0兩側(cè)受力不對(duì)稱情況越顯著，平衡位置向右移動(dòng)得越多，相鄰質(zhì)點(diǎn)間平均距離也就增加得越多，以致晶胞參數(shù)增大，晶體膨脹。 從位能曲線的非對(duì)稱性同樣可以得到較具體的解釋，溫度愈高，平均位置移得愈遠(yuǎn)，晶體就愈膨脹。 2.3熱膨脹和其它性能的關(guān)系 2.3.1膨脹系數(shù)與熱容的關(guān)系 熱膨脹是因?yàn)楣腆w材料受熱以后晶格振動(dòng)加劇而引起的容積膨脹。而晶格振動(dòng)的激化就是熱運(yùn)

19、動(dòng)能量的增大。升高單位溫度時(shí)能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數(shù)顯然與熱容密切相關(guān)而有著相似的規(guī)律。 格律乃森(Gruneisen)由晶格熱振動(dòng)理論: αV = rCV/(E0V); 立方晶系: α l = rCV/(3E0V); 其中， r為格律乃森常數(shù)(r約在 1.5 ~ 2.5間); E0 是0 K時(shí)體彈模量。 線膨脹系數(shù)與熱容隨溫度T的變化關(guān)系定性一致。因溫度升高，熱振動(dòng)加劇，升高單位溫度的能量也增高。 2.3.2膨脹系數(shù)α與熔點(diǎn)Tm的關(guān)系 格律乃森還提出了固體熱膨脹的極限方程，即一般純金屬從0 K加熱到熔點(diǎn)Tm，相對(duì)膨脹量約為6%。實(shí)際可寫成： Tm αV = (V

20、Tm-V0)/V0 = C 其中, VTm和V0 分別為熔點(diǎn)和0K時(shí)金屬的體積。 C為常數(shù)，多數(shù)立方和六方晶格金屬取0.06 ~ 0.076。 即固態(tài)金屬的體熱膨脹極限方程： (VTm-V0)/V0 = C ≈ 6% ~ 6.7%。 線膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的關(guān)系可有經(jīng)驗(yàn)公式： αl Tm ≈ 0.022 2.3.3 膨脹系數(shù)α與德拜溫度ΘD的關(guān)系： α l = b/(V2/3AγΘD2); 可見，金屬的德拜溫度越高，膨脹系數(shù)就越小。由于原子間結(jié)合力與ΘD2成正比，原子間結(jié)合力越大，膨脹系數(shù)越小。分析金屬的熱膨脹特性可以間接地獲得有關(guān)原子間結(jié)合力的信息。 2.3.4 熱膨

21、脹與原子序數(shù)的關(guān)系: 具有一定的周期性: IA族元素的α值隨Z增加而增大,其余A族元素的α值則隨Z增加而減小.這與鍵有關(guān). 堿金屬α值高,過渡族元素α值低.與原子結(jié)合力有關(guān). 石英玻璃的α值約0.510-6/K；而F鐵為12 10-6/K. 2.4 影響膨脹性能的因素 2.4.1 1.相變的影響： 一級(jí)相變的特征是：體積發(fā)生突變，伴有相變潛熱，膨脹系數(shù)在轉(zhuǎn)變點(diǎn)無限大。如三態(tài)轉(zhuǎn)變，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等屬于一級(jí)相變。 二級(jí)相變無體積突變和相變潛熱，但膨脹系數(shù)和比熱容有突變。 1. 晶型轉(zhuǎn)變：室溫下ZrO2晶體是單斜晶型。溫度高于1000度時(shí)轉(zhuǎn)為四方晶型，體積收縮4%。嚴(yán)重影響應(yīng)用。加

22、入MgO,CaO, Y2O3等穩(wěn)定劑后，在高溫與ZrO2形成立方晶型的固溶體。不到2000度不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。 2. 有序-無序轉(zhuǎn)變：如Au-Cu有序合金加熱到300℃時(shí)有序開始破壞。達(dá)480℃時(shí)完全無序化。拐折點(diǎn)對(duì)應(yīng)有序無序轉(zhuǎn)變的上臨界溫度，常稱有序-無序轉(zhuǎn)變溫度。Cu-Zn合金成分接近CuZn時(shí)，形成具有體心立方點(diǎn)陣的固溶體，低溫時(shí)為有序狀態(tài)，銅原子在每個(gè)單胞的結(jié)點(diǎn)上，鋅原子在中心。隨T升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序，吸收熱量。屬于二級(jí)相變。 3. 鐵磁性轉(zhuǎn)變： 多數(shù)金屬和合金的膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律與熱容一樣按T3規(guī)律變化。鐵磁金屬和合金會(huì)出現(xiàn)反常膨脹。目前解釋是磁致伸縮抵消了合金的熱膨脹。具

23、有負(fù)反常膨脹特性合金可用于獲得膨脹系數(shù)為零或負(fù)值的因瓦(Invar)合金，或在一定溫度范圍內(nèi)不變的可伐合金(Kovar alloy)。 2.4.2不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)： 原子間結(jié)合力與ΘD2成正比，結(jié)合力越大，德拜溫度越高，膨脹系數(shù)越小。 對(duì)于相同組成的物質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)不同，膨脹系數(shù)也不同。通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體，膨脹系數(shù)都較大，而類似于無定形的玻璃，則往往有較小的膨脹系數(shù)。 多晶石英的αl值為12 10-6/K；而無定型石英玻璃的α值只有0.5 10-6/K。 2.4.3 鋼組織的膨脹特性 ? 鋼的膨脹特性取決于組成相的性質(zhì)和數(shù)量。 ? 鋼組織中馬氏體比容最大，奧氏體最小，鐵素體和珠光

24、體居中。而馬氏體，珠光體和奧氏體的比容都隨含碳量的增加而增大。 ? 鐵素體和滲碳體的比容有固定值。 ? 鋼的線膨脹系數(shù)則相反，奧氏體最大，鐵素體和珠光體次之，馬氏體最小。 2.5膨脹的測(cè)量 膨脹測(cè)量是材料熱性能研究的一種物理方法。材料的熱膨脹特性以它的膨脹系數(shù)表征，通常檢測(cè)其平均線膨脹，核心在于精確測(cè)量在特定溫區(qū)內(nèi)的熱膨脹量。 按原理可分為：光學(xué)式，電測(cè)式，機(jī)械式。 1. 光學(xué)膨脹儀 光學(xué)膨脹儀是物理冶金中常用的膨脹儀。其基本原理是利用光杠桿放大試樣的膨脹量，并用標(biāo)準(zhǔn)樣的伸長標(biāo)出溫度。又通過照相方法自動(dòng)記錄膨脹曲線。放大倍數(shù)可達(dá)200 ~ 800倍 通?？煞譃椋? (

25、1). 普通光學(xué)膨脹儀(測(cè)定膨脹系數(shù)) (2). 示差光學(xué)膨脹儀(靈敏度和精確度更高，適于測(cè)定臨界點(diǎn)) 標(biāo)樣功能： 水平分量指示和跟蹤待測(cè)試樣的溫度． 標(biāo)準(zhǔn)樣的要求： 其膨脹量與溫度成正比；在測(cè)量范圍內(nèi)無相變,不易氧化；導(dǎo)熱系數(shù)接近待測(cè)樣。與試樣的形狀和尺寸相同. 標(biāo)準(zhǔn)樣的選擇： 較低溫度方圍研究有色金屬和合金時(shí)，常用銅和鋁純金屬做標(biāo)準(zhǔn)樣； 研究鋼材時(shí)，研究鋼的標(biāo)樣可采用皮洛斯合金（PYROS alloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).穩(wěn)定性好，1000度以下無相變，膨脹系數(shù)由12.2710-6/K均勻增加到21 . 2410-6/K。較石英傳動(dòng)桿的線膨脹系數(shù)約0.510

26、-6/K。 2. 電測(cè)式膨脹儀 將膨脹量轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，然后進(jìn)行電訊號(hào)的記錄，數(shù)據(jù)處理和畫出膨脹曲線。 (包括應(yīng)變電阻式膨脹儀，電容式膨脹儀和電感式膨脹儀) 。 電感式膨脹儀: 組成：初級(jí)，次級(jí)線圈和磁芯構(gòu)成。初級(jí)和次級(jí)線圈繞在同一絕緣管上, 次級(jí)線圈由兩段完全相同的繞組反向的先圈串接而成。它們相對(duì)初級(jí)線圈完全對(duì)稱。磁芯處在中間位置時(shí)，反接的次級(jí)線圈的感生電動(dòng)勢(shì)相互抵消。磁芯偏離中間位置差動(dòng)變壓器信號(hào)與磁芯偏離量呈線性關(guān)系。 原理:采用差動(dòng)變壓器原理將試樣的膨脹量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（放大倍數(shù)可達(dá)到6000倍）。 特點(diǎn)：試樣可采用真空高頻加熱，加熱速度可控制在500℃/s以下范圍。試樣冷

27、卻可以選用小電流加熱﹑自然冷卻﹑和強(qiáng)力噴氣冷卻三種冷卻方式。加熱溫度和冷卻速度易于自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理。近年來，較為先進(jìn)的全自動(dòng)快速膨脹儀膨脹量轉(zhuǎn)換采用的就是差動(dòng)變壓器原理。 缺點(diǎn)：易受電磁因素的干擾。變壓器電源采用200~400Hz以防止工業(yè)網(wǎng)的干擾。 3.機(jī)械式膨脹儀 (1).千分表式膨脹儀 (2). 杠桿式膨脹儀 將膨脹量轉(zhuǎn)移到千分表或利用杠桿作用放大. 2.6 膨脹分析的應(yīng)用（組織轉(zhuǎn)變→體積效應(yīng)） 2.6.1亞共析鋼，共析鋼，和過共析鋼的膨脹曲線分析及組織轉(zhuǎn)變溫度的確定 2.6.2過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)曲線分析 2.6.3 鋼的冷卻膨脹曲線分析 例1.

28、金剛石為碳的一種晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.357 nm，當(dāng)它轉(zhuǎn)變成石墨（ρ=2.25g/cm3）結(jié)構(gòu)時(shí)，求其體積改變百分?jǐn)?shù)？金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)式面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞共含有8個(gè)碳原子。 解：金剛石的密度：ρ=（812）/((0.35710-7)36.021023）=3.503（g/cm3） 1g金剛石的體積（比容）V1=1/3.503=0.285 (cm3/g);1g石墨的體積V2=1/2.25=0.444(cm3/g);故由金剛石轉(zhuǎn)變成石墨結(jié)構(gòu)時(shí)體積膨脹=（V2-V1）/V1=(0.444-0.285)/0.285=55.8% 例2. Calculate the change in

29、 volume that occurs when BCC iron is heated and changes to FCC iron. The lattice parameter of BCC iron is 2.863 A and of FCC iron is 3.591 A Volume of BCC cell = a3 = 2.8633 = 23.46710-30 （m3） Volume of FCC cell = a3 = 3.5913 = 46.30710-30 （m3） But the FCC unit cell contains four atoms and the BC

30、C unit cell contains only two atoms. Two BCC unit cells with a total volume of 46.934 will contain 4 atoms. Volume change/atom = (46.307 -46.934)/46.934 = -1.34% Steel contracts on heating!! 3. 材料的熱傳導(dǎo)與熱穩(wěn)定性 1. 基本概念： 熱傳導(dǎo)； 熱導(dǎo)率（λ）； 熱擴(kuò)散率（α） 2. 基本規(guī)律： ? 傅立葉（Fourier）定律： 單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。

31、λ導(dǎo)熱能力。 ? 魏德曼-弗蘭茲定律： 材料的熱傳導(dǎo) （1）穩(wěn)定傳熱過程: 熱傳導(dǎo):材料中熱量由高溫向低溫區(qū)域傳遞的現(xiàn)象。 （2）不穩(wěn)定傳熱過程: 對(duì)于一個(gè)外界無熱交換，本身又存在溫度梯度的物體，單位面積上的溫度隨時(shí)間的 變化率為: 3．固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理 固體導(dǎo)熱：電子導(dǎo)熱，聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱。 能量的載體：電子（德布羅意波）；聲子（格波）：聲頻波的量子；光子（電磁波） 金屬：主要是電子導(dǎo)熱為主；合金/半導(dǎo)體：電子/聲子導(dǎo)熱；絕緣體：聲子導(dǎo)熱。 4. 影響熱導(dǎo)率的因素：（1）溫度的影響；（2）顯微結(jié)構(gòu)的影響；（3）化學(xué)組成的影響；（4）氣孔的影響。

32、 5. 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法： 穩(wěn)態(tài)方法: （1）1. 熱流法導(dǎo)熱儀；（2）保護(hù)熱流法導(dǎo)熱儀；（3）保護(hù)熱板法導(dǎo)熱儀： 動(dòng)態(tài)（瞬時(shí)）測(cè)量法：（1）熱線法；（2）激光閃射法。 6. 材料的熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。 熱沖擊損壞的類型： 抗熱沖擊斷裂性：材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂； 抗熱沖擊損傷性：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。 提高抗熱沖擊斷裂性能的措施： 1. 提高應(yīng)力強(qiáng)度σ，減小彈性模量E 2. 提高材料的熱導(dǎo)率 3. 減小材料的膨脹系數(shù) 4. 減少材料表面熱傳遞系數(shù)

33、5. 減小產(chǎn)品的有效厚度 第四章 第四章 第二章 材料的電導(dǎo) 2.1電導(dǎo)的物理現(xiàn)象 2.1.1 電導(dǎo)的宏觀參量 電流密度 J=E/ρ=Eσ （2.1） 式中r=R(S/L)，為材料的電阻率。電阻率的倒數(shù)定義為電導(dǎo)率s，即s=1/r。也可寫為：J=sE （2.2） 這就是歐姆定律的微分形式，它適用于非均勻?qū)w。微分式說明導(dǎo)體中電流密度正比于該點(diǎn)的電場(chǎng)，比例系數(shù)為電導(dǎo)率σ。 載流子：電子，離子。 電

34、子電導(dǎo)：載流子為電子（或電子空穴）的電導(dǎo)稱為電子電導(dǎo)； 離子電導(dǎo)：載流子為離子（或離子空位）的電導(dǎo)稱為離子電導(dǎo)。 2.2 晶體的能帶 導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性。 根據(jù)能帶理論，晶體中并非所有電子，也并非所有價(jià)電子都能參與導(dǎo)電，只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶頂部的空穴才能參與導(dǎo)電。在具有嚴(yán)格周期性勢(shì)場(chǎng)的理想晶體中的載流子，在絕對(duì)零度下的運(yùn)動(dòng)像理想氣體分子在真空中的運(yùn)動(dòng)一樣，不受阻力，遷移率為無限大。當(dāng)周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，載流子的運(yùn)動(dòng)才受到阻力的作用，其原因是載流子在運(yùn)動(dòng)過程中受到了各種因素的散射。本小節(jié)以散射的概念為基礎(chǔ)分析討論電子的遷移率的本質(zhì)。 散射的兩個(gè)原因： 1、晶格散

35、射：晶格振動(dòng)引起的散射叫做晶格散射；溫度越高，晶格振動(dòng)越強(qiáng)對(duì)載流子的晶格散射也將增強(qiáng)，遷移率降低。 2、離子雜質(zhì)散射：離子雜質(zhì)散射 的影響與摻雜濃度有關(guān)，摻雜越多，載流子和電離雜質(zhì)相遇而被散射 的機(jī)會(huì)也就越多。溫度越高，散射作用越弱。高摻雜時(shí)，溫度越高，遷移率越小。 2.3 影響電子電導(dǎo)的因素 影響電導(dǎo)率的因素有溫度、雜質(zhì)及缺陷。 影響電導(dǎo)率的因素 1. 溫度：溫度是強(qiáng)烈影響材料物理性能的外部因素。一般而言: 電子電導(dǎo)： 金屬材料電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降。原因：因溫度對(duì)有效電子數(shù)影響不大， 加熱使點(diǎn)陣熱振動(dòng)加劇，電子散射幾率增加，電子運(yùn)動(dòng)平均自由程減小。 離子電

36、導(dǎo)： 離子晶體型陶瓷材料電導(dǎo)率隨溫度的升高而上升。原因：熱缺陷增多。 2. 冷加工對(duì)金屬電阻的影響： 冷加工形變使金屬電阻增大： 如：冷加工變形使金屬如 (Fe,Cu,Ag,Al等)的電阻率增加2% ~ 6%，只有W,Mo,Sn可分別增加30%，~50%，15%，20%，90%；一般單相固溶體經(jīng)冷加工可增加10%~20%，而有序固溶體則增加100%甚至更高。而(Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等合金形成K狀態(tài)，使電阻下降。 3. 熱處理對(duì)金屬電阻的影響： 退火產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶可使電阻下降。但退火溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)，再結(jié)晶生成很細(xì)小晶粒，晶界面缺陷反使R

37、大。淬火產(chǎn)生缺陷使R增大。 4. 固溶體合金的導(dǎo)電性 固溶體的導(dǎo)電性： n l 高導(dǎo)電性金屬溶入低導(dǎo)電性溶劑中也使固溶體電阻增高。n l 二元合金最大電阻率在50%處；鐵磁性和強(qiáng)順磁性固溶體有異。n l 貴金屬(Cu,Ag,Au)與過渡族金屬組成固溶體，電阻也異常高(價(jià)電子轉(zhuǎn)移到過渡族金屬的d-或f-殼層中。有效導(dǎo)電電子數(shù)減少。n l 有序化有利于改善離子電場(chǎng)的規(guī)整性，減少電子散射。 不均勻固溶體(K狀態(tài))的電阻：(Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-Al等合金形成K狀態(tài)： 現(xiàn)象:冷加工使電阻明顯降低，但回火反而使電阻升高。 原因: 原子偏聚尺寸與電子平均自

38、由程可以比擬, 產(chǎn)生附加散射使電阻增大。 5. 碳鋼的電阻： 隨含碳量和熱處理工藝不同而變：淬火態(tài)比退火態(tài)電阻高。淬火態(tài)組織是碳在α-鐵中的固溶體，含碳量越高，淬火后馬氏體和殘余奧氏體中固溶的碳就越多。 6． 超導(dǎo)電性 超導(dǎo)體的性能：完全的導(dǎo)電性，完全的抗磁性（邁斯納效應(yīng)）。 影響超導(dǎo)態(tài)的三個(gè)性能指標(biāo)：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc；超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)Hc（T）=Hc(0)[1-(T/Tc)2]; 超導(dǎo)臨界電流Ic = c ? r ? Hc/2.其中，c為光速，r為試樣截面半徑。 7．電阻的測(cè)量：ρ=RS/L 分類： n 高阻測(cè)量(R > 107 Ω) ，選用兆歐表(粗測(cè))，沖擊檢流計(jì)(精

39、測(cè))。 n 中阻測(cè)量(R：102~106Ω) ，用萬用表，歐姆表，單電橋法(精測(cè))。 n 半導(dǎo)體用直流四探針法。 n 金屬及合金電阻(R：10-6~102Ω) ，雙電橋或電位差計(jì)。 重點(diǎn)掌握金屬導(dǎo)體，半導(dǎo)體，及絕緣體的測(cè)量方法，測(cè)量原理（含電路圖），測(cè)量步驟及計(jì)算公式。 8．電阻分析的應(yīng)用： n 碳鋼的回火 n Al-Cu合金的時(shí)效 n Cu3Au合金的有序-無序轉(zhuǎn)化 n 測(cè)定固溶體溶解度曲線 9. 熱電性能 l 三個(gè)基本熱電效應(yīng): 塞貝克效應(yīng) (1821年發(fā)現(xiàn)); 珀耳帖效應(yīng) (1834年發(fā)現(xiàn)); 湯姆遜效應(yīng) （1854年發(fā)現(xiàn)）. 在珀耳帖效應(yīng)中，如果

40、電流方向與接觸電勢(shì)同向時(shí)，接觸端則放熱；如果電流方向與接觸端電勢(shì)反向時(shí)則吸熱。在湯姆遜效應(yīng)中，如果電流方向與溫差電勢(shì)方向相同時(shí)，則有熱流流出導(dǎo)體；如果電流方向與溫差電勢(shì)方向相反時(shí)，則有熱流流入導(dǎo)體。 l 影響熱電勢(shì)的因素（合金元素，溫度，組織轉(zhuǎn)變，有序-無序轉(zhuǎn)變，鋼的含碳量及熱處理的影響， l 熱電勢(shì)的測(cè)量 l 熱電性分析的應(yīng)用 熱電子效應(yīng) 10. 壓電性與鐵電性 正壓電效應(yīng)：在某些晶體（主要是離子晶體）的一定方向施加機(jī)械力作用時(shí)，晶體的兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，且束縛電荷的密度與施加的外力大小成正比，這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)：將具有壓

41、電效應(yīng)的電介質(zhì)置于外電場(chǎng)中，由于外電場(chǎng)的作用引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，從而導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變（形變與所加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比），這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)的過程稱為逆壓電效應(yīng)。 晶體的介電性：電場(chǎng)作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象. 電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施加電場(chǎng)呈正比： P= eo ceE 鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。 （具有自發(fā)極化的晶體） 鐵電體：具有電疇結(jié)構(gòu)和電滯回線的晶體。 11．熱釋電效應(yīng) 12．光電性，磁電性 一. 外光電效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)

42、象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。 光電效應(yīng)能否產(chǎn)生,取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的電子逸出功。這意味著每一種物質(zhì)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閥值,稱為紅限頻率（對(duì)應(yīng)的光波長稱為臨界波長）。 ? f光線< f紅限, 再大的光強(qiáng)也不能導(dǎo)致電子發(fā)射； ? f光線> f紅限，微弱的光線即可導(dǎo)致電子發(fā)射。 習(xí)題1. 光電管的光電子發(fā)射面受到λ = 2537 的光照射，所放出的電子最大能量為2.5 eV，試求材料的逸出功。注： h = 6.62610-34 J?s； c = 3108 m/s；q=1.610-19 庫侖。 二.內(nèi)

43、光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類： 1.光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。 過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。 本征吸收:半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶

44、中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。 產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。 即hν ≥ Eg。從而有ν0≥Eg/h， λ0 ≤ hc/Eg = 1.24μmeV/Eg，h：普朗克常數(shù)；c：光速；ν0：材料的頻率閾值；λ0：材料的波長閾值 習(xí)題2. 已知Ge和Si的禁帶寬度分別為0.72 eV和1.1 eV，試求光照下本證Ge和Si發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)所需光的最小波長？ 習(xí)題3. 某功函數(shù)為2.5 eV的金屬表面受到光照射，（1）這個(gè)面吸收紅光（λ紅=760 nm）或紫光（（λ紫=380 nm）時(shí)，能發(fā)出光電子嗎？（2） 用波長為1

45、85 nm的紫外光照射時(shí)，從表面放出的光電子能量是多少電子伏特eV？ 2.光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 第三章. 材料的磁學(xué)性能 一， 基本參量 分子電流理論 磁荷（等效）理論 相互關(guān)系 磁矩： 磁偶極矩： 磁化強(qiáng)度： 磁極化強(qiáng)度： 磁場(chǎng)強(qiáng)度：H 磁感應(yīng)強(qiáng)度：B

46、 磁化率：χ=M/H 磁導(dǎo)率：μ=B/H 二，基本關(guān)系 ； ； ； 三，單位換算 SI： CGS： B: T; H: A/m; M: A/m B:G(Gauss); H:Oe; M: emu/cm3; （特斯拉） 或Wb/m2 B: 1T=104 G; H: 1103 A/m=4π Oe; M: 1103 A/m=

47、emu/cm3; 3.1磁矩和磁化強(qiáng)度 3.1.1磁矩 （1）定義: 磁矩是表示磁體本質(zhì)的一個(gè)物理量。任何一個(gè)封閉的電流都具有磁矩ｍ。其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環(huán)形的面積的乘積IΔS。 （2）原子磁矩 物質(zhì)是原子核和電子的集合體，要理解物質(zhì)的磁性起源，就要考慮原子具有的磁矩?，F(xiàn)在我們可以從以下三方面來分析原子中的磁矩。 ① 電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩: μl = (l(l+1))1/2 μB ② 電子自旋產(chǎn)生的磁矩: μs = (S(S+1))1/2 μB ③ 原子核的磁矩: 原子核

48、的磁矩<<電子（軌道+自旋）磁矩 e：?jiǎn)挝浑姾?；h:普朗克常數(shù)；m:電子質(zhì)量；l: 軌道量子數(shù)；s:自旋量子數(shù)。 外磁場(chǎng)（Z）方向上的磁矩分量： n 原子的磁矩 電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成 孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu) 某些元素具有各層都充滿電子的原子結(jié)構(gòu)，其電子磁矩相互抵消，因而不顯磁性 原子構(gòu)成晶體后，過渡族元素鐵族3d，鈀族4d，鉑族5d，錒族6d殼層未滿，由于晶場(chǎng)作用使電子的軌道角動(dòng)量動(dòng)結(jié)。F電子影響較小。 電子（軌道+自旋）磁矩 >>原子核的磁矩 3.2 物質(zhì)磁性的分類 弱磁性: 1. 抗磁性；2. 順磁性；3. 反鐵磁性

49、。 強(qiáng)磁性: 1. 鐵磁體；2. 亞鐵磁體：與鐵磁體相似，但χ 值較小，如磁鐵礦（Fe3O4)。 v 順磁性：定義: 當(dāng)材料被磁化后,磁化矢量與外加磁場(chǎng)的方向相同時(shí)，固體表現(xiàn)為順磁性。 順磁性物質(zhì)的磁化率一般很小，室溫下約為10-3~10-6 數(shù)量級(jí)。 原子內(nèi)部存在固有磁矩(離子有未填滿的電子殼層)。如過渡元素、稀土元素：3d-金屬Ti,V; 4d-金屬鈮Nb, 鋯Zr, 鉬Mo，鈀Pd；5d-金屬(Hf, Ta, W, 鉑Pt）。 自由電子的順磁性大于離子的抗磁性。如：堿金屬和堿土金屬離子雖然是填滿的殼層，但Li，Na, K，Mg， Al是順磁性金屬。 順磁性物質(zhì)的

50、磁化率與溫度 的關(guān)系服從居里-外 斯定律： v 抗磁性：定義: 當(dāng)材料被磁化后,磁化矢量與外加磁場(chǎng)的方向相反時(shí)，固體表現(xiàn)為抗磁性。 抗磁性物質(zhì)的抗磁性一般很微弱，磁化率χ 是甚小的負(fù)常數(shù)(M與H反向)，一般約為~10-6 數(shù)量級(jí)。 抗磁性是電子電子的循軌運(yùn)動(dòng)在外加磁場(chǎng)作用下的結(jié)果.任何金屬都具有抗磁性. 金屬中有一半是抗磁金屬。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于電子的順磁性) v 鐵磁性 有一類物質(zhì)如Fe,Co,Ni，室溫下磁化率可達(dá)10 ~ 10 6 數(shù)量級(jí)，這類物質(zhì)的磁性稱為鐵磁性 鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場(chǎng)內(nèi)，也可得到極高的磁化強(qiáng)

51、度，而且當(dāng)外磁場(chǎng)移去后，仍可保留極強(qiáng)的磁性（有剩磁）。 鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超過這一溫度，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點(diǎn)其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里一外斯定律 v 反鐵磁性 反鐵磁自旋有序，首先是由舒爾和司馬特利用中子衍射實(shí)驗(yàn)在MnO上證實(shí)。MnO的晶體結(jié)構(gòu)是Mn離子形成面心立方晶格，O離子位于每個(gè)Mn-Mn對(duì)之間。從中子衍射線，超過奈耳點(diǎn)的室溫衍射圖與奈耳點(diǎn)以下80K溫度的衍射圖比較，看到低于奈耳點(diǎn)的衍射圖有額外的超點(diǎn)陣線，通過分析得到反鐵磁的磁結(jié)構(gòu)。 v 亞鐵磁性體： 相鄰原子磁體反平行，磁矩大小不同，產(chǎn)生與鐵磁性相類似的磁性。一般稱為鐵氧體的大部分鐵系

52、氧化物即為此。 3.3磁疇的形成和自發(fā)磁化 3.3.1磁疇的形成 鐵磁體在很弱的外加磁場(chǎng)作用下能顯示出強(qiáng)磁性，這是由于物質(zhì)內(nèi)部存在自發(fā)磁化的小區(qū)域，即磁疇。對(duì)于處于退磁化狀態(tài)的鐵磁體，它們?cè)诤暧^上并不顯示磁性，這說明物質(zhì)內(nèi)部各部分的自發(fā)磁化強(qiáng)度的取向式雜亂的。因而物質(zhì)的磁疇不會(huì)是單疇，而是由許多小磁疇組成的。磁疇形成的原因有“交換”作用和超交換作用。 3.3.1.1“交換”作用 磁偶極子類似于一個(gè)小永久磁體，因此在其周圍形成磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)必然會(huì)對(duì)其它磁矩產(chǎn)生作用，使磁矩在特定方向取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趨于一致。實(shí)際上這是由于電子的靜電相互作用造成的，也即“交換”作用。

53、 這一現(xiàn)象也可從電子的“共有化”運(yùn)動(dòng)得到解釋。 交換作用能: Eex = -AS1S2 = -Acosφ; A>0時(shí)，自發(fā)平行排列； A<0時(shí)，反平行排列。 3.3.1.2產(chǎn)生鐵磁性條件：鐵磁性除與電子結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還決定于晶體結(jié)構(gòu)。 (1).有固有磁矩(未滿電子殼層); (2) Rab/r > 3，即一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 Rab: 原子間距; r :未滿電子殼層半徑. 3.3.1.3超交換作用 在某些材料中過渡金屬離子不是直接接觸，直接接觸交換作用很小，只有通過中間負(fù)離子氧起作用。 在尖晶石結(jié)構(gòu)中實(shí)際上存在A-A，B-B，A-B三種可能位置.因而存在三種交換作

54、用。由于各種原因，這些化合物中只有其中的一種超交換作用占優(yōu)勢(shì)。 3.4 金屬的鐵磁性 3.4.1 磁各向異性 材料的磁化有難易之分，對(duì)于晶體來說，不同的晶體學(xué)方向其磁化也有所不同，即存在易磁化的晶體學(xué)方向和難磁化的結(jié)晶學(xué)方向，分別稱為易磁化軸和難磁化軸。如體心立方結(jié)構(gòu)的Fe，其[100]的3個(gè)軸為易磁化軸，[111]的4個(gè)軸為難磁化軸。 立方晶系晶體磁晶各向異性能： 室溫下：鐵K1= 4.2104 J/m3 ; Ni：K1= -0.34104 J/m3 ; 六角晶系晶體磁晶各向異性能： HCP Co： KU1=41104 J/m3 ; 四方結(jié)構(gòu)Nd2F

55、e14B: KU1=5106 J/m3 ; 六角：SmCo5: KU1=1.55107 J/m3 ; 3.4.2鐵磁體的形狀各向異性及退磁能 退磁場(chǎng)： 非閉合回路磁體磁化后，磁體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與磁化方向相反的磁場(chǎng)。 鐵磁體被磁化后產(chǎn)生的退磁場(chǎng)強(qiáng)度： Hd = -NM; 其中N為幾何退磁因子，M為磁化強(qiáng)度，負(fù)號(hào)表示退磁場(chǎng)與M反向。 退磁能： 當(dāng)鐵磁體呈開路態(tài)時(shí)，磁體越粗短(細(xì)長)，N值越大（越?。?，退磁能也越大（越?。Ｇ蝮wNx=Ny=Nz=1/3; 沿Z方向的一維直線型磁體：Nx = Ny = 1/2，Nz=0; 在X-Y平面內(nèi)的二維磁性薄膜：Nx = Ny = 0，Nz

56、=1。在S.I.單位制中，Nx + Ny+ Nz = 1. 3.4.3磁致伸縮效應(yīng) 使消磁狀態(tài)的鐵磁體磁化，一般情況下其尺寸、形狀會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為此致伸縮效應(yīng)。長度為L的棒沿軸向磁化時(shí)，若長度變化為DL，則磁致伸縮率l=DL/L，磁致伸縮率在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下達(dá)到飽和的值ls稱為磁致伸縮常數(shù)，作為鐵磁體的特性參數(shù)經(jīng)常使用。利用磁致伸縮可以使磁能（實(shí)際上是電能）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而利用糍致伸縮的逆效應(yīng)可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋? 磁彈性能：； θ為M與σ夾角。 討論：1. 如果λs < 0, σ > 0，則，當(dāng)θ =90 時(shí)，取最小值，此時(shí)M⊥σ 磁性薄膜為垂直磁化；

57、 2. 如果λs > 0, σ > 0，則，當(dāng)θ = 0 時(shí)，取最小值，此時(shí)M//σ 磁性薄膜為易面磁化； 3.4.4磁疇結(jié)構(gòu) 磁疇的形成是能量最低原理的結(jié)果 退磁能(減小表面自由磁極) ；磁彈性能(減少磁疇尺寸) ；疇壁能(包括磁晶各向異性能，磁彈性能)疇壁數(shù)量減少。 由于鐵磁體具有很強(qiáng)的內(nèi)部交換作用，鐵磁物質(zhì)的交換能為正值，而且較大，使得相鄰原子的磁矩平行取向，發(fā)生自發(fā)磁化，在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，即磁疇。這種自生的磁化強(qiáng)度叫自發(fā)磁化強(qiáng)度MS。因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征，也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在。 大量實(shí)驗(yàn)證明，為了保持自發(fā)磁化的穩(wěn)定性，必須使強(qiáng)磁體的能量達(dá)

58、最低值，因而就分裂成無數(shù)微小的磁疇，形成磁疇結(jié)構(gòu)。每個(gè)磁疇的體積大約為10-9cm3，約有1015個(gè)原子。 磁疇壁：相鄰磁疇的過渡區(qū)。磁疇壁具有交換能，磁晶能及磁彈性能。 磁疇壁有吸引夾雜物或空隙的作用，因疇壁經(jīng)過夾雜物或空隙時(shí)系統(tǒng)的退磁能和疇壁能都較小。磁性材料中，夾雜物或空隙越多，壁移磁化就越困難，因而，磁化率也就越低。 單疇顆粒：具有低的磁導(dǎo)率和高的矯頑力。 3.5技術(shù)磁化 磁滯回線: 鐵磁體在未經(jīng)磁化或退磁狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部磁疇的磁化強(qiáng)度方向隨機(jī)取向，彼此相互抵消，總體磁化強(qiáng)度為零。如果將其放入外磁場(chǎng)H中，其磁化強(qiáng)度M隨外磁場(chǎng)H的變化是非線性的。 技術(shù)磁化：鐵磁金屬在外加磁場(chǎng)的

59、作用下所產(chǎn)生的磁化. 下面簡(jiǎn)單的介紹磁疇壁運(yùn)動(dòng)模型。在消磁狀態(tài)下，疇壁受內(nèi)應(yīng)力等障礙物的釘扎作用，疇壁難以運(yùn)動(dòng)。在外磁場(chǎng)的作用下，由于各磁疇的磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)向而引起磁疇壁的移動(dòng)，在磁疇壁的移動(dòng)過程中，如果磁場(chǎng)較弱，不足以克服內(nèi)應(yīng)力等障礙物的釘扎作用，疇壁難以運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外磁場(chǎng)取消后，鐵磁體即可回到消磁狀態(tài)，即處于可逆的疇壁移動(dòng)區(qū)域。隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，釘扎作用不足以抵消外磁場(chǎng)的作用，疇壁試圖克服釘扎作用而移動(dòng)，此時(shí)，爭(zhēng)脫開障礙物釘扎作用的疇壁，發(fā)生雪崩式的移動(dòng)。疇壁移動(dòng)是突然和不連續(xù)的，從而磁化也是不連續(xù)的。用電氣放大作用進(jìn)行探測(cè)，會(huì)有不規(guī)則的噪聲出現(xiàn)。稱此為Barkhausen效應(yīng)或噪聲。在此

60、之后，進(jìn)入到可逆的磁疇旋轉(zhuǎn)區(qū)。進(jìn)而達(dá)到飽和磁化狀態(tài)。 如果外磁場(chǎng)H為交變磁場(chǎng)，則與電滯回線類似，可得到磁滯回線. ??磁化階段： I。疇壁的可逆遷移階段 II。疇壁的不可逆遷移階段 III。磁疇的旋轉(zhuǎn) ?疇壁移動(dòng)的阻力 1。應(yīng)力理論: 2。雜質(zhì)理論: 可以用磁滯回線說明晶體磁學(xué)各向異性。在某一宏觀方向上（如水平方向、垂直方向）生長的單磁疇粒子，且其自發(fā)磁化強(qiáng)度被約束在該方向內(nèi)，當(dāng)在該方向上施加外加磁場(chǎng)，磁滯回線為直角型，而在與此垂直的方向上施加磁場(chǎng)，磁滯回線縮成線性。 3.6 影響金屬鐵磁性的因素 組織結(jié)構(gòu)不敏感參量：Ms, λs, K, Tc等，它們與成

61、分，鐵磁相的性質(zhì)及數(shù)量有關(guān)； 組織結(jié)構(gòu)敏感參量：Hc， μ， χ， Br等，它們與技術(shù)磁化有關(guān)。 一，溫度的影響: M-T曲線：Tc； 二，應(yīng)力的影響: 應(yīng)力方向與磁致伸縮同號(hào)時(shí)應(yīng)力促進(jìn)磁化；反之則阻礙磁化。 三，形變，晶粒及雜質(zhì)的影響: 形變產(chǎn)生大量缺陷和很高的應(yīng)力，使磁導(dǎo)率下降，嬌頑力升高；再結(jié)晶退火可消除應(yīng)力和缺陷，使磁化容易，從而使磁導(dǎo)率顯著增高，嬌頑力下降；晶粒細(xì)化與加工硬化的效果相似。晶粒越細(xì)小,晶界(面缺陷)便越多,磁化的阻力也越大,越難磁化。雜質(zhì)：固溶雜質(zhì)使點(diǎn)陣扭曲，阻礙疇壁移動(dòng)，使μ下降，Hc 上升。間隙固溶體時(shí)，雜質(zhì)影響較大，形成夾雜物和置換式固溶體時(shí)影響較小。但都

62、使Ms降低。 提高鐵磁材料磁導(dǎo)率μ的方法途徑有：1）消除鐵磁材料中的雜質(zhì)；2）把晶粒培育到足夠大并呈等軸壯；3）冷加工造成再結(jié)晶織構(gòu)；4）磁場(chǎng)中退火造成磁織構(gòu)。 四，合金成分和組織的影響 (1)形成固溶體 ?抗磁或順磁金屬溶入鐵磁金屬形成固溶體時(shí)，Ms隨之降低。 ?過渡族金屬有較強(qiáng)的固有磁矩，通過點(diǎn)陣常數(shù)的變化，使交換作用增強(qiáng)，在溶質(zhì)濃高時(shí)Ms增大，濃度較高時(shí)Ms因稀釋而降低。 ?有序化使Ms增大 (2).化合物： ?鐵磁金屬與順磁或抗磁金屬所組成的化合物和中間相都呈順磁相。 鐵磁金屬與非金屬組成的化合物Fe3O4,FeSi2,Fe2O3,FeS呈亞鐵磁性。Fe3C, e4N

63、屬弱磁相。 五, 鋼的鐵磁性： 鐵素體(碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體) ，珠光體，貝氏體，和馬氏體均具有強(qiáng)鐵磁性。 Fe3C是弱鐵磁相。 奧氏體呈順磁相。 淬火態(tài)比退火態(tài)的Hc高，含C量高的Hc高(同是淬火態(tài)或退火態(tài))；細(xì)片。珠光體的Hc比粗片狀和粒狀的高。 ?磁導(dǎo)率的變化與Hc相反。 3.7 鐵磁性的測(cè)量 (詳細(xì)見課件) 靜態(tài)磁性能的測(cè)量：直流磁場(chǎng)下的基本磁化曲線，磁滯回線，以及由此定義的磁參數(shù)：Ms, Br, Hc, μ, (BH)max等。 ?動(dòng)態(tài)磁性測(cè)量：測(cè)量軟磁材料在交變磁場(chǎng)中的性能，以及各種B，f 下的μ和磁損耗。 1.閉路試樣的沖擊法 2.開路試樣的

64、沖擊法測(cè)量 3.熱磁儀測(cè)量法(磁轉(zhuǎn)矩儀) 4.拋脫法 1。先將試樣磁化到飽和； 2。逐漸增大反向電流退磁 3。直至將試樣迅速抽出后， 檢流計(jì)為零。 4。HC = NI / L 材料的彈性及內(nèi)耗 彈性：彈性模量是材料重要的物理性能。它主要取決于原子間結(jié)合力的強(qiáng)弱。對(duì)組織不敏感。因而彈性分析常用于研究與原子結(jié)合力有關(guān)的問題。彈性模量與熔點(diǎn)、德拜溫度、硬度等參量相關(guān)聯(lián)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算時(shí)，在考慮各種材料的性能參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)、靈敏度、精確度的影響時(shí)，彈性模量是必須要考慮的重要性能指標(biāo)。 內(nèi)耗：在交變應(yīng)力的作用下，在彈性范圍內(nèi)也存在非彈性行為，因此產(chǎn)生內(nèi)耗。內(nèi)耗代表

65、材料對(duì)振動(dòng)的阻尼能力，它與材料內(nèi)部的原子重排與磁重排有關(guān)。因而，內(nèi)耗是結(jié)構(gòu)敏感參量。它常被用于研究材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)原子濃度，特別是位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用等有關(guān)問題。是材料研究的一種重要方法。 彈性材料應(yīng)用：火車、汽車上的強(qiáng)力彈簧；儀器儀表中的游絲、張絲、彈性合金等。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為了保證穩(wěn)定性，在最佳結(jié)構(gòu)形式的同時(shí)應(yīng)采用彈性模量高的材料；在另一些情況，為了提高彈性形變功，在恒定應(yīng)力下需采用彈性模量較低的材料。恒彈性合金（儀器儀表中的游絲、張絲、彈性合金等）。 常用金屬材料的彈性模量： 鎂合金:E ~ 4.41104MPa；鋁合金: E ~ 7.35104MPa;

66、軟鑄鐵: E ~ 9.80104MPa；鋼: E ~ 1.96105MPa； 缺點(diǎn):高彈性模量材料加載時(shí)具有大的裂紋擴(kuò)展速率 彈性的物理本質(zhì) 彈性模量與其他物理量的關(guān)系 1.與熔點(diǎn)Tm的關(guān)系：E = KTmacb ; 其中c比熱容；K,a,b常數(shù)（a~1, b~2）；原子結(jié)合力越強(qiáng)，熔點(diǎn)也越高，E也越大。 6. 與德拜特征溫度θD的關(guān)系： 7. 與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 ?原子結(jié)構(gòu):在早期研究時(shí), Kster注意到E與元素周期表的關(guān)系: 如:第三周期:Na,Mg, Al, Si, 隨Z增加,價(jià)電子數(shù)增多, E增高。 同一族元素,如:Be, Mg,Ca, Ba,價(jià)電子數(shù)相等,原子半徑隨Z增加而增大,E 隨著減小。與原子間距a近似存在數(shù)值關(guān)系: E = K/am 對(duì)過渡族金屬則不適用，因d層電子所產(chǎn)生的原子結(jié)合力都比較強(qiáng)，E也比普通金屬大，且隨原子半徑的增大而增高。 ?點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)： Fe: α-Fe