第一章-金属材料电学性能
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
第1章金属材料的性能与结构
1．晶体结构的基本知识
由于晶体原子排列呈周期性，因此， 可以从晶格中选取一个能够完全反应晶 格中原子排列特征的最小的几何单元， 来分析晶体中原子排列的规律性，这个 最小的几何单元称为晶胞 。
1．晶体结构的基本知识
晶格
晶胞
1．晶体结构的基本知识
Z c
α
β a
X a γ
b
Y
图1-9 晶胞的晶格常数和轴间夹角的表示法
（）
MPa
b
s
e
b
s
e
应变（%）
图1-2 单轴拉伸曲线示意图
2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 塑性是指金属材料在外力作用下，发生 永久变形而不破坏的能力。在工程中常用 塑性指标来判断金属材料的可成形性，常 用伸长率和断面收缩率来表征。 伸长率指试样在拉伸过程中，拉断标距长 度的延长值（见图1-1）与原始标距长度的 比值，即：
1.2.1 金属
在固态金属中，吸引力与排斥力的大 小以及它们的结合能量都随原子间距离 的变化而发生改变。这样就存在一个原 子间距，此时原子间相互排斥力与吸引 力相等，原子处于稳定平衡状态，该原 子间距即为平衡距离，这时原子之间的 结合能为最低，系统此时最稳定。
1.2.2 金属的晶体结构
1．晶体结构的基本知识 2. 常见金属的晶体结构 3. 晶面指数和晶向指数
第1章 金属材料的性能与结构
§1.1 金属材料的性能 §1.2金属的晶体结构
§1.3合金的相结构
1.1 金属材料的性能
金属材料是金属元素或以金属元素为 主构成的具有金属特性的材料的统称。 金属材料一般分为：黑色金属和有色 金属，黑色金属有钢、铸铁、铬、锰； 其他的金属，如铝、镁、铜、锌等及其 合金都为有色金属。 金属材料的性能包括：力学性能、物 理化学性能、工艺性能、经济性能等。
材料的电学性能ppt课件
• b)阳离子电荷，电价高，结合力大，因而活化能也大； • c)堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且
移动也要困难些，可导致较低的电导率。
整理ppt
29
整理ppt
30
• (3)晶体缺陷
• 具有离子电导的固体物质称为固体电解质，必须具备的条件： • a)电子载流子的浓度小。 • b)离子晶格缺陷浓度大并参与电导。故离子性晶格缺陷的生
单位时间内每一间隙离子沿电场方向的剩余跃迁次数为：
- P60exp (U0U)/kT 60exp(U0U)/kT
整理ppt
20
• 载流子沿电场方向的迁移速度V VP
•
• δ－相邻半稳定位置间的距离
• U－无外电场时的间隙离子的势垒（eＶ）
• 故载流子沿电流方向的迁移率为：
• •
E v62k0T qexpU0/kT
整理ppt
35
• • 氧敏感陶瓷
•
• 工 艺 上 ， 在 ZrO2 加 入 10 ～ 20%mol 比 的 CaO ， 在 1600℃以上烧结， 即可获得稳定化ZrO2。若加入了 15%mol比的CaO，其分子式为：Ca0.15Zr0.85O1.85， 这是不完整化学成分的晶体(相对于ZrO2而言)，氧离子 少了0.15个。结果，在晶体中，氧离子就很容易活动，
霍尔系数RH有如下表达式：
1
RH nie
对于半导体材料：
n型：
RH
1 nie
,
ni
电子浓度
p型：
RH
1 nie
,
ni
空穴浓度
整理ppt
8
②电解效应
材料物理性能及测试 教学大纲
材料物理性能及测试一、课程说明课程编号：060308Z10课程名称（中英文对照）：材料物理性能及测试/ Physical Properties and Measurement of Materials课程类别：选修/学科专业基础课程学时/学分：24/1.5先修课程：物理化学、晶体学基础、固体物理、近代物理基础适用专业：材料科学与工程专业本科生教材、教学参考书：（1）龙毅主编，材料物理性能，XX大学出版社，2009年（2）田莳等编，材料物理性能，北京航空航天大学出版社，2008年（3）邱成军等编，材料物理性能，哈尔滨工业大学出版社，2003年二、课程设置的目的意义材料物理性能课程是材料科学与工程专业的四年制本科生选修的一门专业基础课。
通过本课程的学习，使学生掌握金属材料的各种性能及其影响因素，培养学生测定各种性能的动手能力，及研制新材料、开发新产品、改善生产工艺技术、提高材料性能的能力。
三、课程的基本要求材料物理性能是材料科学与工程专业的一门重要的基础课程，课程的基本要求是：（1）要求学生能够掌握表征材料物理性能的各类本征参数的物理意义和单位，以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；能够运用所学到试验操作知识分析材料组成-结构-性能及其相互关系，并能运用相关的数学、自然科学知识对实验结果进行分析，得到合理有效的参数与结论。
（2）要求学生能够明确各类材料的性能与组成和结构的关系，掌握这些性能参数的规律；能够根据所学的专业知识对实验结果做出科学的解释，并能够对实验结果中的问题设计合理的解决方案。
四、教学内容、重点难点及教学设计本课程由金属材料的电学性能、热学性能及磁学性能构成。
主要内容为：概述，金属电阻及其影响因素，半导体，超导体，电性能的测试方法；材料的热熔、热膨胀；材料的导热性；材料的热电性、热稳定性；材料热导率的测量方法；磁性物理概述，原子和离子固有的磁矩，物质的抗磁性和顺磁性，铁磁性的分子场理论，亚铁磁性的分子场理论，铁磁体中的磁晶各向异性、磁致伸缩，磁畴与磁五、实践教学内容和基本要求本课程是一门工程性很强的学科基础课程。
工程材料与机械制造基础课后习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
热处理对金属材料的电学性能的影响
热处理对金属材料的电学性能的影响热处理是一种通过改变金属材料的结构和组织来改善其性能的方法。
在金属材料的制备和加工过程中，热处理是非常重要的一部分。
与此同时，金属材料的电学性能也是工程应用中需要考虑的关键因素之一。
本文将探讨热处理对金属材料电学性能的影响。
1. 电导率：电导率是指物质导电性能的一个重要指标。
金属材料的电导率与其晶体结构和电子迁移能力有关。
通过热处理可以改变金属材料内部的晶格结构，从而影响电子在材料中的移动行为。
例如，在固溶处理过程中，通过高温加热和淬火处理，可以使金属材料的晶格结构更加均匀，晶粒尺寸更小，从而增加金属材料的电导率。
2. 导电性能：除了电导率，导电性能也是评估金属材料电学性能的指标之一。
导电性能取决于材料中存在的自由电子数量以及电子在材料中传递的能力。
热处理可以通过晶界结构的调控来影响材料的导电性能。
晶界是晶格结构之间的边界，它对材料的电子传输起到重要的影响。
热处理可以提高晶界的稳定性和连续性，从而提高金属材料的导电性能。
3. 电阻率：电阻率是电学性能的重要指标之一。
与电导率相反，电阻率指的是材料对电流的阻碍能力。
通过热处理可以调控金属材料的晶界和晶粒大小，影响材料内部电子的传递行为。
通过合理的热处理过程，可以使金属材料的晶体结构更加致密，电子在材料中传递的路径更加复杂，从而增加金属材料的电阻率。
4. 电化学性能：金属材料的电化学性能是评估其在电解质中的电子传递和反应能力的指标。
热处理可以改变金属材料的表面性质，如晶粒的尺寸和形状，表面缺陷的状态等，从而影响金属材料的电化学性能。
例如，在热处理过程中，可以通过调控材料的渗碳层厚度和形成态结构来提高材料的耐蚀性能，降低材料的电极化速率。
综上所述，热处理对金属材料的电学性能有着重要的影响。
通过调控金属材料的晶粒结构、晶界结构和表面性质，可以改善金属材料的电导率、导电性能、电阻率以及电化学性能。
而实际工程应用中，根据具体的材料和电学性能需求，可以采取相应的热处理工艺，以满足不同工程应用对金属材料电学性能的要求。
金属材料的性能
金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。
金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。
一.机械性能（一）应力的概念物体内部单位截面积上承受的力称为应力。
由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）。
（二）机械性能金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。
金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：1.强度这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。
由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa σb=Pb/Fo式中：Pb–至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）；Fo–拉伸试样原来的横截面积。
（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。
产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。
材料的电性能
温度对金属电阻的影响
• 温度是强烈影响材料许多物理性能的外部因素。 由于加热时发生点阵振动特征和振幅的变化， 出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金 相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻的 变化显示出重要的影响。
• 从另一方面考虑．测量电阻与温度的关系乃是 研究这此现象和过程的一个敏感方法。
温度对金属电阻的影响
温度、缺陷对电阻的影响
• 在绝对零度下化学上纯净又无缺陷的金属，其 电阻等于零。随着温度的升高，金属电阻也在 增加。无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函 数，如图中曲线1所示。
• 如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那未 电阻与温度的关系曲线将要变化，如图中曲线 2和3所示。在低温下微观机制对电阻的贡献主 要由 残 表示。缺陷的数量和类型决定了 与缺陷有关的电阻。
电电 T
2
非过渡族金属电阻与温度的关系
过渡族金属和多晶型转变
• 过渡族金属中电阻与温度间有复杂的关系。 根据Mott的意见，这是存在几种有效值不 同的载体所引起的。由于传导电于有可能 从s壳层向d壳层过渡．这就对电阻带来了 明显的影响。此外在温度远小于德拜温度 时，s态电子对具有很大有效值的d态电子 上的散射变得很可观。总之，过渡族金属 的电阻可以认为是由一系列具有不同温度 关系的成分叠加而成。
从马西森定则可以看出在高温时金属的电阻基本上决定于而在低温时则决定于残余电既然残余电阻是电子在杂质和缺陷上的散射引起的那末的大小可以用来评定金属的电学纯度
材料的导电性能
概述 电子电导 离子电导 超导物理
概述
在许多情况下，材料的导电性能比力学 性能还重要。 • 导电材料、电阻材料、电热材料、半导 体材料、超导材料和绝缘材料等都是以 材料的导电性能为基础的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
❖ 电阻产生的本质
晶体点阵离子的热振动使电子波受到散射
晶体中的杂质原子、位错和点缺陷等使电子 波受到散射
对电子波产生了阻碍作用，降低了导电性， 这就是材料产生电阻的本质所在。
量子
n2em ffev2l
n2efm fe2t
n2efm fe2
电导率(-1m-1) 6.3107 6.0107 4.3107 3.8107 1.69107 1.38107 1.02107 1.4106 1.6107
材料 Ge SiC Si 耐火砖 滑石 云母 尼龙 石蜡 聚乙烯
电导率(-1m-1 ) 2.2 10
4.310-4 10-6 10-12 10-11
❖ 对于微观粒子的运动问题，需要利用量 子力学的概念来解决。
（二）量子自由电子理论
❖ 相同点：
金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与 离子间没有相互作用，且为整个金属所共有， 可以在整个金属中自由运动。
❖ 不同点：
金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原 子时的能量状态，而所有价电子按量子化规律 具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
二十一世纪世界各 国重点和优先发展
的技术是什么？
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！
绪论
性能
用途
成分
性质
结构
金属铁 金属铜 铝合金 半导体Si AlN等无机
绪论
强度、硬度高 导电性能好 比强度高 半导体特性
压电性
结构件 电线、电缆
航空航天 大规模集成电路 超声波元件，滤波器
绪论
❖ 材料的性能
指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时， 其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素 通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介 质、辐照等。
❖ 材料的物理性能
指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学 方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生 的变化。作用因素通常也以这些相应的物理量为 主。
E
❖ 在自由电子做定向运动过程中，会不断与正离子 发生碰撞妨碍电子加速运动，形成电阻。
❖ 从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平 均距离（自由程）为 l，电子平均运动的速度 为͞v，单位体积内的自由电子数为 n，则电导率为
ne2l ne2 t
2mv 2m
❖ m:电子质量 ❖ e:电子电荷
第一章 电学性能
❖ 主要内容
材料的导电性 影响金属导电性的因素 电阻分析应用
第一节 材料的导电性
一、电阻率和电导率
欧姆定律： U RI R表示导体的电阻： R L
S
电导率： 1
单位： (m) (-1m-1, S/m)
一些材料室温下的电导率
材料 Ag Cu Au Al Zn Ni Fe 304 不锈钢 70Cu-30Zn
10-12~10-10 10-15 <10-14
二、金属导电理论
经典自由电子理论 量子自由电子理论
能带理论
（一）经典自由电子理论
❖ 经典自由电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶 格点阵，并形成一个均匀电场，价电子是完全自由的， 可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容
器一样，因此可以把价电子看成“电子气”。
❖ t :两次碰撞之间的平均时间
ne2l ne2 t
2mv 2m
❖ 经典自由电子理论的不足之处
不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价 金属多，但导电性比一价金属差的原因
实际测量到的电子平均自由程比经典理论估 计的大很多
不能解释超导现象的产生
❖ 经典自由电子理论的问题根源
1. 忽略了电子之间的排斥作用 2. 忽略正离子点阵周期场的作用 3. 立足于牛顿力学的宏观运动
金属材料显微结构 与物理性能
——物理性能部分
金属材料显微结构与物理性能
❖ 总学时 48
金属材料显微结构 32 物理性能 16
❖ 考试所占比例
金属材料显微结构 ~67% 物理性能 ~33%
❖ 成绩构成
平时成绩 30% 考试成绩 70%
教材及参考资料
❖ 教材
陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，2006
外电场使向着其正端 运动的电子能量降低， 反向运动的电子能量 升高
部分能量较高的电子 转向电场正向运动的 能级，从而使正反向 运动的电子数不等， 使金属导电
只有处于较高能态的 自由电子参与导电
❖ 电阻的形成
电子波在传播过程中被离子点阵散射，然后 相互干涉而形成电阻。
❖ 超导体
量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过 一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射 而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的 导体，即所谓的超导体。
8 2m
E
h2
8 2m
K
2
自由电子的E-K曲线
❖ 粒子的观点
曲线表示自由电子的能 量与速度（或动量）之 间的关系
❖ 波动的观点
曲线表示电子的能量和 波数之间的关系。电子 的波数越大，则能量越 高。
❖ 费米能EF
0K时电子所具有的最高 能态，不同金属的费米 能不同
电场对E-K曲线的影响
❖ 外加电场的作用
材料性能的划分
复
化
力
物
杂
学
学
理
性
性
性
性
能
能
能
能
③②①化 性性性
⑤④③②①
摩刚韧延强
擦
磨 损
性
性
性
度
⑥⑤④③②① 辐磁电光声热 照学学学学学 性性性性性性 能能能能能能
本课程讲授内容
第一章、电学性能 第二章、磁学性能 第三章、光学性能 第四章、热学性质 第五章、弹性与滞弹性
+11
+11
❖ 电子具有波粒二象性，运动着的电子作为物质波 （德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动 量之间的关系为
h h
mv p
2 2 mv h
❖ m:电子质量 ❖ v :电子速度 ❖ :波长 ❖ p:电子动量
E 1 mv2 2
E8h22m228h22mK2
❖ h:普朗克常量
h 2 常数 K 2 波数
❖ 参考书
吴雪梅，材料物理性能与检测，科学出版社，2012 宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社，1981 刘强，材料物理性能，化学工业出版社，2009 陈登明，材料物理性能及表征，化学工业出版社，2013 郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，2008
绪论
①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