材料物理性能测试思考题答案之欧阳家百创编文档格式.docx

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晶格热振动：

点阵中的质点（原子、离子）围绕其平衡位置附近的微小振动。

格波：

晶格振动以弹性波的形式在晶格中传播，这种波称为格波，它是多频率振动的组合波。

热容：

物体温度升高1K时所需要的热量（J/K）表征物体在变温过程中与外界热量交换特性的物理量，直接与物质内部原子和电子无规则热运动相联系。

比定压热容：

压力不变时求出的比热容。

比定容热容：

体积不变时求出的比热容。

热导率：

表征物质热传导能力的物理量为热导率。

热阻率：

定义热导率的倒数为热阻率ω，它可以分解为两部分，晶格热振动形成的热阻（ωp）和杂质缺陷形成的热阻（ω0）。

导温系数或热扩散率：

它表示在单位温度梯度下、单位时间内通过单位横截面积的热量。

热导率的单位：

W/（m·

K）

热分析：

通过热效应来研究物质内部物理和化学过程的实验技术。

原理是金属材料发生相变时，伴随热函的突变。

反常膨胀：

对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化称为反常膨胀。

其中镍和钴的热膨胀峰向上为正，称为正反常；

而铁和铁镍合金具有负反常的膨胀特性。

交换能：

交换能Eex=－2Aσ1σ2cosφA—交换积分常数。

当A＞0，φ＝0时，Eex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。

当A＜0，φ＝180°

时，Eex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。

交换能是近邻原子间静电相互作用能，各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。

它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。

磁滞损耗：

铁磁体在交变磁场作用下，磁场交变一周，B-H曲线所描绘的曲线称磁滞回线。

磁滞回线所围成的面积为铁磁体所消耗的能量，称为磁滞损耗，通常以热的形式而释放。

磁滞损耗

技术磁化：

技术磁化的本质是外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（和）或近似外磁场方向的过程。

技术磁化的两种实现方式是的磁畴壁迁移和磁矩的转动。

请画出纯金属无相变时电阻率—温度关系曲线，它们分为几个阶段，各阶段电阻产生的机制是什么？

为什么高温下电阻率与温度成正比？

1—ρ电-声∝T（T>

2/3ΘD）；

2—ρ电-声∝T5（T<

<

ΘD）；

3—ρ电-电∝T2（T≈2K）

分为三个阶段：

（1）温度T>

（2/3）ΘD阶段,电阻率正比于温度，即ρ（T）=αT。

电阻产生的机制是电子—声子（离子）散射。

（2）温度T<

ΘD阶段，电阻率与温度成五次方关系,即ρ∝T5。

电阻产生的机制是电子—声子（离子）散射，（3）在极低温度（T≈2K）阶段，电阻率与温度成2次方关系,即ρ∝T2,电阻产生的机制是电子—电子之间的散射。

根据公式

，

（称为散射系数）。

对金属来说，温度升高离子热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射，故可以认为

与温度成正比，则

也就与温度成正比（因为式子中其他的量均与温度无关），这就是高温下电阻率与温度成正比的原因。

用电阻法研究金属冷加工时为什么要在低温？

根据马西森定律,冷加工金属的电阻率可写成

ρ=ρ′+ρM

式中：

ρM表示与温度有关的退火金属电阻率；

ρ′是剩余电阻率。

实验证明，ρ′与温度无关，换言之，dρ/dT与冷加工程度无关。

总电阻率ρ愈小，ρ′/ρ比值愈大，所以ρ′/ρ的比值随温度降低而增高。

显然，低温时用电阻法研究金属冷加工更为合适。

从导体、半导体、绝缘体材料能带结构分析其导电性能不同的原因。

导体：

价带与导带重叠，无禁带。

或价带未被电子填满，这种价带本身即为导带。

这两种情况下价电子都是自由的，

就像金属具有大量的这样的自由电子，所以具有很强的导电能力。

半导体和绝缘体：

满价带和空导带之间具有禁带。

半导体：

禁带宽度小，在热、光等外界条件作用下，价带中的部分电子有可能获得足够的能量而越过禁带到达其上面的空带，形成导带。

而且价带中出现了电子留下的空穴。

导带中的电子和价带中的空穴在电场的作用下沿相反的方向定向移动，产生电流。

导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在的导电方式称为本征导电，其特征是参加导带的电子和空穴浓度相等，这种半导体称为本征半导体。

绝缘体：

禁带宽度很大，电子很难越过禁带到达其上面的空带，外电场的作用下几乎不产生电流。

金属材料电阻产生的本质。

当电子波通过一个理想晶体点阵时（0K）,它将不受散射；

只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方,电子波才受到散射（不相干散射）,这就是金属产生电阻的根本原因。

由于温度引起的离子运动（热振动）振幅的变化（通常用振幅的均方值表示），以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。

这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。

为什么金属材料的导电性随温度的升高而降低，而非金属材料的导电性随温度的升高而升高？

对于金属材料：

温度升高，晶格热振动加剧，声子电阻率升高，而剩余电阻率不变，故金属材料的导电性随温度的升高而降低。

对于非金属材料：

温度升高，材料的电子或载流子运动能力增强，数量也增加，传递电荷的能力增强，导电性增强。

金属材料受力后电阻率的变化。

（1）拉力

在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ，并有

（2）压力

对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。

—压力系数，为负。

几乎所有纯元素随温度变化电阻压力系数几乎不变。

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。

高压力还能导致物质的金属化，引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘体—半导体—金属—超导体的某种转变。

固溶、冷加工对金属材料电阻率的影响及原因。

形成固溶体时，导电性能降低。

即使是在低导电性的金属中溶入高导电性的金属溶质也是如此，但电阻随成分连续变化而无突变。

对于连续固溶体，当组元A溶入组元B时，电阻由B组元的电阻值逐渐增大至极大值后再逐渐减小到A组元的电阻值。

原因：

（1）引起晶体点阵畸变，增加了电子的散射，原子半径差越大，固溶体的电阻也越大；

（2）杂质对理想晶体的局部破坏；

（3）合金化引起能带结构变化，移动费米面（0K时电子最高能级）并改变了电子能态的密度和有效导电电子数；

（4）合金化影响弹性常数，使点阵振动的声子谱改变。

一般，冷加工引起电阻率增大。

室温下测得经相当大的冷加工变形后纯金属（如铁、铜、银、铝）的电阻率,比未经变形的总共只增加2%～6%。

只有金属钨、钼例外,当冷变形量很大时,钨电阻可增加30%～60%,钼增加15%～20%。

一般单相固溶体经冷加工后,电阻可增加10%～20%。

而有序固溶体电阻增加100%,甚至更高。

也有相反的情况,如Ni-Cr，Ni-Cu-Zn，Fe-Cr-Al等中形成K状态,则冷加工变形将使合金电阻率降低。

冷加工引起金属晶格畸变，增加电子散射几率；

同时也会引起金属晶体原子结合键的改变，导致原子间距变化。

固溶体的有序化对其电阻率有何影响？

为什么？

固溶体发生有序时，其电阻率明显降低。

固溶体发生有序化时对导电性的影响：

（1）使点阵规律性加强，减少了对电子的散射而使电阻率降低

（2）使组元间的相互化学作用加强，使有效电子数减少，从而引起电阻率的升高。

上述两种相反的作用中，第一种作用占主导地位，因此有序化一般表现为电阻率降低。

有序化程度越高，电阻率就越低。

将下列物质按热导率大小排序，并说明理由：

（1）铬

（2）银（3）Ni-Cr合金（4）石英（5）铁

（2）银＞（5）铁＞（3）Ni-Cr合金＞

（1）铬＞（4）石英

银在五种物质中导电性能最佳，铁次之。

合金热导率通常小于纯金属。

铬的性质比较接近半导体。

石英是绝缘体。

导电率：

（2）银＞（5）铁＞（3）Ni-Cr合金＞

（1）铬＞（4）石英。

根据魏德曼—弗兰兹定律，热导率与电导率之间存在如下关系：

。

所以，

（2）银＞（5）铁＞（3）Ni-Cr合金＞

（1）铬＞（4）石英。

为什么说材料热学性能的物理本质都与晶格热振动有关?

固体材料的各种热学性能就其物理本质而言，均与构成材料的质点（原子、离子）热振动有关。

固体材料由晶体或非晶体组成，点阵中的质点（原子、离子）总是围绕其平衡位置作微小振动，这种振动称为晶格热振动。

材料中质点之间的振动存在的关系和作用。

材料内能的本质、热容的物理本质。

Cp与Cv的物理意义是什么？

能否通过实验测量？

Cp与Cv哪个大，为什么？

若温度升高时物体的体积不变，物体吸收的热量只用来满足温度升高物体内能的增加，此种条件下的热容称为定容热容（Cv）。

若温度升高时物体的压力不变，物体吸收的热量除了用来满足温度升高物体内能的增加外，还对外做功，此种条件下的热容称为定压热容（Cp）。

对于金属，Cv不能直接通过实验测量，需由实验测得Cp，再换算得到Cv。

Cp大于Cv，这是因为定压比热容中含有体积膨胀功，

故在相同质量的条件下，Cp更大。

材料热容随温度的变化规律。

Ⅰ区：

T：

0～5K，Cv∝T

Ⅱ区：

cv∝T3，T达到

时，Cv＝3R。

Ⅲ区：

cv＞3R，增加部分主要是自由电子热容的贡献。

热容经验定律的内容及其与实际符合的情况。

若晶体有N个原子，则有3N个自由度。

金属原子的热振动既具有动能，又具有位能，两者不断地相互转换，且平均动能与平均位能统计地相等（每个振动自由度平均动能和平均位能都为1/2kT）。

所以一摩尔金属的总内能应为Um＝3NkT＝3RT。

金属的定容摩尔热容为：

热容经验定律杜隆－珀替定律（Dulong-Petitrule）的内容是所有金属的摩尔热容是一个与温度无关的常数，其数值接近于3R。

与实际符合的情况是：

（1）认为热容与温度无关，与事实不符。

（2）认为所有元素热容相同，构成化合物时，分子热容等于各原子热容之和，与事实不完全相符。

（3）低温时、轻元素与事实差别很大。

（4）除轻元素外，大部分元素与固体物质在非低温时，与事实十分接近。

与实际不符合的原因：

假设与前提问题，原子（各种元素、任何温度）平均动能、位能相等，模型过于简化。

把原子的振动能量看作是连续的，不符合能量不连续性的量子化条件。

热容爱因斯坦模型、德拜模型的前提及其与事实符合情况，不完全相符的原因。

爱因斯坦模型

（1）前提：

晶格中每个原子（离子）都在其格点作振动，各个原子的振动是独立而互不依赖，每个原子都具有相同的周围环境，因而其振动频率v都是相同的，原子振动的能量是不连续的、量子化的。

可把原子的振动看作是谐振子的振动。

（2）事实符合情况：

在高温时热容和杜隆—珀替定律一致，并和热容曲线符合得较好。

值一般在100～300K范围。

（3）不完全相符的原因：

在低温时，热容与温度之间的关系中存在指数项，不符合实验的Cv=T3关系，即随着温度的降低，爱因斯坦热容理论值比实验值要更快地下降而趋近于零。

原因在于把原子的振动看成是孤立的，并忽略了振子振动频率的差别。

德拜模型

在爱因斯坦量子热容理论基础上加以完善的。

认为：

晶体中各原子间存在着弹性的斥力和吸力，这种力使原子热振动相互受牵连而达到相邻原子间协调地振动。

波长较长，属于声频波范围（相当于弹性振动波）。

由于弹性波波长远大于晶格常数，可近似地把晶体视为连续介质，把弹性波的振动也可近似地视为连续的，其振动频率可连续分布在零到vm之间。

在高温下原子都几乎以最大频率振动，因而使热容接近于一个常数。

此时德拜热容理论与经典热容理论、爱因斯坦热容理论一致。

在低温时，金属温度升高所吸收的热量主要是用来加强晶格的振动，即使得具有高频振动的振子数急剧地增多，Cv与T3成正比。

当T=0K时，Cv=0。

这也完全符合实验规律。

在很接近0K的温度范围，德拜热容理论与实验规律存在着偏差。

原因在于德拜理论只考虑了晶格振动对热容的贡献，而未考虑自由电子对热容的贡献。

在极低的温度下，由于晶格振动的能量已趋近于零，自由电子的动能便不可被忽略，它成为对热容的主要贡献者。

材料热容与温度关系的经验公式。

分析材料热膨胀特性的工程意义。

会使釉层脱

材料热膨胀系数随温度的变化情况。

材料热膨胀的机理。

格律乃森定律的内容及原因。

格律乃森（Grü

neisen）从晶格振动理论导出金属体膨胀系数与热容间存在的关系式：

γ是格律乃森常数，是表示原子非线性振动的物理量，一般物质γ在1.5-2.5间变化；

K是体积模量；

V是体积；

CV是等容热容。

从热容理论知,低温下CV随温度T3变化,则膨胀系数在低温下也按T3规律变化,即膨胀系数和热容随温度变化的特征基本一致。

体膨胀系数与定容热容成正比，它们有相似的温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋向平缓。

固溶和冷加工对材料的λ（热导率）有何影响？

程减小，热

哪些因素会影响材料的热导率？

如何影响？

（1）对于纯金属，影响其电导率因素有：

温度、晶粒大小、晶向、杂质。

具体地来说：

根据导热机制可以推论高电导率的金属就有高的热导率。

热导率与温度关系：

在低温时,热导率随温度升高而不断增大，并达到最大值。

随后，热导率在一小段温度范围内基本保持不变；

当温度升高到某一温度后，热导率开始急剧下降，并在熔点处达到最低值。

但像铋和锑这类金属熔化时,它们的热导率增加一倍，这可能是过渡至液态时，共价键合减弱，而金属键合加强的结果。

在德拜温度以上略成直线关系，

在德拜温度以下，某些金属的热导率遵循格留涅申定律而变化，

铁磁性金属或合金的热导率与温度曲线在居里点时有转折。

晶粒大小的影响：

一般情况是晶粒粗大，热导率高；

晶粒愈细，热导率愈低。

立方晶系的热导率与晶向无关。

非立方晶系晶体热导率表现出各向异性。

所含杂质强烈影响热导率。

当加入少量杂质时，组元的热导率降低很剧烈，但随着浓度的增加对热导率的影响要小得多。

（2）对于合金

两种金属构成连续无序固溶体时,溶质组元浓度愈高,热导率降低愈多,并且热导率最小值靠近原子浓度50%处。

当组元为铁及过渡族金属时，热导率最小值比50%处有较大的偏离。

当为有序固溶体时，热导率提高，最大值对应于有序固溶体化学组分。

（3）对于无机非金属材料

比较而言,金属材料热导率的影响因素比较单一，而无机非金属材料就复杂一点。

因此，金属材料热导率的影响因素对无机非金属材料都同样的有作用，只是由于陶瓷材料相结构复杂一点，包括玻璃相和一定孔隙率。

化学组成的影响：

对于无机非金属材料来说，材料结构的相对原子质量愈小，密度愈小，弹性模量愈大,德拜温度愈高,则热导率愈大,所以轻元素的固体和结合能大的固体热导率较大，固溶体的情况与金属固溶体的变化趋势相似，和金属固溶体类似，杂质浓度很低时，杂质降低热导率效应十分明显；

杂质浓度增高时，杂质效应减弱，在低温下杂质效应将会更显著。

晶体结构的影响：

晶体结构愈复杂，晶格振动的非线性程度愈大，其散射程度愈大，因此声子平均自由程较小，所以热导率便低了。

晶粒大小和各向异性的影响：

与对金属的热导率影响相同。

同样化学组成的多晶体的热导率总比单晶小。

非晶体的热导率：

非晶体的热导率在所有温度下都比晶体小。

玻璃是无机的非晶体材料，其热导率变化有其特殊性。

分散相的影响：

常见复相陶瓷的典型微观结构是分散相均匀地分散在连续相中。

热导率可以按下式计算：

κc、κd分别为连续相和分散相的热导率；

φd为分散相的体积分数。

气孔率的影响：

无机材料常含有气孔，气孔对热导率的影响较复杂。

如果温度不是很高，且气孔率不大，尺寸很小，分布又均匀，可以认为此时的气孔是复相陶瓷的分散相,此时热导率可以按上式处理。

只是由于与固相相比，其热导率很小，可以近似认为零,且κc/κd很大，此时κ≈κs（1-φ气孔）。

κs为陶瓷固相热导率；

φ气孔为气孔的体积分数。

考虑气孔的辐射传热时，按下式计算：

P为气孔面积分数；

PL是气孔的长度分数；

ε为辐射面的热发射率；

G是几何因子；

纵向长条气孔G=1，横向圆柱形气孔G=π/4,球形气孔G=2/3；

d是气孔最大尺寸。

（5）对于本征半导体

在本征半导体中，导带中电子和价带中的空穴随温度升高而增加，这导致热导率随温度升高而升高。

可以采取哪些措施提高材料的磁导率？

其理论依据是什么？

（1）消除材料中的杂质；

（2）把晶粒培育到足够大并呈等轴状；

（3）形成再结晶织构；

（4）采用磁场中退火。

（1）的理论依据是如当杂质固溶在材料中会造成点阵扭曲，当杂质呈夹杂物存在时则使畴壁穿孔，这都会给畴壁迁移造成阻力，导致磁导率下降，矫顽力上升。

（2）的理论依据是晶粒足够大，使得晶界减少，畴壁迁移变得更加容易。

（3）的理论依据是再结晶织构具有方向性，在该方向的磁导率会明显增大。

（4）的理论依据是在沿轴向的磁场中缓慢冷却时，磁畴将在室温磁化时沿应伸长（在正磁致伸缩情况下）的方向预先伸长，这样经过磁场中退火的样品，其磁致伸缩将不妨碍磁化，样品的磁化将变得更加容易，从而在该方向会有高的磁导率。

铁磁性物质中的相互作用能有哪些？

各有什么特点？

其中哪种能量最大？

铁磁性物质中的相互作用能有：

磁晶各向异性能、磁弹性能、交换作用能、退磁能。

磁晶各向异性能是指沿不同晶轴方向的能量差。

其特点是在易磁化轴上，磁晶各向异性能最小。

物体在磁化时要伸长（或收缩），如果受到限制，不能伸长（或缩短），则在物体内部产生压应力（或拉应力），物体内部将产生的磁弹性能。

其特点是物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。

交换作用能是指近邻原子间静电相互作用能，其特点是各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。

而其它各项磁自由能

退磁能是指退磁场与铁磁体的相互作用能。

其特点是退磁能与材料的退磁因子N，磁化强度M的平方成正比。

N值、M2越大，退磁能越大。

总的来说，磁晶各向异性能、磁弹性能、退磁能不改变其自发磁化的本质，而仅改变其磁畴结构。

其中，交换作用能的能量最大。

物质抗磁性产生的本源是什么？

为什么任何物质在磁场中都产生抗磁性？

理论研究证明,抗磁性来源于电子轨道运动,故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。

但只有原子的电子壳层完全填满了电子的物质,抗磁性才能表现出来,否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。

无外H的时候：

电子壳层已填满的原子总磁矩为0。

有外H作用时：

即使总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。

不管循轨运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针，电子的循轨运动在外H作用下都会产生抗磁矩,即产生的附加磁矩总是与外H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。

物质顺磁性产生的本源是什么？

物质的顺磁性是如何产生的？

物质顺磁性产生的本源是：

原子（离子）的固有磁矩。

由于热运动的影响，固有磁矩的取向为无序的，宏观上无磁性。

外H作用下：

固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。

在常温和H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。

铁磁性材料为什么会形成一定形状和大小的磁畴？

为了最大限度地减小退磁能，磁畴必须形成三角畴的封闭结构，即呈封闭磁路，这样可使退磁能等于零。

当铁磁晶体形成磁畴时，虽然降低了退磁场能，但增加了畴壁能。

对大块晶粒来说，后者比前者要小很多，因此分畴在能量上是有利的。

影响磁畴壁迁移的因素有哪些？

（1）铁磁材料中的夹杂物、第二相、空隙的数量及其分布。

（2）内应力起伏大小和分布，起伏越大、分布越不均匀，对磁畴壁的迁移阻力越大。

为提高材料磁导率，就必须减少夹杂物的数量，减少内应力。

（3）磁晶各向异性能的大小，因为壁移实质上是原子磁矩的转动，它必然要通过难磁化方向，故降低磁晶各向异性能也可提高磁导率。

（4）磁致伸缩性能和磁弹性能也影响较小壁移过程，因为壁移也会引起材料某一方向的伸长,另一方向则要缩短,故要增加磁导率,应使材料具有较小的磁致伸缩和磁弹性能。

铁磁性材料的技术磁化机制。

分别用应力理论和杂质理论解释铁磁性材料技术磁化过程。

有人建议：

银有良好的导电性而且能够在铝中固溶一定的数量，因此可用银使铝固溶强化，以供高压输电线使用。

请详述：

（a）这个意见是否基本正确；

（b）能否提够另一种达到上述目的的方法；

（c）阐述你所提供方案的优越性。

（a）不正确。

因为形成固溶体时，导电性能降低，即使是在低导电性的金属中溶入高导电性的金属溶质也是如此。

Ag价格昂贵，不宜用与高压输电线。

（b）使用铝包钢芯铝绞线。

绞制是为了增大整体绞线的柔软性，与钢芯共绞是为增大绞线的整体强度。

（c）铝包钢芯铝绞线是由铝包钢丝​做加强芯和硬铝线绞合组成的架空导线。

铝包钢芯铝绞线和普通钢芯铝绞线相比，绞线重量轻5%，载流量提高2～3%，弧垂减小1～2%，电力损耗减少4～6%，且防腐性能好、使用寿命长、结构简单、架设和维护方便、传输容量大。

它可广泛