无机材料物理性能第一章
材料物理性能 第一章 (2)
在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。
ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。
自由电子的贡献
CV CVl CVe T 3 T
点阵振动热容 自由电子热容
常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。
n
C X1C1 X 2C2 X nCn X iCi
无机材料的热容
高于D 时，趋于常数；低于D 时，与 T 3成正比 与材料结构的关系不大 相变时，热容出现了突变 单位体积的热容与气孔率有关
Cp a bT cT 2
不同温度下某些陶瓷材料的热容
相变时，热容出现了突变。
金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
电学、热学、磁学性能 电学、光学性能 电学、热学性能 光学、热学、电学性能
课程内容
➢ 材料的热学、电学、磁学、光学等性能； ➢ 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； ➢ 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； ➢ 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。
第一章 材料的热学性能
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
3N
2
kT
e kT
2
材料物理性能及测试-作业
第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些？4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。
5 什么是应力松弛与应变松弛？6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么？7 产生晶面滑移的条件是什么？并简述其原因。
8 什么是滑移系统？并举例说明。
9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。
10 晶体塑性形变的机理是什么？11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。
12 影响晶体应变速率的因素有哪些？13 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？14 影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。
15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？16 高温蠕变的机理有哪些？17 影响蠕变的因素有哪些？为什么？18 粘滞流动的模型有几种？19 影响粘度的因素有哪些？第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。
2 断裂能包括哪些内容？3 举例说明裂纹的形成？4 位错运动对材料有哪两方面的作用？5 影响强度的因素有哪些？6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么？7 试比较应力与应力强度因子。
8 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢：sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。
9 结构不连续区域有哪些特点？10 什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。
12 什么是裂纹的快速扩展？13 影响断裂韧性的因素有哪些？14 材料的脆性有哪些特点？通过哪些数据可以判断材料的脆性？15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？16 克服材料的脆性途径有哪些？17 影响氧化锆相变的因素有哪些？18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响？19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法，哪一种方法更可靠，为什么？20. 有下列一组抗折强度测定结果，计算它的weibull模数，并对该测定数据的精度做出评价。
《无机材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
无机材料物理性能知识总结
第一章物理基础知识与理论物理性能本质：外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，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，其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。
晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，或者称长程有序。
非晶体结构：不具有长程有序。
点阵：晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称为点阵。
晶体由（基元）沿空间三个不同方向，各按一定的距离（周期性）地平移而构成，（基元）每一平移距离称为周期。
晶格的共同特点是具有周期性，可以用（原胞）和（基失）来描述。
分别求立方晶胞、面心晶胞和体心晶胞的原胞基失和原胞体积？（1）立方晶胞：（2）面心晶胞（3）体心晶胞晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。
晶列的特点：（1）一族平行晶列把所有点包括无遗。
（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。
（3）通过一格点可以有无限多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。
（4 ）有无限多族平行晶列。
晶面的特点：（1）通过任一格点，可以作全同的晶面与一晶面平行，构成一族平行晶面. （2）所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格点分布情况相同；（4）晶格中有无限多族的平行晶面。
格波：晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式。
色散关系：晶格振动谱，即频率和波矢的关系。
声子：晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子单元称作声子，声子具有能量ħ ，与光子的区别是不具有真正的动量，这是由格波的特性决定的。
声学波与光学波的区别：前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动。
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。
无机材料的热学性能 热容
经验定律 A. 杜隆·伯替定律－Dulong-petit
把气体分子的热容理论直接应用于固体，利用经 典的统计力学处理计算：如果晶体有N个原子，那么 总的平均能量就是：
杜隆·伯替定律 不考虑原子之间的相互作用
那么mol热容就是：
即光学波对热容的贡献可
以忽略. 也就是说, 在甚低温下, 不考虑光学波对
热容的贡献是合理的.
从声子能量来说, 光学波声子的能量
很
大(大于短声学波声子的能量), 它对应振幅很大的
格波的振动, 这种振动只有温度很高时才能得到
激发.
因此, 在甚低温下, 晶体中不存在光学波.
在低温下, 德拜模型为什么与实验相符?
也就是说 没考虑声学波对热容的贡献，是爱因斯坦模 型在低温下与实验存在偏差的根源.
影响热容的因素： 1. 温度对热容的影响
高于德拜温度时，热容趋于常数，低于德拜温度时， 与(T / D)3成正比。 2. 键强、弹性模量、熔点的影响 德拜温度约为熔点的0.2—0.5倍。
3. 合金组份的影响 单个元素在合金中的热容和纯物质中一样，合金热 容等于每个组成元素与质量百分比的乘积之和
3. 无机材料的热容对材料的结构不敏感. 相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。
根据热容选材：
材料升高一度，需吸收的热量不 同，吸收热量小，热损耗小，同 一组成，质量不同热容也不同， 质量轻，热容小。
对于隔热材料，需使用轻质隔热 砖，便于炉体迅速升温，同时降 低热量损耗。
影响金属热容的因素
1. 自由电子对金属材料热容的贡献:
多孔材料质量轻， 体积热容小。例： 硅藻土，泡沫刚
材料物理性能-第一章 绪论
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。
无机材料物理性能
弹性模量：使物体产生伸长一倍变形量所需的应力上限弹性模量：两相通过并联组合得到混合系统的E 值称之~~下限弹性模量：两相通过串联组合得到混合系统的E 值称之~~粘弹性：某些非晶体或多晶体在应力较小时间时表现粘性弹性滞弹性：无机固体和金属的弹性模量依赖于时间的现象蠕变：当对粘弹性体施加恒定应力σ0时，其应变随时间而增加的现象弛豫：当施加恒定应变ε0在粘弹性体上，应力随时间而减小的现象。
影响蠕变的因素：1.温度2.应力3.显微结构的影响4.组成5.晶体结构塑性形变：指在一中外力移去后不能恢复的形变。
塑性形变的两种基本方式：滑移和孪晶声频支：相邻原子具有相同的振动方向光频支：相邻原子振动方向相反，形成了一个范围很小，频率很高的振动热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动的传向冷端，这个现象就称~~。
声子热导的机理：声子与声子的碰撞产生能量转移(声子：声频波的量子)介质损耗：电场作用下，单位时间内电介质因发热而损耗的电能抗热震断裂性：材料发生瞬时断裂，抵抗这种破坏的性能。
抗热震损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能。
热应力因子：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力双碱效应（中和效应）：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。
当两种碱金属浓度比适当时，电导率可以降到很低。
压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，可使玻璃电导率降低热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。
铁电体:能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近似。
稳定传热：物体内温度分布不随时间改变。
载流子的迁移率：载流子在单位电场中的迁移速率。
移峰效应：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互关系，使居里点向低温或高温方向移动。
无机材料物理性能
实际固体中弹性应变的产 生与消除需要有限时间。 固体和金属这种与时间有 关的弹性称为滞弹性。聚 合物的粘弹性可以认为仅 仅是严重发展的滞弹性。
粘弹性材料的力学性质与时间有关
蠕变：在恒定的应力时，材料的应变随时 间增长而增加的现象。 Ec(t)= 0 / (t)
无机材料物理性能
芶 立
教学方式与内容
教师讲授+课堂讨论+课后作业
Final exam(60%)+Practice(15%)+ Attendance(15%) + Discussion(10%)
考
核
:
教学内容: 突出基本概念、原理和关键点
重点：力学（塑性形变、微裂纹)/热学/光学/电学（介电） /磁学
•弹性模量E实际上和 原子间结合力曲线上 任一受力点的曲线斜 率有关。在不变外力 的情况下，tgα就反映 了弹性模量E的大小。 原子间结合力弱，如 图中曲 线 1，α1 较小， tgα1 较小，E1也就小； 原子问结合力强，如 图中曲线2，α2和tgα2 都较大，E2也就大。
两相系统中弹性模量的估算
先修课程：大学物理、理论力学、材料力学、材料科学基础
第一章 无机材料的受力形变
无机材料的应力、应变及弹性形变
应力 应变 无机材料的弹性变形行为 课堂讨论题: Al2O3片/Al片/硅橡胶受到 压力时,会有哪些现象?产生这些现象的原 因是什么?
无机材料的应力、应变及弹性形变
各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化， 称为形变。 应力: 单位面积上所受的内力
无机材料物理性能 完美版
/register.php?invitecode=7db8407acaii1hHt名词解释【力学】牛顿流体：受力后极易变形，剪切力跟速度梯度成正比符合牛顿定律的的流体；粘性系数：粘性：液体在流动时，在其分子间产生摩擦的性质，粘性大小用粘度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子；热稳定系数：材料承受温度急剧变化而不致破坏的能力，又称抗热震性；热冲击断裂性：材料发生瞬间断裂，抵抗这类破坏的性能；抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断扩展，最终破裂或变质，抵抗这类破坏的性能；静态疲劳(亚临界生长)：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也称亚临界生长或静态疲劳；动态疲劳：材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏；Griffith微裂纹理论：实际材料中总存在许多的细小裂纹或缺陷，在外力作用下这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂，故断裂不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果；【热学】声子：晶格振动能量的量子化单元hw称为声子，h为普朗克常数，w 为晶格振动的角频率，对应每一次晶格热振动，晶体内部产生或吸收一个声子，声子是虚拟粒子，是原子激发的形态之一；格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波；晶格热振动：晶体中原子以平衡位置为中心不停地振动，是产生热容、热膨胀等现象的物理基础；热膨胀系数：物体由于温度改变而有胀缩现象，其变化能力以等压下，单位温度所导致的体积变化来表示；能流密度：在一定空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所产生的某种能源的能量或功率，是评价能源的主要指标；热导率(热导系数)：是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位是w/m2.k；【电学】电流密度：描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，矢量，大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量，正电荷流动方向为正方向；电导率：介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度；即电阻率的倒数，物理意义表示物质导电性能；载流子迁移率：载流子在单位电场作用下的平均漂移速率，即载流子在电场作用下运动速度的快慢量度，运动越快迁移率越大；半导体施主能级：一个能级被电子占用时成中性，不被电子占据时带正电；受主能级：一个能级不被电子占据时成中性，被电子占据时带负电；西贝克效应(温差电动势效应)：由于两种不同的电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间电压差的热电现象，具体说：半导体材料的两端如果有温度差，则在较高温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域，当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等其方向相反时，就达到稳定状态，多数载流子扩散到冷端，产生△V/△T，结果在半导体两端就产生温差电动势；【介介电性质】正温度系数效应PTC：价控型BaTiO3半导体在居里点(正方相↔立方相相变点)附近，电阻率随温度而发生突变的现象，机理是几何半导体陶瓷晶界上具有表面能级，此表面能级可捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子损耗层，形成肖特基势垒，该势垒与介电常数有关，当温度高于居里点，介电常数剧减，势垒增加，电阻率增加；压敏效应：a.指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常之高，几乎无电流通过，超过该临界电压，电阻迅速降低，让电流流过。
材料物理性能--第一章
下面考察 OA和OB 之间夹角变化。
OA与OA之间的畸变夹角为：
u 同理，OB与OB之间的畸变夹角为 y 由此可见，线段 OA与OB之间原来的直角 AOB减少 v u 了 。 x y
v 1 v (v dx v) x dx x
因此，平面 xz与yz 之间的剪应变为：
在第三周期中(如Na，Mg，A1，Si等)弹性 模量随原子序数一起增大，这与价电子数 目的增加及原子半径的减小有关。周期表 中同一族的元素(如Be，Mg，Ca，Sr，Ba 等)，随原子序数的增加和原子半径的增大 弹性模量减小。可以认为，弹性模量E随原 子间距a的减小
过渡族金属表现出特殊的规律性，它们的 弹性模量都比较大(如Sc，Ti，V，Cr，Mn， Fe，Co，Ni等)，这可以认为是由于d-层电 子引起较大原子结合力的缘故。它们与普 通金属的不同处在于随着原子序数的增加 出现一个最大值，且在同组过渡族金属中 弹性模量与原子半径一起增大，这在理论 上还没有解释。
含有纤维的复合材料，在平行于纤维的方 向上受到张力的作用，引起纤维和基质同 样的伸长，如果基质和纤维的泊松比相同， 则复 合材料的弹性模量可由上式给出。因 为应变相同，所以主要的应力由弹性模量 大的纤维来承担。同时，估算金属陶瓷、 玻璃纤维、增强塑料以及在玻璃基体中含 有晶体的半透明材料的弹性模量是比较满 意的。
xy
大多数多晶材料虽然微观上各晶粒具有方向性， 但因晶粒数量很大，且随机排列，故宏观上可以当作 各向同性体处理。 对于弹性形变，金属材料的泊松比为 0.29~0.33 ， 无机材料为 0.2 ～ 0.25 。无机材料的弹性模量 E 随材料 不同变化范围大，约为109 ～ 1011Pa。
单晶及具有织构的材料或复合材料（用纤维增强）具
无机建筑材料 第一章建筑材料的基本性质
温度越高， λ越大(金属除外)
3. 热容量
材料加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，
称为热容量。大小用比热容（比热）表示
公式 Q=cm(T1－T2)
式中 Q－材料吸收或放出的热量（J） c－材料的比热(J/g·K) m－材料的质量（g） (T1 － T2) －材料受热或冷却前后的温差（K)
易熔材料：耐火度低于1350
。
耐烧材料与耐火材料
钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高热作
用会发生变形、熔融，所以虽然是非燃烧 材料，但不是耐火的材料
【观察与讨论】：孔隙对材料性质的影 响
某工程顶层欲加保温层，以下两图为两种材料的
剖面，见图。请问选择何种材料？
A 材料剖面
B
1.1.5 与声有关的性质
引起固体材料受迫振动而发出的声能。
采用不连续的结构处理
1.1.6 与光有关的性质
光吸收比 材料吸收的光通量与入射光通量之比。 光反射比 材料反射的光通量与入射光通量之比。 光透射比 透过材料的光通量与入射光通量之比。 透明性
材料的透明性也是与光线有关的性质。
既能透光又能透视的物体称为透明体； 只能透光不能透视的物体称为半透明体； 既不能透光又不能透视的物体称为不透明体。
常见热导率参数：
泡沫塑料 λ＝0.035
水 λ＝0.58 冰 λ＝2.2 空气 λ＝0.023 松木 λ＝1.17～0.35
大理石 钢材 混凝土
λ＝3.5 λ＝58 λ＝1.51
影响热导率的因素
材料内部的孔隙构造－密闭的空气使λ降 材料的含水情况－含水、结冰使λ增 材料的组成与结构
材料物理性能
材料物理性能第一章、材料的热学性能一、基本概念1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。
（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Qc ∆∆=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升高1K 所需要的热量。
[与物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ∂∂=13.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。
用Cm表示。
4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容：5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供给物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。
6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。
7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。
t l l l ∆=∆α0 8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。
t V V tt V ∂∂=1α9.热导率（导热系数）λ：在单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。
（标志材料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。
)q=-λ△T/△X 。
10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。
α=λ/ρc 。
α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。
α越大的材料各处的温度差越小。
适用于非稳态不稳定的热传导过程。
本质仍是材料传热能力。
）。
二、基本理论1.德拜理论及热容和温度变化关系。
答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。
⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数；②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波；③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类；④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位hν的整数倍。
⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。
1-《材料物理性能》-第一章-概论
30
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 。。。
15
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。
第一章第四节塑性变形及性能指标
材料物理性能---力学性能
位错是晶体中最为常见的缺陷之一
晶体在结晶时受到杂质﹑ 温度变化或振动产生的应力 作用，或由于晶体受到打击 ﹑切削﹑研磨等机械应力的 作用，使晶体内部质点排列 变形，原子行间相互滑移， 而不再符合理想晶体的有秩序的排列，由此形 成的缺陷称位错。位错是原子的一种特殊组态， 是一种具有特殊结构的晶格缺陷，因为它在一 个方向上尺寸较长，所以被称为线状缺陷。
材料物理性能---力学性能
刃型位错
设有一简单立方结构的晶体，在切应力 的作用下 发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出 现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷， 这就是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余 半原子面，所以称为刃型位错。位错线的上部邻近范 围受到压应力，而下部邻近范围受到拉应力，离位错 线较远处原子排列正常。通常称晶体上半部多出原子 面的位错为正刃型位错，用符号“┴”表示，反之为负 刃型位错，用“┬”表示。当然这种规定都是相对的。
C2
（1）形变时晶体中原子的位置
负荷作用前原子的位置
小负荷作用下的应变
高负荷作用下的应变
达到高负荷作用下的状 态除去负荷后原子的位置
（2）在剪应力作用下，原子的局部位移
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
材料物理性能---力学性能
金属与非金属晶体滑移难易的比较 金属 由一种离子组成 非金属 组成复杂
金属键无方向性
《无机材料物理性能》课后习题答案.doc
解:&) 4.909x10 《材料物理馅能》第一章材料的力学性能1.1 一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ,且拉伸变形后圆杆的体积不变，求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
F 4500 、—= ---------------- =995( MPa)A 4.524x1()2真应变勺=In上=In色=In 7 = 0.0816 1° A 2.42名义应力a = — = —- =917 (MP。
) —o名义应变 ^ = - = —-1=0.0851/。
A山计算结果町知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1- 5 —陶瓷含体积百分比为95%的A12O3(E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa),试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令Ei=380GPa,E2=84GPa,Vi=0.95,V2=0.05。
则有上限弹性模量=E}V{ +E2V2 = 380 X 0.95 +84 X 0.05 =365.2(GF Q)下限弹性模量曲=(4 +生尸=(性 + 些广=323.1(。
「。
)E] E2 380 84当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0. 05代入经验计算公式E=E o(l-1.9P+O. 9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293. 1 GPa。
1-11 一圆柱形MO]晶体受轴向拉力F,若其临界抗剪强度弓为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：由题意得图示方向滑移系统的剪切强度可表示为:Feos 53。
T = -------- ；— x cos 600.00152〃r f xO.00152^- 2nFmin = ---------------- = 3.17 x 103 (N)m,n cos 53° X cos 60°此拉力下的法向应力为：(7 =317xI0_xcos60° = L12xl08(P€/) = 112(A/P6Z) 0.00152^/cos 60°0.0 应变蠕变曲线 =25.62 〜28.64GF“ 1-6试分别画出应力松弛利应变蠕变与时间的关系示意图,并算出t 二0, t=g 和L 二T 时的纵 坐标表达式。
材料物理性能基础知识点汇总
<<材料物理性能>>基础知识点一，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。
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无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
正在发展中的几类材料：
•高温超导材料：高临界温度低（零）电阻材料
•中间化合物：两种或两种以上金属或类金属所形成的化合物 。
•功能陶瓷：光纤维，介电，光电，磁性材料 •特种高温结构材料：高温陶瓷，高分子材料
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围绕材料内部的一点P取一体积单元，体积元的六个面均垂直 于坐标轴x,y,z。在这六个面上的作用应力可分解为法向应力σxx， σyy，σzz和剪应力τxyτyz，τzx等，如图1.2。
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每个面上都有一个法向应力σ和两个剪应力τ。应力分量σ和τ 的下标第一个字母表示应力作用面的法线方向，第二个字母表示应 力作用的方向。
法向应力若为拉应力，则规定为正；若为压应力，则规定为负
。 剪应力分量的正负规定如下： 如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该 面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力 指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为正。根据 上述规定，图1.2上所表示的所有应力分量都是正的。 根据平衡条件，体积元上相对的两个平行面上的法向应力应该 是大小相等、正负号一样。 作用在体积元上任一平面上的两个剪应力应该互相垂直。根据 剪应力互等定理，τ xy=τ yx，余类推。故一点的应力状态由六个应力 分量决定，即σ xx,σ yy,σ zz和τ xy，τ yz，τ zx。
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上个世纪60年代初，美国学者首先提出材料科学这个名词。由于 材料的获得、质量的改进离不开生产工艺和制造技术等工程知识，故 把材料科学与工程相提并论，而称为“材料科学与工程”，新学科划 分为一级学科。
材料包括金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大材 料，近年又出现上述各材料组合而成的复合材料系列。 美国大学有关材料专业的变化趋势为： 1964年矿物与采矿专业9个，冶金专业31个，材料专业11个，其 他专业18个；而到1985年矿物与采矿专业5个，冶金专业17个，材料 专业51个，其他专业17个。 中国于上世纪70年代末，开始设立材料系或材料科学与工程系， 数目逐年增加，到上世纪末这两种名称的系、院已遍及各工科院校。
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无机材料的形变是重要的力学性能，与材料的制 造、加工和使用都有密切的关系。因此，研究无机材 料在受力情况下产生形变的规律是有重要意义的。
1.1.1应力
在分析形变时通常有应力的概念。应力的定义为
单位面积上所受内力，即
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本研究方向的建立，也为现在在外读博的年轻教师 回校后的继续研究工作创造良好的条件。
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材料科学与工程发展前沿：
结构材料的复合化：高强度（高比强度）、超硬度、 高韧性、耐超高温、梯度材料 信息材料的高度集成化：从1维集成向3维方向 发展
低维材料：0维-纳米材料，1维-纤维，2维-涂层、薄 膜
新材料发展方向：
•向深层加工发展；
•功能材料和器件材料的一体化； •智能材料:如记忆材料。
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材料科学与工程研究的重点：
新工艺、新技术和新合成方法的探索
组成、结构与性能的关系，特别是在接近使用条件 下的性能研究
重视高精度仪器和设备的发展 运用电子计算机开展研究
工艺流程 制备科学与工艺
工程材料
实际应用 新息 能源 交通运输 机械制造
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耐火材料的发展
•产品结构的发展
•装备水平的发展 •生产工艺的发展
•产业结构的发展
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1 无机材料的受力形变
1̣.1 无机材料的应力、应变及弹性形变
无机非金属材料2010级 法向应力导致材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的剪切畸变
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1.1.2应变
应变是用来描述物体内部的各质点之间的相对位移的。
如果材料是理想刚体，就不会有相对位移，物体也就不会发生 形变。实际材料为非刚体，在受力之下材料内部各质点之间会发生 相对位移。一跟长度为L0的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L1， 则应变的定义为： L L L
各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化， 称为形变。 不同材料的变形行为是不同的，如图1.1所示。
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绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线(a)所示，即在弹 性变形后没有塑行形变（或塑行形变很小），接着就是断裂，总 弹性应变能非常小，这是所有脆性材料的特征。对于延性材料， 如低碳钢，开始为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断 裂，总变形能很大，如图中曲线(b)所示。橡皮这类高分子材料具 有极大的弹性形变，如图中曲线(c)所示，是没有残余形变的材料 ，称为弹性材料。
xy
研究物体中一点（如O点）的应变状态，也和研究应力一样， 在物体内围绕该点取出一体积元dxdydz，如图1.3所示。
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如果该物体发生形变，O 沿x, y, z方向的位移分量为u, v, w，那么x 轴上O点邻近的一点A由于O点有位移u, A点位移随x 的增加而增加，A点位移将是，则OA的长度增加了。因此，在O 点处沿x 方向的正应变（单位伸长）是
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本研究方向在国际上属于新开发的研究领域，而塞
隆、阿隆及镁阿隆材料作为高温结构材料应用到钢铁冶 金工业只是近几年内的事。材料的合成理论有待于完善， 其应用领域有待于开发。 但是，非氧化物的高熔点、高强度、髙导热性、化 学稳定性好、抗热震性好，不被熔融金属润湿，具有优 良的抗熔渣侵蚀性能，为其预示出美好的应用前景。 因此，在该研究方向有大量高层次课题可以选择， 适合于硕士生、博士生的研究工作，也为材料学本科提 高知识层次。研究者可以撰写出理论水平较高的论文。
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材料学 课程的先修内容：
无机材料物理性能
工程力学，物理化学，材料结构基础，固体物理，测试方法， 硅酸盐工艺
无机材料物理性能研究方法：
• 经验方法，在大量实验数据的基础上经过对数据的分析处理 ，整理经验方程来表示它们的函数关系； • 微观分析方法：从反映物质本质的微观机理入手，利用原子间 的相互作用，点阵振动的波形方程，按物性的有关规律，建立物理 模型，用数学方法求解，得到理论方程式。 在材料性能的研究中，为了阐明材料的宏观构造和微观结构， 在各种性能的实验检测时，常常进行材料的微观形貌（透射电镜， 扫描电镜）及矿物相（x衍射）分析，以便取得物质结构和成分的 宏观及亚微观方面的直观验证。
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无机非金属材料简介
材料：材料就是用以制造有用物件的物质。 历史上人们把材料做为人类进步的里程碑： 如石器时代，铜器时代，铁器时代等。 到了20世纪60年代，人们把材料、信息与能源誉为当代文 明的三大支柱；70年代又把新型材料、信息技术和生物技术认 为是新技术革命的主要标志。表明材料的发展与社会文明的进 步有着十分密切的关系。 如从半导体到计算机；高强度、高温、超轻质结构材料到 现代航空、航天技术的发展。相反，由于光电转换材料的原因， 太阳能的利用没能得到充分利用。 近年来，髙临界温度氧化物超导体得发展，引起了全世界 科学界得关注，主要是因为超导材料可以推动科学技术产生飞 越性的进展。材料是一切科学技术的物质基础。
F A
0 F / A0
0
式中
F为外力，σ为应力，应力的单位为Pa，A为面积。 如果材料受力前的初始面积为A0，则σ0叫名义应力。实际上一
般都用名义应力。如果A为受力后的真实面积，则σ叫真实应力。但 对于形变总量很小的无机材料，二者数值上相差不大，只在高温蠕 变情况下，才有显著的差别。
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我校虽然专业名称扩大，但教学和科研方向重点大多仍然停留在 原来的冶金用耐火材料方向上，教学内容稍微增加了学时不多的陶瓷 、玻璃和水泥工艺。而其他兄弟院校及北科大、郑州大学建立了相应 的1000－3000万元的高温陶瓷研究所或省重点实验室。研究方向已经 向氧化物、非氧化物及其复合材料深层次的高温结构材料扩展。
非氧化物（SiC、B4C、ZrC、TiC、Si3N4、AlN、BN等）一直是现 代高温结构陶瓷的研究方向，其多元系统中的化合物或固溶体更是近 几年的研究热点。Si-Al-O-N系统中的SiAlON,AlON、MgAlON的固溶体 的热力学数据和相图还不完善，材料合成的热力学和动力学理论还不 十分清楚。将这些非氧化物应用到冶金高温结构材料只是近5－6年的 开发项目。 北京科技大学、郑州大学、武汉科技大学的无机非金属材料的硕 士、博士课题在该方向取得了优异的成果。
1
0
L0
L0
式中ε叫名义应变。如果上式中分母不是原来的长度L0，而是随拉伸 而变化的真实长度L，则真实应变定义为：
ture
L1 dL ln L0 L L0
L1
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