材料物理性能绪论共34页

· 热重法(Thermogravimetry)： 测量质量与温度的关系 。 · 用途： 测量有机物分解温度 ， 研究高聚物的热稳定性
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18

三、研究材料疲劳裂纹的扩展
四、研究淬火钢的回火
ρ
110 230 300
t(℃)
第五节导体合金及精密电阻
一、导体合金 Ag：ρ=1.47μΩ•cm
Cu：ρ=1.724μΩ•cm
AL：ρ=2.61μΩ•cm
二、精密电阻合金
锰铜 86Cu-12Mn-2Ni 康铜 Cu-40Ni-1.5Mn 新康铜 82.5Cu-12Mn-1.5Fe 新锰铜 67Mn-33Cu 三、加热合金
第六节影响电阻的因素
一、温度 二、应力 三、组织结构 塑性变形 热处理 四、合金元素及相结构 固溶体 有序化
第一章 电阻分析
第一节金属的导电性及其物理本质 一、金属的导电性
导体σ=104～108 （c/s） 半导体σ=10-7～104 （c/s） 绝缘体σ=10-8～10-18 （c/s）
二、金属导电的物理本质
1.经典电子理论
σ=ne2t/（2m） 2.量子自由电子理论
neff2 1 σ=
2m μ μ称为散射几率
四、碳钢的电阻
Wc＜0.02％时 Wc＞0.02％时 Wc＜0.9％的退火钢在20℃时 ρ20=（10.5 +3Wc+2Wc2）（μΩ•cm） Wc＜01％的钢，经850℃淬火后，在20 ℃时 ρ20=（10.3 +1.6Wc+12.6Wc2）（μΩ•cm） 1000℃淬火时 ρ20=（10.3 +9.3Wc+7.4Wc2）（μΩ•cm）
3.能带理论
三、影响金属导电性的因素
1.温度ρT=ρ0（1+αT） α=
2.应力的影响 ρ=ρ0（1+φp）
3.冷加工变形的影响 ρ=ρ（T）+ Δρ Δρ= Δρ（空位）+ Δρ（位错）

Composition
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Stru条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定 的规范所获得的表征参量。 从定义可以看出：
有多少行为，就对应地有多少性能。 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 性能必须量化，多数的性能都有量纲。
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压电性
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结构件 电线、电缆 大规模集成电路
航空航天 超声波元件，滤波器
绪论
3.材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构 如根据晶体材料能使X射线产生衍射的特性，就可以根据布拉 格公式nλ=2dsinθ(X射线在晶体中的衍射现象必须满足布拉格 (Bragg)公式)，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推知晶体 中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。
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绪论
考试要求
1. 闭卷考试； 2. 成绩=80%期末成绩+20%平时成绩； 3. 平时成绩=考勤(不定时)+作业(质量)； 4. 三次缺席或两次不交作业，按规定取消考试；(请假除外，有 假条)
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绪论
二十一世纪世界各 国重点和优先发展
的技术是什么？ ①新材料技术、②信息技术、③能源技术、④生物技术、⑤先 进制造技术、⑥航空航天技术、⑦环境保护技术等已经成为影 响人类进步的重要技术。其中新材料技术是重中之重的技术。 其他任何技术的发展都离不开材料的发展。没有高性能的材料 作为基础，现代社会的文明很难再上一层楼！
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绪论
环境保护技术：该技术的发展也需要环保材料的进步，比如可降 解的塑料，污水处理所用的添加剂等都是材料的进步。
可降解塑料

3. 弹性模量的影响因素
弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主 要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。 如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温 度、加载方式和速度等。
第22页/共119页
1）键合方式和原子结构 共价键、离子键、金属键----较高 分子键----较弱 原子半径越大，E越小
5）温度----温度升高，E降低 特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。
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6）加载条件和负荷持续时间 加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料 影响很小。 对于高分子聚合物，负荷时间延长，E下降。
第26页/共119页
4、比例极限和弹性极限
p
Fp A0
Fp：比例极限对应的应力 A0 ：试棒的原始截面面积
第39页/共119页
第四节 塑性变形及其性能指标
一、塑性变形机理 定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不 引起材料破裂的现象。 1：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生 滑移系越多，塑性越好
复习： 滑移：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对
滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。 滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
第6页/共119页
五、本课程学习注意问题：
预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。 理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性能指
标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用 要求定义。 重视实验: 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可 掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所 测的力学性能指标的物理意义与实用意义。 做些练习: 加深理解――巩固所学的知识。
消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火

本课程是建立在大学物理基础上的专业基础课。它 是后续各专业课 的基础。
相关课程
数学、物理、材料力学、量子力学、固 体物理、电路、半导体物理、介电质物 理等课程。
本课程的理论与知识体系
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
金属电子论概要 热学性能 电学性能 铁磁学基础 磁学性能 弹性与滞弹性
第一节 电子的波动性
一、微观粒子的波粒二象性
1、 光子具有的能量为：
E = hν
(1-1)
式中，h6.6310 34J•s为普朗克常数。 ν为频率。
2、“二象性”：象光子这种微观粒子表现出双重性 质—波动性和粒子性，这种现象叫波粒二象性。
3、物质波的假说：一个能量为E、动量为p的粒子，同
时也具有波性，其波长λ由动量p确定，频率ν则由能量
功能材料
能源材料
建筑材料
航空航天材料
光电材料
智能材料
生态环境材料 液晶
单晶 多晶
信息材料
准 晶
非晶
材料无处不在
功能材料 磁性材料
金属材料
信号接受 移动通讯
介电材料 对话功能
传感器件
金属外壳
光学材料
拍照功能
液晶材料
电子线路 半导体技术
数码拍照 显示功能
照片存储
半导体芯片
“新材料”与“高技术”
所谓“新材料”，就是那些新出现或已在发展中的，
纳米材料
聚合物
材料工程
材料物理和材料科学的关系
1.息息相关、相互促进和共同发展
2.材料物理研究课题来源于材料、对象也 是材料，都是生产、科研中提出来的新问 题。
3.材料物理的基本研究指导材料的生产应 用。

1.1 材料物理性能引论
1.1.1 材料 (概念、分类、特征与应用、重要性)
1.1.2 物理（概念、研究方法、分类）
1.1.3 材料科学与工程 1.1.4 材料物理（定义、研究目的、范围、实验技术） 1.1.5 材料性能（定义、本质、分类、目的、重要性、 研究内容）
10
1.1 引论——材料、物理、性能
材料物理性能
授课对象:功能材料 2012-1、2012-2
重庆科技学院.冶金与材料工程学院
一、课程概况
1、课程名称：《材料物理性能》 2、课程性质：功能材料本科专业的一门专业平 台课. 3、研究内容：主要围绕金属材料和无机非金属 材料的物理性能、影响因素、测试方法、原理 及相关应用等展开讨论。
主要内容：材料的电学性能（重点）、材料的磁学性 能（重点）、材料的光学性能、材料的弹性与内耗
功能材料是指除强度外还有其他功能的材料。它们 对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电 、磁、压力、气氛等各种刺激，可以有选择性地作出反应 ，从而有许多特定的用途。电子、激光、能源、通讯、生 物等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。可以认 为，没有许多功能材料的出现，就不可能有现代科学技术 的发展。 智能材料：具有环境判断、自我修复等功能的功能材料 传统材料 先进材料
材料科学与工程：四要素
使用性能
制备加工
本课程中，材 料的性能是指 “材料性质” 。它是材料科 学与工程学科 基本性能 的四个基本要 素之一。
组成与结构
1.1.4 材料物理
凝聚态物理学是从微观角度出发，研究凝聚状态物质 （固体、液体、液晶等）的原子之间的结构、电子态结构 以及相关的各种物理性质的一门学科。 包括固体物理（晶体/非晶、金属、半导体、电介质、 磁性）、液晶与高分子、液体物理、介观物理（包括团簇 、纳米）、低温物理（超导与超流）、相变等等。 材料物理，研究作为材料的凝聚态物质的物理，是凝 聚态物理的分支，主要研究材料微观结构、物理性能（电/ 磁/光/热/力等）的微观起源及其相互联系，涉及量子力学 、晶体学、电磁学等学科的交叉，以及实验（观察和鉴别 ）手段。

功能材料
是什么？ 为什么？ 如何做？
材料科学 物理本质
工程
绪论
❖本课程的内容庞杂，每章都自成体系。从四 个方面进行学习：基本概念、物理本质、影 响因素和分析应用。
❖学习要求： ❖1、掌握基本概念 ❖2、定性了解各种物理性能的物理本质 ❖3、会分析实验结果
谢谢大家
绪论
材料物理性能
电学 性能 热学
性能
磁学 性能
光料的成分、结 构、工艺过程的关系及其变化规律。
❖ “物性” 还随材料的使用（或实验）环境变 化的。这些环境包括温度、压力、电场、磁 场、辐照、化学介质、力场等等。
绪论
❖材料物理性能涉及到材料科学和工程两个部 分。性能的物理本质部分告诉我们“为什 么”，工艺—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 体的功能材料。
欢迎
绪论
金属材料
材
料
无机非金属材料
有机高分子材料
绪论
物理科学
材料 物理
材料科学
❖材料物理是研究物质的微观结构、组织形式、 运动状态、物理性能、化学成分以及它们之 间相互关系的学科。从物理学的一些基本概 念、基本原理、基本定律出发，建立相应的 物理模型、力图阐述材料本身结构、性质和 它们在各种外界条件下变化及其规律，得出 结论，进而指导材料的生产和科学研究。

第1章 绪论 章
意义： 意义：
1. 制造和发展功能材料的基础 2. 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。 航天飞机，热障涂层） （航天飞机，热障涂层） 3. 利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的 研究方法。 研究方法。 4. 非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）， 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）， 研究与组 织的关系， 织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导 5. 为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能
∆ρ = ∆ρ空位 + ∆ρ位错
、
Hale Waihona Puke 或∆ρ = Cε n
∆ρ = Aε n + Bε m
空位， 空位， 位错
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。 空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。前二者的 作用远超过后者。 作用远超过后者。 空位：形变和高能粒子辐射中产生，淬火也可以产生，这时有： 空位：形变和高能粒子辐射中产生，淬火也可以产生，这时有：
第2章 材料的电性能 章
2.1.1 导电性基本规律及描述参量 相对电导率： 相对电导率：IACS% 定 义 ： 把 国 际 标 准 纯 软 铜 （ 在 室 温 20 度 ， 电 阻 率 为 0.01724 Ω .mm2/m）的电导率作为 ）的电导率作为100%，其它导体材料的 ， 电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电阻率。 电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电阻率。 思考题： ） 思考题： 2）IACS% 与S/m的换算关系 的换算关系 1）一根金属棒，电导率为3.5× 107 S/m, 长为 ）一根金属棒，电导率为 × 长为10m,电 电 阻值为0.08 ，求截面积。 求截面积。 阻值为

(c)反常元素
一些半导体和绝缘体转变为导体的压力极限
元素
S Se Si Ge I
p极限/ GPa ρ/(μΩ·m)
元素
40
-
H
12.5 16 12 22
-
金刚石
-
P
-
AgO
500
p极限/ GPa 200 60 20 20
ρ/(μΩ· m)
-
60±20 70±20
-
22
(三).冷加工和缺陷对电阻率的影响 (1)晶体缺陷使金属的电阻率增加
D
特征温度。 常用的非过渡族金属的德拜温度一般不超过500K。
12
在德拜温度以上，可以认为电子是完 全自由的，金属的电阻取决于离子的 热振动。此时，纯金属的电阻率与温
度关系为 T 电声
1 电声 T (T 2 3 D );
2

电声

T
5 (T D
);
3 电电 T 2 (T 2K)
19
正常金属元素：电阻率随压力增大而下降；（铁、 钴、镍、钯、铂、铱、铜、银、金、锆、铪等）
反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第 V族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力升 高一定值后系数变号。研究表明，这种反常现象和压力 作用下的相变有关。
20
压力对金属电阻的影响
21
(a) (b)正常元素
3
4
表1. 常见材料的电阻率 （×10-8Ωm）
材料 Ag Cu Al Fe Mn 电阻率 1.46 1.54 1.72 5.88 260
5
2.2 电子类载流子导电
22..22..11金金属属导导电电机机制制
e2 n e2 n l 2m 2m

2、多次冲击试验： 当试样破坏前承受的冲击次数少于500-1000次，试样断
裂的规律与一次冲击相同；当冲击次数大于105次时，破坏后 具有典型的疲劳断口特征。 冲击功-冲断次数曲线（A-N曲线）： 随冲击功A的减小，冲断次数增加。
第1页/共48页
3、冲击韧性及工程意义 1）一次冲击： 冲击韧度（冲击值）：用冲击吸收功除以试样缺口处截面（cm2）
第16页/共48页
裂纹的三种基本类型： (1)张开型(I型)裂纹 拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，扩展 方向和拉应力垂直。 (2)滑开型(Ⅱ型)裂纹 切应力平行于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹 面平行滑移扩展 (3)撕开型(Ⅲ型)裂纹 切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面 撕开扩展。
冲 击 功
三类材料的冲击功-温度曲线
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低温脆性的宏观解释：
第7页/共48页
韧脆转化温度及其评价方法
工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度，在此温度以上只要
应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。在冷脆转化
温度的确定标准一旦
建立之后，实际上是按照
吸
冷脆转化温度的高低来选
收 的
择材料。例如，有两种材
当r=0时，应力为无穷大。但实际上对一般金属材料，当应力超 过材料的屈服强度，将发生塑性变形，在裂纹尖端将出现塑性 区，裂纹尖端的应力分布发生改变。
讨论塑性区的意义： 1）断裂是裂纹的扩展过程，裂纹扩展所需的能量主要是消耗于 塑性变形功，材料的塑性区尺寸大，消耗的塑性变形功也越大， 材料的断裂韧性KIc相应地也就越大。 2）由于我们是根据线弹性断裂力学来讨论裂纹尖端的应力应变 场的，当塑性区尺寸过大时，线弹性断裂理论是否依然适用？ 因此我们必须讨论不同应力状态的塑性区以及塑性区尺寸的决 定因素。

✓ 有多少行为，就对应地有多少性能。 ✓ 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 ✓ 性能必须量化，多数的性能都有量纲。
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1.2 材料物理性能的本构关系及学习意义
◼ 物理学—凝聚态物理学—材料物理—材料(物理)性能：
材料性能的本质：
外界因素(作用物理量)作用于某一物体，如：应力、温度、电 场、磁场、辐照、化学介质等，引起原子、分子或离子及电子的微 观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈 一定的关系，其中与材料本质有关的一种常数——材料的性能。
7
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照人为加工程度区分：
✓天然材料：自然界原来就有未经 加工或基本不加工可直接使用
• 如棉花、沙子、石材、蚕丝、 煤矿、石油、铁矿、羊毛
✓合成材料：人为把不同物质经化 学方法或聚合作用加工而成
• 如塑料、合成纤维和合成橡胶
材料
天
合
然
成
材
材
料
料
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照物理化学属性区分：
课程简介
材料的物理性能
力学
电学 (介电)
热学
光学
功能转换
磁学
声学 核物理 。。。
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课程简介
◼ 主要内容：
A. 材料物理性能(热学、电学、介电、光学、磁学等)的基本概 念、宏观规律及参数；
B. 材料物理性能和材料的组成、制备工艺、材料结构之间的关 系；
C. 材料物理性能的微观机理。
◼ 学习目标：
➢研究方法: 观测，实验，理论, 计算。
◼ 分类：
➢古典力学、电动力学、统计力学； ➢量子力学：研究微观粒子运动及相互作用的规律。