材料物理性能部分課后習題.doc

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課后習題 第一章 1.德拜熱容的成功之處是什么？ 答：德拜熱容的成功之處是在低溫下，德拜熱容理論很好的描述了晶體熱容，CV.M∝T的三次方 2.何為德拜溫度？有什么物理意義？ 答：HD=hνMAX/k德拜溫度是反映晶體點陣內(nèi)原子間結(jié)合力的一個物理量 德拜溫度反映了原子間結(jié)合力，德拜溫度越高，原子間結(jié)合力越強 3.試用雙原子模型說明固體熱膨脹的物理本質(zhì) 答：如圖，U1（T1）、U2（T2）、U3(T3）為不同溫度時的能量，當原子熱振動通過平衡位置r0時，全部能量轉(zhuǎn)化為動能，偏離平衡位置時，動能又逐漸轉(zhuǎn)化為勢能；到達振幅最大值時動能降為零，勢能打到最大。由勢能曲線的不對稱可以看到，隨溫度升高，勢能由U1(T1）、U2（T2）向U3（T3）變化，振幅增加，振動中心就由r0，r0向r0右移，導致雙原子間距增大，產(chǎn)生熱膨脹 第二章 1.鎳鉻絲電阻率300K為110-6Ωm加熱到4000K時電阻率增加5%假定在此溫度區(qū)間內(nèi)馬西森定則成立。試計算由于晶格缺陷和雜質(zhì)引起的電阻率。 解：按題意:p(300k) = 10∧-6 則: p(400k) = (10∧-6)* (1+0.05) ----(1) 在400K溫度下馬西森法則成立，則: p(400k) = p(鎳400k) + p(雜400k) ----(2) 又: p(鎳400k) = p(鎳300k) * [1+ α * 100] ----(3) 其中參數(shù): α 為鎳的溫度系數(shù)約 = 0.007 ; p(鎳300k)(室溫) = 7*10∧-6 Ω.cm) 將(1)和(3)代入(2)可算出雜質(zhì)引起的電阻率 p(雜400k)。 2.為什么金屬的電阻因溫度升高而增大，而半導體的電阻卻因溫度的升高而減??？ 對金屬材料，盡管溫度對有效電子數(shù)和電子平均速率幾乎沒有影響，然而溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大。這些因素都使電子運動的自由稱減小，散射幾率增加而導致電阻率增大 而對半導體當溫度升高時，滿帶中有少量電子有可能被激發(fā)到上面的空帶中去，在外電場作用下，這些電子將參與導電。同時，滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，滿帶變成了部分占滿的能帶，在外電場作用下，仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用。 3.表征超導體性能的3個主要指標是什么?(P80) （表征超導體的兩個基本特性完全的導電性和完全的抗磁性） 1)，臨界轉(zhuǎn)變溫度TC，即成為超導態(tài)的最高溫度 2)。臨界磁場HC，即能破壞超導態(tài)的最小磁場，HC的大小與超導材料的性質(zhì)有關(guān) 3)，臨界電流密度JC，即材料保持超導狀態(tài)的最大輸入電流 第三章 1. 什么是自發(fā)磁化？（P142) 在鐵磁質(zhì)內(nèi)部存在著很強的“分子場”,在這種“分子場”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)的磁化飽和（鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過程（又稱感磁或充磁）只不過是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過程） 2.形成鐵磁性的基本條件是什么？(P143) 答：1）原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層，原子磁矩不等于零（必要條件） 2.）Rab/r>3 交換積分A>0(充分條件）或者：1）在原子中存在有未被電子填滿的狀態(tài)（指d或f狀態(tài)）是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件;2）產(chǎn)生鐵磁性不僅僅取決于原子本身的原子磁矩是否高，而且還取決于形成晶體時原子間的相互鍵合作用。這個作用是否對形成鐵磁性有利，這是形成鐵磁性的第二個條件（充分條件) 3. 簡述影響金屬及其合金鐵磁性的因素有哪些？（P158） 一是外部環(huán)境因素，如溫度和應力等。二是金屬及合金內(nèi)部因素，如成分，組織和結(jié)構(gòu)，熱處理狀態(tài)等。 4. 磁疇的大小和結(jié)構(gòu)由哪些條件決定？（P149) 1)退磁場能最小要求是磁疇形成的根本原因 2）磁疇數(shù)目的多少和尺寸形狀取決于退磁場能和磁疇壁能的平衡條件 5.分析抗磁性，順磁性，反鐵磁性，亞鐵磁性的磁化率與溫度的關(guān)系？（P132）  1）抗磁性是由外磁場作用下電子循軌運動產(chǎn)生的附加磁矩所造成的與溫度無關(guān)或隨溫度變化很小。 2）根據(jù)順磁磁化率與溫度的關(guān)系可以把順磁體分為三類一是正常順磁體其原子磁化率與溫度成反比二是磁化率與溫度無關(guān)的順磁體三是存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體當溫度高于一定的轉(zhuǎn)變溫度TN時它們和正常順磁體一樣服從居里—外斯定律當溫度低于TN時它們的原子磁化率隨著溫度下降而減小當T→0K時磁化率趨于數(shù)。 3）反鐵磁性物質(zhì)的原子磁化率在溫度很高時很小隨著溫度逐漸降低磁化率逐漸增大溫度降至某一溫度TN時磁化率升至最大值再降低溫度磁化率又減小。 4）亞鐵磁性物質(zhì)的原子磁化率隨溫度的升高而逐漸降低 6.試說明下列磁學量的定義和概念：磁化強度、矯頑力、飽和磁化強度、 磁導率、磁化率、磁各向異性常數(shù)、飽和磁致伸縮系數(shù)（P130 131 146 147 157) 磁化強度：一個物體在外磁場中被磁化的程度，用單位體積內(nèi)磁矩的多少來衡量，成為磁化強度M 矯頑力Hc：一個試樣磁化至飽和，如果要μ=0（或B=0），則必須加上一個 反向磁場Hc，成為矯頑力。 飽和磁化強度：磁化曲線中，隨著磁化場的增加，磁化強度M或磁感強度 B開始增加較緩慢，然后迅速增加，再轉(zhuǎn)而緩慢地增加，最后磁化至飽和。Ms成為飽和磁化強度，Bs成為飽和磁感應強度 磁導率：μ=B/H，表征磁性介質(zhì)的物理量，μ稱為磁導率、 磁化率：從宏觀上來看，物體在磁場中被磁化的程度與磁化場的磁場強度有關(guān)。M=χ^H，χ稱為單位體積磁化率 磁晶各向異性常數(shù)：磁化強度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性能，用Ek表示。磁晶各向異性能是磁化矢量方向的函數(shù) 飽和磁致伸縮系數(shù)：λ=（ｌ-ｌ0）/ｌ0，λ稱為線磁致伸縮系數(shù)。隨著外磁場的增強，致磁體的磁化強度增強，這時︳λ︳也隨之增大。當H=Hs時，磁化強度達到飽和值，此時λ=λs，稱為飽和磁致伸縮所致 第五章 1. 用雙原子模型解釋材料彈性的物理本質(zhì) 正常狀態(tài)下,材料晶格中的離子受離子間相互作用力控制保持在其平衡位置僅作微小熱振動.離子間作用力包括由正離子和自由電子間庫侖力所產(chǎn)生的引力和由離子之間電子殼層產(chǎn)生應變所產(chǎn)生的斥力,引力和斥力都是離子間距離的函數(shù),在離子的平衡位置合力為零.當外力作用于離子時,合力曲線零點位置改變,離子位置隨之相應調(diào)整,即產(chǎn)生位移,離子位移的總和在宏觀上表現(xiàn)為材料的變形.外力去除后離子依靠彼此之間的作用力回到原來的平衡位置,宏觀變形隨之消失,即彈性變形的可逆性. 2. 簡要說明產(chǎn)生彈性的鐵磁反?，F(xiàn)象的物理本質(zhì)及其應用？（P249) 產(chǎn)生彈性的鐵磁性反?，F(xiàn)象的物理本質(zhì)是由于鐵磁體中磁致伸縮的存在引起附加應變所造成的。對于未被磁化到飽和的鐵磁材料所有磁疇并沒有沿著同一個方向排列在外力作用下發(fā)生彈性形變時磁疇的磁矩將會轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相應的磁致伸縮力致伸縮在拉伸時具有正的磁致伸縮的材料其磁疇矢量將轉(zhuǎn)向垂直于拉伸方向同樣在拉伸方向上產(chǎn)生附加拉伸。應用是因瓦合金和艾林瓦合金即彈性模量溫度系數(shù)η接近于零的恒彈性合金。 3. 計算2Cr13不銹鋼在100C時的縱向彈性波c1和橫向彈性波Ct的傳播速度？ 1. 什么是軟磁材料? 軟磁材料是指容易磁化和退磁的鐵磁和亞鐵磁材料 它應具備的性能為：1.在低磁場下，就能磁化達到它的飽和磁化強度的百分之80-90，即它的起始磁導率要高，而且飽和磁化強度也要高。2.沒有（盡可能?。┚w各向異性。3.磁致神縮常數(shù)要小，避免應力使它產(chǎn)生各向異性；這類大都是金屬或合金軟磁材料。 .(純鐵和鐵硅鋼 鐵鈷軟磁合金 .鐵鎳合金 .軟磁鐵氧體) 2. 什么是硬磁材料？ 硬磁材料是指材料一經(jīng)磁化，磁場去掉后，它仍保留有剩余磁化強度，而且不易退磁的材料 .(鋁鎳鈷磁鐵 鉑鈷磁鐵 .鋇和鍶鐵氧體 .釤鈷永磁 .NeFeB永磁材料 釤鐵氮永磁材料) 3. 什么是磁致伸縮效應？(P146) 鐵磁體在磁場中被磁化時，其形狀和尺寸都會發(fā)生變化的現(xiàn)象 4. 鐵磁金屬的磁化特點？ 磁化率不是定值而且變化很大存在著磁滯現(xiàn)象很容易磁化并達到飽和狀態(tài) 5. 疇壁移動阻力有哪些？(P155) 在外磁場作用下，內(nèi)部磁矩取向和磁場方向比較接近的磁疇的體積將增大，而磁矩取向和磁場方向夾角較大的磁疇體積將縮小。這一磁化過程相當于疇壁從未加磁場前的位置移到了一個新的位置，從而使材料的磁化強度有一凈的增大量。這一過程稱為疇壁位移。它是技術(shù)磁化過程的重要機理之一。 疇壁位移的阻力主要來自材料內(nèi)部的內(nèi)應力、摻雜、氣孔、缺陷等對疇壁的釘扎。疇壁位移的容易與否將是影響磁導率、矯頑力等磁性參數(shù)的重要因素 6. 什么是尼耳溫度Tn？(P139) 尼耳溫度Tn是表征抗磁性向順磁性轉(zhuǎn)變的臨界溫度 7.什么是彈性模量？什么是正彈性模量？(P234) 彈性模量是指當有力施加于物體或物質(zhì)時，其彈性變形（非永久變形）趨勢的數(shù)學描述。物體的彈性模量定義為彈性變形區(qū)的應力－應變曲線的斜率。對于各向同性的材料而言，單向拉伸或壓縮時用正彈性模量來表征 8. 內(nèi)耗產(chǎn)生的機制？（P259） 1) 點陣中原子有序排列引起內(nèi)耗 2) 與位錯有關(guān)的內(nèi)耗 3) 與晶界有關(guān)的內(nèi)耗 4) 此彈性內(nèi)耗 5) 熱彈性內(nèi)耗 9. 影響金屬比熱容的主要因素？（P9) 溫度，自由電子，合金成分，相變等 10. 鐵磁性材料磁滯回線圖中主要參數(shù)有哪些，物理意義？（P134） Mr: 剩余磁化強度Br: 剩余磁感應強度 Hc: 矯頑力 Ms: 飽和磁化強度 Bs: 飽和磁感應強度 起始磁導率(μi): 磁化曲線起始部分的斜率 最大磁導率(μm): 磁化曲線拐點k處的斜率 11. 金屬熱容Cv與溫度關(guān)系的曲線中，三個溫度區(qū)間自由電子和晶格振動對熱容貢獻有什么不同? 第Ⅰ階段溫度降至10K以下時,由于離子的振動漸趨于0熱容主要由自由電子的運動貢獻Cv與T成正比地趨于0。 曲線第Ⅱ到第Ⅲ階段熱容主要由晶格振動貢獻在低于ΘD時Cv與T三次方成正比,熱容隨溫度降低而急劇下降。 12. 一材料室溫楊氏模量為350000000N/m2,泊松比為0.35，計算其剪切模量和體積模量（P239) G=E/2(1+u） K=E/3(1-2u)