材料物理性能PPT课件
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材料物理性能(课件)
· 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
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
材料的性能PPT课件
1、布氏硬度HBW
压头 符号
淬火钢球 HBS
硬质合金球 HBW
范围 应用
HB≤450 退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料
HBW≤650 布氏硬度值≤650HBW的材料
优点：重复性强，测量误差小。具有较高的测量精度。数据稳定。 缺点：压痕大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于：较软材料，如铸铁、退火或正火钢及有色金属的硬度
e (c)
（a）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷） （b）有明显屈服点的塑性材料（如低碳钢）
（c）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、高碳钢）
2021
4
弹性模量E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。
EtgR(MP)a
e
弹性模量大小主要取决于材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加 工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状 来提高零件的刚度。
A > 5% 时，有颈缩，为塑性材料 ④用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。
生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一 般，A达5％或Z达10％的材料，即可满足大多数零件的使 用要求。
2021
8
（四）硬度
材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。 一般，硬度↑强度↑耐磨性↑塑性↓
在静载荷下
➢ 强度、塑性 ➢ 硬度：布氏硬度、洛氏硬度等 在冲击载荷下 ➢ 冲击韧度 在交变载荷下 ➢ 疲劳强度
载荷
2021
2
（一）弹性与刚度
应力R( ) = F/S0 应变e() = (l-l0)/l0
静 载 拉 伸 试 验 机
拉伸试样
2021
压头 符号
淬火钢球 HBS
硬质合金球 HBW
范围 应用
HB≤450 退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料
HBW≤650 布氏硬度值≤650HBW的材料
优点：重复性强，测量误差小。具有较高的测量精度。数据稳定。 缺点：压痕大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于：较软材料，如铸铁、退火或正火钢及有色金属的硬度
e (c)
（a）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷） （b）有明显屈服点的塑性材料（如低碳钢）
（c）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、高碳钢）
2021
4
弹性模量E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。
EtgR(MP)a
e
弹性模量大小主要取决于材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加 工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状 来提高零件的刚度。
A > 5% 时，有颈缩，为塑性材料 ④用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。
生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一 般，A达5％或Z达10％的材料，即可满足大多数零件的使 用要求。
2021
8
（四）硬度
材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。 一般，硬度↑强度↑耐磨性↑塑性↓
在静载荷下
➢ 强度、塑性 ➢ 硬度：布氏硬度、洛氏硬度等 在冲击载荷下 ➢ 冲击韧度 在交变载荷下 ➢ 疲劳强度
载荷
2021
2
（一）弹性与刚度
应力R( ) = F/S0 应变e() = (l-l0)/l0
静 载 拉 伸 试 验 机
拉伸试样
2021
第四章材料物理性能PPT课件
20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理 光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。
青铜镜
望远镜
.
5
光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。 一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人
带来的苦恼。
.
6
科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微 镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都 是由光学材料制造的光学零件。
1. 光在真空中沿着直线传播。光子进入材料，其能量将受到损失， 因此光子的速度将要发生改变,传播方向也发生变化即产生折射。 当光从真空进入较致密的材料时，其速度下降。
折射率:光在真空和在材料中的速度之比，称为材料的折射率n。
n真空/材料材 c料
光从材料l通过界面进人材料2时，与界面法线所形成的入射角为
.
9
u发光材料的进步,它给人类的生活带来了巨大的变化:如电视、 电脑等的显示，激光的应用。
u高纯、高透明的光纤的研制成功，使光通讯成为现实，并使 人们进入网络时代。
Sony-LED电视
.
10
光学信息是人类获得的最重要的信息，将光学信号转变为 电信号，以使得计算机帮助人类存储和处理信息，将是人 类科学进步的方向。
光学材料
.
8
玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料。 金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透 明的。 金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外 辐射腔内的镀层。 橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和 硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。 许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可 以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。 玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。
青铜镜
望远镜
.
5
光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。 一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人
带来的苦恼。
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6
科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微 镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都 是由光学材料制造的光学零件。
1. 光在真空中沿着直线传播。光子进入材料，其能量将受到损失， 因此光子的速度将要发生改变,传播方向也发生变化即产生折射。 当光从真空进入较致密的材料时，其速度下降。
折射率:光在真空和在材料中的速度之比，称为材料的折射率n。
n真空/材料材 c料
光从材料l通过界面进人材料2时，与界面法线所形成的入射角为
.
9
u发光材料的进步,它给人类的生活带来了巨大的变化:如电视、 电脑等的显示，激光的应用。
u高纯、高透明的光纤的研制成功，使光通讯成为现实，并使 人们进入网络时代。
Sony-LED电视
.
10
光学信息是人类获得的最重要的信息，将光学信号转变为 电信号，以使得计算机帮助人类存储和处理信息，将是人 类科学进步的方向。
光学材料
.
8
玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料。 金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透 明的。 金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外 辐射腔内的镀层。 橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和 硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。 许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可 以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。 玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。
第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT
v eEl / vme
j nev ne(eEl / vme ) (ne2l / vme )E
E
其中，电导率为： ne2l / vme = ne2t me
从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形 式，而且得到了电导率的表达式。
从电导率表达式知：电导率与自由电子的数量成 正比，与电子的平均自由程成正比。
22
❖ 容易想象温度越高，x2越大振幅愈大，振动愈激烈，因而对 周期场扰动愈甚，电子愈容易被散射，故有：散射几率p与x2 成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即电阻R与绝对温度T 成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的 困难。
一、电阻和导电的基本概念 ❖ 电阻率
❖ 电导率
电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它 们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征 材料导电性的尺度。
根据材料导电性能好坏，可把材料分为：
❖ 导体 : ρ＜10-5Ω•m
❖ 半导体 : 10-3Ω•m ＜ ρ＜ 109Ω•m
❖ 绝缘体 : ρ＞ 109Ω•m ❖ 不同材料的导电能力相差很大，这是由它们的结构
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求 尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括：导电性能、超导电性、介电性、铁 电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料 电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法 以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
第三章 材料的电学性能
在许多情况下，材料的导电性能比材料的力学性能还要重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和 绝缘材料都是以材料的导电性能为基础。
材料的性能PPT课件
切削参数
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对于金属的切削加工性有重要影响。合理的切削 参数可以提高加工效率、降低成本并延长刀具使用寿命。
06
材料性能的影响因素与改善途径
化学成分的影响
元素种类与含量
01
不同元素对材料性能有不同影响，如增加强度、硬度、耐腐蚀
性等。
合金化
02
通过添加合金元素，改善材料的力学性能、物理性能和化学性
电阻率
材料对电流的阻碍程度， 高电阻材料可用于绝缘体 等。
磁学性能
磁化率
磁导率
材料在磁场作用下的磁化程度，反映 材料的磁性。
材料对磁场的响应程度，高磁导材料 可用于电磁铁等。
矫顽力
去除磁场后，材料保持磁化状态的能 力。
光学性能
折射率
光线在材料中传播速度 与真空中传播速度的比 值，影响透镜等光学元
热学性能
01
02
03
热容
材料吸收或放出热量时， 温度变化的程度，反映材 料储存热能的能力。
热导率
材料传导热量的能力，高 导热材料可用于散热器等 。
热膨胀系数
材料在温度变化时，体积 或长度的变化程度。
电学性能
电导率
材料传导电流的能力，高 电导材料如铜、银等用于 导线。
介电常数
材料在电场作用下的极化 程度，影响电容器等电子 元件的性能。
塑性
金属材料在载荷作用下，产生塑 性变形（永久变形）而不破坏的 能力。
硬度与韧性
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 。
韧性
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。
疲劳与蠕变
疲劳
材料在交变应力作用下发生的性能变化。
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对于金属的切削加工性有重要影响。合理的切削 参数可以提高加工效率、降低成本并延长刀具使用寿命。
06
材料性能的影响因素与改善途径
化学成分的影响
元素种类与含量
01
不同元素对材料性能有不同影响，如增加强度、硬度、耐腐蚀
性等。
合金化
02
通过添加合金元素，改善材料的力学性能、物理性能和化学性
电阻率
材料对电流的阻碍程度， 高电阻材料可用于绝缘体 等。
磁学性能
磁化率
磁导率
材料在磁场作用下的磁化程度，反映 材料的磁性。
材料对磁场的响应程度，高磁导材料 可用于电磁铁等。
矫顽力
去除磁场后，材料保持磁化状态的能 力。
光学性能
折射率
光线在材料中传播速度 与真空中传播速度的比 值，影响透镜等光学元
热学性能
01
02
03
热容
材料吸收或放出热量时， 温度变化的程度，反映材 料储存热能的能力。
热导率
材料传导热量的能力，高 导热材料可用于散热器等 。
热膨胀系数
材料在温度变化时，体积 或长度的变化程度。
电学性能
电导率
材料传导电流的能力，高 电导材料如铜、银等用于 导线。
介电常数
材料在电场作用下的极化 程度，影响电容器等电子 元件的性能。
塑性
金属材料在载荷作用下，产生塑 性变形（永久变形）而不破坏的 能力。
硬度与韧性
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 。
韧性
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。
疲劳与蠕变
疲劳
材料在交变应力作用下发生的性能变化。
第二章材料物理性能 ppt课件
(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
《材料物理性能干货》PPT课件
2、 电子交换积分A>0 充分条件
Rab 3 r
——
（ 具有一定晶体结构）
为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性？
1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；
2）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；
3）当温度升高到T>Tc ，自发磁化不存在，铁磁性转变为 顺磁性。
4、 铁磁性物质的基本特征
（3-1）
I Q nqls n qs tt
j I n q nq E （3-2）
s
如何理解材料的电导现象 必须明确几个问题☺
☺参与迁移的是哪种载流子——有关载流子类别 的问题 carrier sort
☺载流子的数量有多大——有关载流子浓度、载 流子产生过程的问题 carrier density
☺载流子迁移速度的大小——有关载流子输运过
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)
s＜0的则称为负磁致伸缩。负磁致伸缩则是沿场磁 化方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这 一类。
磁性材料
B
软磁材料的特征
•具有较高的磁导率和较高的饱和 磁感应强度；
oH
• 较小的矫顽力（矫顽力很小，
即磁场的方向和大小发生变化时
磁畴壁很容易运动）和较低磁滞
损耗，磁滞回线很窄；
软铁、坡莫合金、硒钢片、铁
•
在磁场作用下非常容易磁化；
铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小，
• 取消磁场后很容易退磁化
适合用在交变磁场中，如变压
器铁芯、继电器、电动机转子
、定子都是用软件磁性材料制
成。
磁性材料
(二) 硬磁材料
硬磁材料又称永磁
材料，难于磁化又难于退磁。
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许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的 综合性能，假设足够高的强度可以通过冷加工获得，也可以 由固溶强化获得，从电导角度看，采用哪种方式？为什么？
20
【案例-材料设计】导电材料的选择和设计 电导材料是现代工业必不可少的材料。一般导电合金选
材和设计的核心物理性能参数是电导率（电阻率）；其次有 一定的强度要求。
7
3) 金属熔化时，电阻增高1.5-2倍， 金属原子规则排列遭到破坏，增 加了对电子散射。 K，Na正常 Sb反常，共价键变为金属键 铁磁性金属有时发生反常。 Tc: 居里点 铁磁性金属内d及s壳层电子云相 互作用的特点决定的
8
2.2.3 电阻率与压力的关系
在流体静压下，大多数金属电阻率 是下降的：
1) 一般来说，温度越高，电阻率越大。在温度高于室温 情况下
t 0 (1 T )
为电阻温度系数：
t
0
0T
纯金属： =4×10-3/℃ ,
铁磁性金属，
Fe为6×10-3/℃ ，
Co为6.6×10-3/℃ ，
Ni为6.2×10-3/℃
6
2）金属电阻率在不同范围内与温度变化的关系不同
Al等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。 组元原子在晶体内不均匀分布-----内部原子的聚集---增加原子的散
射几率----电阻升高 冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态
19
2.2.5 固溶体的电阻率
小结： 缺陷，杂质，第二组元可以考虑为“缺陷”， 一般而言，
均匀分布的缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多， 电阻率上升更多。 问题：
15
马西森定律
0
0
、 C
a b(Z)2
:1%(原子百分比）杂 质引起的附加电阻率
Z:溶剂和溶质原 子化合价之差
16
材料 纯铜 黄铜
锡青铜 铝青铜 硅青铜 锰青铜
白铜
表铜合金的性能
组成
Cu Cu-Zn Cu-Sn Cu-Al Cu-Si Cu-Mn Cu-Ni
马西森定律： 、 M
M表示与温度有关的退火金属的 电阻率， 剩余电阻率，与温度无关 冷加工金属退火，可以回复到冷加工前 金属 的电阻值。
11
晶格畸变，晶体缺陷导致电阻率增
加值为
C n
空位、 位错
A n B m
空位 位错
P 0 (1 P)
正常金属： Fe, Co, Ni, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, 反常金属： 碱金属，稀土 Ca, Sr, Bi, Sb 有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。 原因：金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和 能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率是下降的。
材料物理性能
1
2.2 电子类载流导电
2.2.1 金属导电机制
载流子为自由电子 经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。
电子的平均自由程
ne l n为电子的密度 2
mv
n为电子的平均速度
m为电子的质量
2
量子理论，两点基本改进: nef 表示单位体积内实际参加热传导的电子数,即费米面
能级附近参加电传导的电子数 m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果
2.2.5 固溶体的电阻率
形成固溶体的电阻率的变化. 现象：形成固溶体时，合金导电性降低。 机理： 加入溶质原子----溶剂的晶格发生扭曲畸变----破坏了晶 格势场的周期性-----增加了电子散射几率 固溶体组元的化学相互作用 一般 电阻率最大在50%处，铁磁性及强顺磁性金属组成的 固溶体有异常。
m，n在0-2之间变化。
空位，间隙原子及它们的组合，位错都使金属电阻增加。前二者 的作用远超过后者。
12
2019/9/20
13
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
空位的产生：（1）形变；（2）高能粒子辐射中产生；（3） 淬火也可以产生。 位错：位错引起的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系
14
nef e2l f m*v f
实际导电的载流子为费米面附近的自由电子！
3
电阻的本质
在绝对零度，在具有严格周期性的理想晶体中的电子和 空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样，电子 运动时不受阻力，迁移率为无限大。
理想晶体中晶体点阵的周期性受到破 坏时，才产生阻碍电子运动的条件。 （1）晶格热振动（温度引起的离子 运动振幅的变化） （2）杂质的引入
热膨胀系数 ×10-6/℃ 17.0
18.1-19.8
17.5-19.1 17.1-18.2 16.1-18.5
20.4 17
热导率 W/(m·K) 388-399
29-60
12-20 60-100 37-104
108 130
电导率 IACS％ 95-101
30-57
9-18 8-17 10-28 6-16 20
17
2.2.5 固溶体的电阻率
有序合金的电阻率： • 组元的化学作用加强---导电电子数下降---电阻率增加 • 晶体离子势场更对称---电子散射的几率下降---电阻率下降 综合作用：电阻率比无序状态下降（一般）
18
2.2.5 固溶体的电阻率
不均匀固溶体的电阻率： K状态：在合金元素中含有过渡金属的， Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-
位错及点缺陷 在电子电导的材料中，电子与点 阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是 电子运动受阻的本质原因。
4
1. 温度 温度升高，离子振幅愈大，电子愈易受到散射，正比关系
2. 杂质存在，使金属正常结构发生变化，引起额外的散射 3. 马西森定律：
与杂质浓度有关，与温度有关 有温度无关
5
2.2.2 电阻率与温度的关系
结合金属材料的导电性，银、铜和铝具有较高的电导率。 考虑成本，一般选用铝，其次是铜。关于强度，可以采用形 变强化和合金化的提高强度。
9
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
纯金属： 冷加工后纯金属的电阻率增加2%-6%， W的电阻增加30%，Mo增加15-20%
固溶体： 一般增加10%-20% 有序固溶体：100%
反常：Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, FeCr-Al等形成K 状态，电阻 率降低。
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机 理： 冷变形-----晶格畸变---增加电子散射几率-----导致电阻率增加
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【案例-材料设计】导电材料的选择和设计 电导材料是现代工业必不可少的材料。一般导电合金选
材和设计的核心物理性能参数是电导率（电阻率）；其次有 一定的强度要求。
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3) 金属熔化时，电阻增高1.5-2倍， 金属原子规则排列遭到破坏，增 加了对电子散射。 K，Na正常 Sb反常，共价键变为金属键 铁磁性金属有时发生反常。 Tc: 居里点 铁磁性金属内d及s壳层电子云相 互作用的特点决定的
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2.2.3 电阻率与压力的关系
在流体静压下，大多数金属电阻率 是下降的：
1) 一般来说，温度越高，电阻率越大。在温度高于室温 情况下
t 0 (1 T )
为电阻温度系数：
t
0
0T
纯金属： =4×10-3/℃ ,
铁磁性金属，
Fe为6×10-3/℃ ，
Co为6.6×10-3/℃ ，
Ni为6.2×10-3/℃
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2）金属电阻率在不同范围内与温度变化的关系不同
Al等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。 组元原子在晶体内不均匀分布-----内部原子的聚集---增加原子的散
射几率----电阻升高 冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态
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2.2.5 固溶体的电阻率
小结： 缺陷，杂质，第二组元可以考虑为“缺陷”， 一般而言，
均匀分布的缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多， 电阻率上升更多。 问题：
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马西森定律
0
0
、 C
a b(Z)2
:1%(原子百分比）杂 质引起的附加电阻率
Z:溶剂和溶质原 子化合价之差
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材料 纯铜 黄铜
锡青铜 铝青铜 硅青铜 锰青铜
白铜
表铜合金的性能
组成
Cu Cu-Zn Cu-Sn Cu-Al Cu-Si Cu-Mn Cu-Ni
马西森定律： 、 M
M表示与温度有关的退火金属的 电阻率， 剩余电阻率，与温度无关 冷加工金属退火，可以回复到冷加工前 金属 的电阻值。
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晶格畸变，晶体缺陷导致电阻率增
加值为
C n
空位、 位错
A n B m
空位 位错
P 0 (1 P)
正常金属： Fe, Co, Ni, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, 反常金属： 碱金属，稀土 Ca, Sr, Bi, Sb 有时大的压力使材料由半导体和绝缘体变为导体。 原因：金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和 能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率是下降的。
材料物理性能
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2.2 电子类载流导电
2.2.1 金属导电机制
载流子为自由电子 经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。
电子的平均自由程
ne l n为电子的密度 2
mv
n为电子的平均速度
m为电子的质量
2
量子理论，两点基本改进: nef 表示单位体积内实际参加热传导的电子数,即费米面
能级附近参加电传导的电子数 m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果
2.2.5 固溶体的电阻率
形成固溶体的电阻率的变化. 现象：形成固溶体时，合金导电性降低。 机理： 加入溶质原子----溶剂的晶格发生扭曲畸变----破坏了晶 格势场的周期性-----增加了电子散射几率 固溶体组元的化学相互作用 一般 电阻率最大在50%处，铁磁性及强顺磁性金属组成的 固溶体有异常。
m，n在0-2之间变化。
空位，间隙原子及它们的组合，位错都使金属电阻增加。前二者 的作用远超过后者。
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2019/9/20
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2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
空位的产生：（1）形变；（2）高能粒子辐射中产生；（3） 淬火也可以产生。 位错：位错引起的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系
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nef e2l f m*v f
实际导电的载流子为费米面附近的自由电子！
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电阻的本质
在绝对零度，在具有严格周期性的理想晶体中的电子和 空穴的运动像理想气体分子在真空中的运动一样，电子 运动时不受阻力，迁移率为无限大。
理想晶体中晶体点阵的周期性受到破 坏时，才产生阻碍电子运动的条件。 （1）晶格热振动（温度引起的离子 运动振幅的变化） （2）杂质的引入
热膨胀系数 ×10-6/℃ 17.0
18.1-19.8
17.5-19.1 17.1-18.2 16.1-18.5
20.4 17
热导率 W/(m·K) 388-399
29-60
12-20 60-100 37-104
108 130
电导率 IACS％ 95-101
30-57
9-18 8-17 10-28 6-16 20
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2.2.5 固溶体的电阻率
有序合金的电阻率： • 组元的化学作用加强---导电电子数下降---电阻率增加 • 晶体离子势场更对称---电子散射的几率下降---电阻率下降 综合作用：电阻率比无序状态下降（一般）
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2.2.5 固溶体的电阻率
不均匀固溶体的电阻率： K状态：在合金元素中含有过渡金属的， Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-Cr-
位错及点缺陷 在电子电导的材料中，电子与点 阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是 电子运动受阻的本质原因。
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1. 温度 温度升高，离子振幅愈大，电子愈易受到散射，正比关系
2. 杂质存在，使金属正常结构发生变化，引起额外的散射 3. 马西森定律：
与杂质浓度有关，与温度有关 有温度无关
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2.2.2 电阻率与温度的关系
结合金属材料的导电性，银、铜和铝具有较高的电导率。 考虑成本，一般选用铝，其次是铜。关于强度，可以采用形 变强化和合金化的提高强度。
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2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
纯金属： 冷加工后纯金属的电阻率增加2%-6%， W的电阻增加30%，Mo增加15-20%
固溶体： 一般增加10%-20% 有序固溶体：100%
反常：Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, FeCr-Al等形成K 状态，电阻 率降低。
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机 理： 冷变形-----晶格畸变---增加电子散射几率-----导致电阻率增加