材料物理性能

<<材料物理性能>>基本要求一，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，因此晶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，故晶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0～ωmax分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。

7.示差热分析法（Differential Thermal Analysis, 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ΔT~T（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（Differential Scanning Calorimetry, 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。

材料物理性能及测试材料的物理性能是指材料在物理方面的性质和行为，包括材料的力学性能、热学性能、电学性能以及光学性能等。

这些性能对于材料的使用和应用起着重要的作用。

为了准确地评估和测试材料的物理性能，科学家和工程师使用了各种测试方法和仪器设备。

一、力学性能力学性能是衡量材料在外力作用下的行为的一种性能。

主要指材料的强度、韧性、硬度、延展性等。

常用的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、剪切测试和弯曲测试等。

1.拉伸测试拉伸测试是一种常见的方法，用来评估材料的强度和延展性。

在拉伸测试中，材料样品被施加拉伸力，通常通过测量载荷和伸长量来计算拉伸应力和应变。

拉伸强度是指材料在拉伸过程中承受的最大应力，屈服强度是指材料开始产生可观察的塑性变形的应力。

2.压缩测试压缩测试用于测量材料在受压力下的性能。

将材料样品放入压力装置中，施加压力使其受到压缩，通过测量载荷和位移来计算压缩应力和应变。

压缩强度是指材料在压缩过程中承受的最大应力。

3.剪切测试剪切测试用于评估材料的抗剪切能力。

将材料样品放入剪切装置中，施加剪切力使其发生剪切变形，通过测量载荷和位移来计算剪切应力和应变。

剪切强度是指材料在剪切过程中承受的最大应力。

弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的行为。

将材料样品放入弯曲装置中，施加弯曲力使其发生弯曲变形，通过测量载荷和位移来计算弯曲应力和应变。

弯曲强度是指材料在弯曲过程中承受的最大应力。

二、热学性能热学性能是指材料在温度变化下的行为。

主要包括热膨胀性、热导率、比热容等性能。

常用的测试方法包括热膨胀测试、热导率测试和比热容测试等。

1.热膨胀测试热膨胀测试用于测量材料随温度变化而发生的膨胀或收缩。

在热膨胀测试中，材料样品被加热或冷却，通过测量长度变化来计算热膨胀系数。

2.热导率测试热导率测试用于测量材料传导热的能力。

在热导率测试中，材料样品的一侧被加热，另一侧被保持在恒定温度，测量两侧温度差来计算热导率。

3.比热容测试比热容测试用于测量材料吸热或放热的能力。

材料物理性能材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。

它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。

材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。

首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。

热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。

导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。

热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。

热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。

这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。

其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。

光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。

透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。

反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。

折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。

这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。

此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。

电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。

导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。

介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。

电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。

这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。

最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。

磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。

磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。

磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。

矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。

这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。

综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。

不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。

材料物理性能第一章.材料的力学性能1.剪切应变：是指材料受到平行于截面积方向的大小相等，方向相反的两个剪切应力τ时发生的形变。

2.压缩应变：指材料周围受到均匀应力P时，其体积从起始时的V0变化为V1的形变。

3.胡克定律：对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变，其应力与应变关系服从胡克定律，即应力σ与应变ε成正比：σ=Eε。

（式中的比例系数E称为弹性模量，又称弹性刚度或杨氏模量。

4.弹性模量：是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗形变能力的大小。

E越大，越不易变形，表示材料刚度越大。

（单位：N/m2）杨氏模量E(反映材料抵抗正应变的能力），剪切模量G（反映材料抵抗切应变的能力）和体积模量B（反映材料在三向压缩（流体静压力）下，压强与体积变化率之间的线性比例关系）：E=σ/ε；G=τ/γ；B=P/Δ5.泊松比μ：称为横向变形系数，反映材料横向正应变与受力方向线应变的比值。

G=E/[2(1+μ)]；B=E/[3(1-2μ)]6.E的影响因素：（1）原子结构的影响：周期表中同一族的元素，随原子序数的增加和原子半径的增大弹性模量减小（过渡族金属表现出特殊规律性）。

（2）温度的影响：随着温度的升高材料发生热膨胀现象，原子结合力减弱，因此金属与合金的弹性模量降低。

(3)相变的影响：材料内部的相变（如多晶型相变，有序化转变，铁磁性转变，超导态转变等）都会对弹性模量产生比较明显的影响。

7.复相的弹性模量（1）并联：E=E A V A /V+E B V B /V ，式中：νA =V A /V 与νB =V B /V 分别表示两相的体积分数，且νA +νB =1。

E μ=νA E A +(1-νA )E B （大部分应力由高模量的材料承担）(2)串联：1/E=νA /E A +(1-νA )/E B (弹性模量为复合材料弹性模量的下限值）8.理论断裂强度：合理的最大值相当于材料断裂时的作用力。

理论断裂强度公式：σth =a E(a 为晶格常数）通常γ约为aE/100. (一般材料常数的典型数值为:E=300GPa;γ=1J/m 2;a=3*10-10m)第二章.材料的热学性能1.格波的定义与分类：一个质点的振动会使邻近质点随着振动，而使相邻质点间的振动存在着一定的位相差，使得晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波。

1.根据受力应变特征材料分为：脆性材料，延性材料，弹性材料。

2.材料受载荷后形变的三个阶段：弹性形变，塑形形变，断裂3.弹性模量：材料在弹性变形阶段内正应力和对应的正应变的比值。

意义：反映材料抵抗应变的能力，是原子间结合强度的标志。

影响因素〔键合方式，晶体结构，温度，复相的弹性模量〕。

机理：对于足够小的形变应力与应变成线性关系，系数为弹性模量，物理本质是原子间结合力抵抗外力的宏观表现，弹性系数和弹性模量是反映原子间结合强度的标志。

4.滞弹性：固体材料的应变产生与消除需要有限的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。

衡量指标：应力弛豫和应力蠕变。

应力弛豫：在持续外力作用下发生形变的物体在总变形值保持不变的情况下，徐变变形增加使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少的现象。

应力蠕变：固体材料在恒定荷载下变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程。

5.塑性形变指一种在外力移去后不能回复的形变。

滑移系统：滑移方向和滑移面。

产生条件：a-〔几何条件〕面间距大滑移矢量小b〔静电条件〕每个面上是同种电荷原子，相对滑移面上的电荷相反。

无机非材料不产生原因：a.滑移系统少；b.〔位错运动激活能大〕位错运动需要克服的势垒比拟大，位错运动难以实现。

施加应力，或者由于滑移系统少无法到达临界剪应力，或者在到达临界剪应力之前就导致断裂；c.伯格斯矢量大。

6.高温蠕变定义：材料在高温下长时间受到小应力作用出现蠕变现象。

影响因素：温度和应力。

机理：a晶格机理〔位错攀移理论，由于热运动位错线处一列原子移去或移入，位错线向上移一个滑移面。

〕b扩散蠕变理论〔空位扩散流动，应力造成浓度差，导致晶粒沿受拉方向伸长或缩短引起形变〕c晶界机理〔多晶体蠕变，高温下晶界相对滑动，剪应力松弛，有利蠕变。

低温下晶界本身是位错源，不利蠕变〕7.理论断裂强度：理论下材料所能承受的最大应力。

实际强度：实际情况中材料在外加应力作用下，沿垂直外力方向拉断所需应力。

8.断裂韧性：是材料的固有性能，由材料的组成和显微结构所决定，是材料的本征参数。

材料物理性能1. 引言材料物理性能是指材料在物理方面的性能特征与表现，包括其力学性能、热学性能、电学性能等。

了解材料的物理性能能够帮助我们选择合适的材料，预测材料的行为以及进行工程设计和优化。

2. 力学性能2.1 弹性模量弹性模量是材料在受力作用下产生弹性变形的能力，一般表示为杨氏模量（Young’s modulus）、剪切模量（Shear modulus）和泊松比（Poisson ratio）。

- 杨氏模量描述了材料在受拉或受压时的弹性性能，可以算作是应力与应变之间的比例系数。

- 剪切模量衡量了材料在受剪切力作用下的变形能力。

- 泊松比描述了材料在受力作用下，在两个垂直于受力方向的平面上的变形比例。

2.2 强度强度是指材料在承受外力作用下能够抵抗变形和破坏的能力。

强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。

不同类型的力学性能指标适用于不同的应用场景。

2.3 脆性和韧性脆性是指材料在受力作用下容易发生断裂的性质，表现为材料的断裂韧度较低；韧性是指材料在受力作用下能够发生塑性变形而不断裂的性质，表现为材料的断裂韧度较高。

脆性和韧性是相对的，不同材料的脆性和韧性特点不同。

3. 热学性能3.1 热膨胀系数热膨胀系数描述了材料在温度变化下的对长度、体积或密度的变化率。

材料的热膨胀系数可以影响它在温度变化下的热膨胀或收缩行为。

3.2 热导率热导率是指材料传导热量的能力，表示的是单位时间内单位温度差下，通过单位横截面积所传导的热量。

热导率可以用于描述材料的导热性能。

3.3 热容量热容量是指材料在受热时吸收热量的能力，以及在冷却时释放热量的能力。

热容量可以用于描述材料在温度变化下的热稳定性和热响应行为。

4. 电学性能4.1 电导率电导率是指材料导电的能力，表示单位长度内单位面积上的电流。

电导率可以用于描述材料的导电性能。

4.2 介电常数介电常数是指材料对电场的响应能力，表示单位电场下单位体积内储存能量的能力。

§1 材料物理性能1.1 热学性能1.1.1 热容热容是表征材料从周围环境吸收并储存热量的能力，可以用每一摩尔物质温度每升高1K时所吸收的热量来表示，单位为：J/mol/K。

定压热容Cp ：Cp = dQ/dT (p=p0)定容热容Cv ：Cv = dQ/dT (v=v0)1.1.2 热传导热传导是表征材料传热能力大小的，用热传导率λ表示，单位为W/m/K:q = -λdT/dx式中，q ------ 单位时间内流过垂直于热流方向的单位面积的热量，单位为W/m2；dT/dx ------ 温度梯度，单位为K/m。

热传导的本质是由于温差而发生的材料相邻部分之间的能量迁移，可以通过三种方式进行：自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导。

金属材料的热传导主要是通过自由电子在晶体中的自由迁移实现的，因此具有较高的热导率，约为20-400 W/m/K。

无机非金属材料主要是通过离子键、共价键结合，电子迁移困难，其热传导主要通过晶格振动实现，一般热导率低，约为2-50 W/m/K，是良好的绝热材料。

玻璃的原子排列远程无序，因此热导率更低。

高分子材料的传热主要是通过分子或链段的振动实现，速度慢，因此其热导率更低。

1.1.3 热膨胀系数热膨胀系数是用来表征材料热胀冷缩特性的，其定义为：温度变化1K时材料单位长度（线膨胀系数αl）或单位体积（体积膨胀系数αv）变化量,单位为1/K：αl = (dl/dT)p/lαv = (dv/dT)p/v对于各向同性材料，αv=3αl 。

热膨胀系数主要取决于原子（或分子、链段）之间的结合力，结合力越大，则热膨胀系数越小。

无机非金属材料原子间结合力大，热膨胀系数最小,约0.5-15 /106K；金属材料次之，约为5-25 /106K；高分子材料以分子间力结合，结合力小，有很大的热膨胀系数，约为50-300 /106K。

在温度作用下，材料热膨胀系数的巨大差异往往会引起很大的应力，从而导致材料界面开裂，材料失效。

一、名词解释1.顺磁体：原子内部存在永久磁矩，无外磁场，材料无规则的热运动使得材料没有磁性，当外磁场作用，每个原子的磁矩比较规则取向，物质显示弱磁场，这样的磁体称顺磁体。

2.铁磁体：在较弱的磁场内，铁磁体也能够获得强的磁化强度，而且在外磁场移去，材料保留强的磁性。

原因是强的内部交换作用，材料内部有强的内部交换场，原子的磁矩平行取向，在物质内部形成磁畴，这样的磁体称铁磁体。

3.金属热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。

4.内耗：对固体材料内在的能量损耗称为内耗。

5.磁致伸缩效应：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象。

6.磁畴：指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。

7.软磁材料：软铁被磁化后，磁性容易消失，称为软磁材料。

8.亚铁磁体：磁体中存在大小不等反平行的自旋磁矩，磁矩大小部分抵消，因而磁体仍然可以自发磁化，类似于铁磁体。

这种磁体称为亚铁磁体。

9.磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、磁壁的类型与厚度的总称。

10.磁滞回线：当磁化磁场作周期的变化时，表示铁磁体中的磁感应强度与磁场强度关系的一条闭合曲线。

二、问答题1.对于一根具体的导线而言，影响它的导电因素有哪些？答：对于一根具体的导线而言，导电过程分两部分，包括最外电子脱离正离子实和之后的在晶格中运行，所以，影响导电性包括这两部分的影响因素。

(1) 从导电定律关系式中可以看出一个电子的电荷是固定的数值，n有效决定于金属的晶体结构及能带结构，而电子自由运行时间或电子平均自由程则决定于在外电场作用下，电子运动过程中所受到的散射。

(2) 电子在金属中所受到的散射可用散射系数μ来表述。

μ的来源有两方面，一是温度引起离子振动造成的μT，二是各种缺陷及杂质引起晶格畸变造成的μn。

μ=μT+μn相应地电阻为：ρ=ρT+ρn(3) 由温度造成的晶格动畸变和由缺陷造成的晶格静畸变，两者都会引起金属电阻率增大。

2.什么是西贝克（Seeback）效应？它是哪种材料的基础？答：西贝克效应是由于温差产生的热电现象，即温差电动势效应——广义地，在半导体材料中，温度和电动势可以互相产生。

材料物理性能材料的物理性能是指材料在物理层面上所表现出来的各种性质和特性，包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能等。

首先，力学性能是材料最基本的物理性能之一。

它包括抗拉强度、屈服强度、硬度、韧性、弹性模量等指标。

抗拉强度是材料在拉伸破坏时所能承受的最大拉力，屈服强度是材料在拉伸过程中开始产生塑性变形的拉力。

硬度是材料抵抗划痕或压痕的能力，描述了材料的抗刮擦性能。

韧性是材料在受外力作用下发生塑性变形而不破裂的能力，反映了材料的延展性。

弹性模量是材料在受力后产生弹性变形的能力，反映了材料的变形程度与受力大小的关系。

其次，热学性能是材料在热力学层面上的表现，包括热导率、热膨胀系数、比热容等。

热导率是材料导热性能的指标，反映了材料传导热量的能力。

热膨胀系数是材料在受热后的膨胀程度与温度变化之间的关系，描述了材料在温度变化时的尺寸变化。

比热容则是材料所需吸收或释放的热量与温度变化之间的关系，反映了材料的热量储存能力。

此外，电学性能是材料在电学层面上的表现，包括电导率、介电常数、磁导率等。

电导率是材料导电性能的指标，反映了材料导电的能力。

介电常数是材料对电场的响应能力，描述了材料在电场中的电极化程度。

磁导率则是材料对磁场的响应能力，反映了材料对磁场的传导性能。

最后，磁学性能是材料在磁化和磁导方面的表现，包括磁化强度、剩余磁感应强度、矫顽力等。

磁化强度是材料在外加磁场下磁化的能力，剩余磁感应强度是材料在去除外加磁场后保留的磁感应强度。

矫顽力是材料从磁化过程中恢复原始状态所需的去磁场强度，反映了材料抵抗磁通方向变化的能力。

总之，材料的物理性能涵盖了力学、热学、电学及磁学等多个方面，对于不同的应用需求，选择合适的材料具备合适的物理性能是十分重要的。