材料物理2010第2章9-2a
合集下载
材料科学基础_第2章_固体材料的结构
(2)不透明，具有金属光泽； (3)具有较高的强度和良好的延展性； (4)正的电阻温度系数。
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
材料力学简明教程(景荣春)课后答案第九章
解 设各杆与铅垂线夹角为 θ ，则由平衡的各杆的受力
130
3FN cosθ = F ， FN =
设钢管材料为 Q235，则
F F 2 .5 5 F = ⋅ = = 0.417 F 3 cos θ 3 2 12
= 269 > λp D2 + d 2 30 2 + 22 2 × 10 −3 π 2 EI π 3 E (D 4 − d 4 ) π 3 × 210 × 10 9 × (30 2 − 22 2 )× 10 −12 Fcr = = = = 9.37 kN 2 64 × 2.5 2 (μl )2 64(μl ) Fcr F 1 1 9.37 × 10 3 [F ] = = × = × = 7.49 kN 0.417 0.417 [n]st 0.417 3 i = =
2
127
比值差不多时较有利。 9-8 从稳定性的角度考虑，一般压杆截面的周边取圆形较为合理，但可以是空心或实 心的。如规定压杆横截面面积相同，则： (1) 从强度方面看，它们有无区别？为什么？ (2) 从稳定性方面看，哪一种截面形式较为合理？为什么？ (3) 如果空心圆形截面较合理的话，是否其内、外半径越大越好？ 答 (1) 从强度方面看，它们无区别。因为 σ = F / A 。 (2) 从稳定性方面看，空心截面形式较为合理，因空心截面惯性矩较大。 (3) 如果空心圆形截面较合理的话，其内、外半径不是越大越好，因为在面积一定的情 况下，内、外半径太大了会造成薄壁失稳。 9-9 如何进行压杆的合理设计？ 答 （1） 选择合理的截面形状； （2） 改变压杆的约束条件； （3）合理选择材料。 9-10 满足强度条件的等截面压杆是否满足稳定性条件？满足稳定性条件的压杆是否 满足强度条件？为什么？ 答 （1） 因为强度条件是 σ < [σ ] =
材料物理2
4比较压电，铁电、热释电，电致伸缩的区别与联系
答：电介质材料的电性包括介电性、压电性、铁电性和热释电性
压电性：某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力
铁电性：电偶极子由于它们的相互作用而产生的自发平行排列的现象
电致伸缩：使消磁状态的铁磁体磁化，一般情况下其尺寸，形状会发生变化，这种现象称为电致伸缩
填空。名词解释
1.声子：晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。
格波的特点：其传播介质并非连接介质。而是有院子，离子等形成的晶格。即晶格的振动模（格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波）
格里菲斯微裂纹理论：Griffith认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就会产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。这就是著名的Griffith微裂纹理论。
和激光发射有关的跃迁过程是：吸收，自发辐射和受激辐射。E1是基态，E2是激发态，电子在这二个能级中跃迁有能量变化。在自发辐射时，hv12的能量相同，但其位相和传播方向等各不相同，而在受激辐射时，hv12的所有特性如能量，位相和传播方向等都相同。
激光的辐射3个条件:①形成分布反转。使受激辐射占优势；②具有共振腔，以实现光量子放大；③至少达到阀值电流密度，是增益至少等于损耗。
答：离子松弛极化：若联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外电场，离子不能回到原来的平衡位置显然不可逆的迁移
离子位移极化：一对带有+—q电荷的离子，质量分别为M+M-，其中心相距为a，离子在电场的作用下，偏移平衡位置，形成一个感生偶极矩
半导体的激子吸收是如何形成的？（2）半导体激光器中，与激光辐射相关的三个能级跃迁过程是什么？（3）激光的辐射需要哪些条件？
材料物理学第2章-2PPT课件
2021/3/29
13
三、纳米表面工程
1.纳米表面工程的内涵
纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡 材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段, 对固体表面进行强化、改性、超精细加工,或赋 予表面新功能的系统工程。 纳米表面工程是在纳米科技产生和发展的背景 下，对固体表面性能、功能和加工精度要求越 来越高的条件下产生的。
2021/3/29
9
3.离子束技术
（1）离子注入材料表面改性 （2）等离子体源离子注入 （3）离子束沉积
一次离子束沉积
二次离子束沉积，或叫离子束溅射沉积
（4）离子束增强沉积
将离子注入和薄膜沉积两者融合为一体的材料表面改 性新技术。
离子束增强沉积技术可以提高膜与基体间的附着力， 改善膜的耐蚀性和耐用磨性，并能改变膜的应力提高 光学磁学性质。
2021/3/29
10
4.激光表面改性
激光表面改性始于20世纪80年代，其技术决定 于3个因素：激光类型、激光应用方式及所处 理材料的种类。 （1）激光表面热处理 激光使表面升温，达到退火和回火的目的。 （2）激光熔化处理 熔化后快速冷却，会产生非晶层或纳米结构
2021/3/29
11
激光辐照后将材料表面加热到熔点以上，并在 表面形成熔区（熔池）在光束停止辐照后，熔 体快速凝固导致材料表面组织和性能发生改变 的种工艺。 （1）激光熔凝 （2）激光非晶化 （3）激光熔覆 （4）激光表面合金化
2021/3/29
3
4.界面在复合材料中的作用
表面当淀积材料后就成为界面。
在复合材料中， 材料的复合是通过界面直接接 触实现的 ；
因此界面的微观结构和性质将直接影响其结合 力性质、粘合强度和复合材料的力学性能以及 物理功能；
材料力学第2章答案
问：（1）用这一试验机作拉断试验时，试样直径最大可达多大？
（2）若设计时取试验机的安全因数 n = 2 ，则杆 CD 的横截面面积为多少？
8
（3）若试样直径 d = 10 mm ，今欲测弹性模量 E ，则所加载荷最大不能超过多少？
解（1） σ
2-5 何谓失效？极限应力、安全因数和许用应力间有何关系？何谓强度条件？利用强度 条件可以解决哪些形式的强度问题？
答 失效（包括强度失效、刚度失效和稳定性失效）是指构件不能正常工作。 许用应力=极限应力/安全因数。 利用强度条件可以解决强度校核、截面设计和确定许用载荷等。
2-6 试指出下列概念的区别：比例极限与弹性极限；弹性变形与塑性变形；延伸率与正 应变；强度极限与极限应力；工作应力与许用应力。
α = 90° τ 90° = 0
2-5 图 示 拉 杆 沿 斜 截 面 m − m 由 两 部 分 胶 合 而 成 ， 设 在 胶 合 面 上 许 用 拉 应 力 [σ ] = 100 MPa ，许用切应力[τ ] = 50 MPa 。并设胶合面的强度控制杆件的拉力。问：
（1）为使杆件承受最大拉力 F ，角α 的值应为多少？ （2）若杆件横截面面积为 4 cm2，并规定α ≤ 60° ，确定许用载荷[F ] 。
∑ Fx = 0 ， FCx = 0
图（c）
∑ M D = 0 ， FC'y = 0
图（b）
∑ M B = 0 ， FN1 = 10 kN （拉）
∑ Fy = 0 ， FN2 = 20 kN （拉）
6
σ1
=
FN1 A1
=
4FN1 πd12
=
4 ×10 ×103 π ×102 ×10−6
= 127 MPa
（2）若设计时取试验机的安全因数 n = 2 ，则杆 CD 的横截面面积为多少？
8
（3）若试样直径 d = 10 mm ，今欲测弹性模量 E ，则所加载荷最大不能超过多少？
解（1） σ
2-5 何谓失效？极限应力、安全因数和许用应力间有何关系？何谓强度条件？利用强度 条件可以解决哪些形式的强度问题？
答 失效（包括强度失效、刚度失效和稳定性失效）是指构件不能正常工作。 许用应力=极限应力/安全因数。 利用强度条件可以解决强度校核、截面设计和确定许用载荷等。
2-6 试指出下列概念的区别：比例极限与弹性极限；弹性变形与塑性变形；延伸率与正 应变；强度极限与极限应力；工作应力与许用应力。
α = 90° τ 90° = 0
2-5 图 示 拉 杆 沿 斜 截 面 m − m 由 两 部 分 胶 合 而 成 ， 设 在 胶 合 面 上 许 用 拉 应 力 [σ ] = 100 MPa ，许用切应力[τ ] = 50 MPa 。并设胶合面的强度控制杆件的拉力。问：
（1）为使杆件承受最大拉力 F ，角α 的值应为多少？ （2）若杆件横截面面积为 4 cm2，并规定α ≤ 60° ，确定许用载荷[F ] 。
∑ Fx = 0 ， FCx = 0
图（c）
∑ M D = 0 ， FC'y = 0
图（b）
∑ M B = 0 ， FN1 = 10 kN （拉）
∑ Fy = 0 ， FN2 = 20 kN （拉）
6
σ1
=
FN1 A1
=
4FN1 πd12
=
4 ×10 ×103 π ×102 ×10−6
= 127 MPa
材料物理化学第2章全部
热力学第一定律在节流过程的应用
Q 0 U W U 2 U 1 p 1V 1 p 2V 2 U 2 p 2V 2 U 1 p 1V 1
def
H = U + pV
因此：H2=H1 。H称为焓，是新的热力学函数。
结论：
节流膨胀是恒焓过程，H＝0
焓的特点
1.理想气体焓只是温度的函数
材料物理化学
材料学院
课程简介－－重要、很难
课程地位：最重要的专业课之一 先修课程：高数、物理、大学化学 课程特点：理论性与实践性都很强
要求：概念、理解、交流
注重物理概念，搞清数学计算背后的含义
建立形象化的概念
记忆关键数据(为了深入认识概念) 掌握学习方法(概念的学习)
上课程序
U U U V T p T V V T T p
Cp与CV 的关系
C p CV H U T p T V U pV U T p T p T V U V V p V T T p T p
课后自学：可逆过程(§2.10第1小节)
问题背景－－25℃，初始2MPa，终了1MPa
结论：系统的始态与终态尽管相同，但W值却随 途径(过程)而变化。 W因此称为过程函数。
§2.10第1小节－－要点提示
分析对象：理想气体pg(perfect gas) 陈述方式：通过计算建立物理概念 自学目标：明确什么是可逆过程 自学思考题
本章参考书
( -1)
T2 V 2
( -1)
材料物理性能课件-第2章3节
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3 .4 快离子导体
2、立方稳定的氧化锆(CSZ)（自学）
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
作业
习题一(A) (P25)： 一、填空题: 1，2，3 二、选择题: 1，2
加上电场后, 沿电场方向, 位垒降低而反电场方向将提高 向右的势能将降低½zeEb=½Fb，向右边运动的几率
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
1、离子电导理论
电场方向上存在一平均漂移速度 v
电场强度足够低: V
足够强大电场存在: V 当电场强度为10 V/ cm 以上时, bF 才可与kT 相比较 由于电流密度j = nzeV,
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3 .4 快离子导体
有些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级, 故 通常称它们为快离子导体( FIC) 、最佳离子导体( optimized ionic conductor )或超离子导体( superionic conductor)
令
主讲:袁朝圣
则
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
1、离子电导理论
电阻率
多种载流子总电导率
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3.2 离子电导与扩散
离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。其扩散路径畅通, 离子扩 散系数就高, 因此导电率也就高。
能斯特-爱因斯坦( Nernst-Einstein)方程
材料物理性能-电学性能
讲授者 袁朝圣
QQ: 38987726 E_mail: zzyuancs@
(精品)材料物理龙毅版-2.1材料的导电性概述,金属材料的导电性
导体
半导体
绝缘体
2.能带理论的导电性
能带理论与量子自由电子理论比较
布里渊边界的影响---一价金属Cs
布里渊边界的影响---一价金属Cu
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
布里渊边界的影响---二价金属
二价金属的s能带与p能带发生能带重叠，价电子大部分填充在s能带 中，即第一布里渊区，少量电子填充p能带中，即第二布里渊区。
m mv
l=v为电子的平均自由程。
成功地推导出了导体的电导率，电子导电为主时，还可推出 导体电导率与热导率的关系。
但实际测得的电子平均自由程比理论估计的大得多。无法解 释高价金属导电性不如一价金属等问题。
严重的缺陷：它认为所有的自由电子都参与导电。没有认识 到金属中自由电子的能量、波矢或速度状态的量子化特征。
0 T
温度无影响； 合金元素及缺
陷影响
受温度影响； 合金元素及缺
陷无影响
斜率相同
d
dT
合金
=
d
dT
基体
合金元素以及晶体的缺陷的影响局限于ρ’0项，对ρ 随温度的变化没有影响
第二类合金
斜率不同
偏离马提申规则的合金材 料中，添加的合金元素不 仅影响合金的残余电阻率 ρ’0，同时也使合金的电 阻率随温度的变化率发生 改变。
(2)电离杂质散射
电离杂质的散射：施主杂质在电离后是一个带正电的离子， 而受主杂质电离后则是负离子。在正离子有或负离子周围形成 一个库仑势场，载流子 电离杂质相通而被散射的机会 也就越多。
➢温度:温度越高，载流子运动 速度越大，散射作用越弱。
2.2 金属材料的导电性
约有75种元素的晶体属于金属 他们组合成的合金种类繁多
材料力学第二章轴向拉伸与压缩习题答案
3-10图示凸缘联轴节传递的力偶矩为 ，凸缘之间用四个对称分布在 圆周上的螺栓联接，螺栓的内径 ，螺栓材料的许用切应力 。试校核螺栓的剪切强度。
解：
设每个螺栓承受的剪力为 ，则由
可得
螺栓的切应力
MPa MPa
∴螺栓满足剪切强度条件。
3-11图示矩形截面木拉杆的接头。已知轴向拉力 ，截面的宽度 ，木材顺纹的许用挤压应力 ，顺纹的许用切应力 。试求接头处所需的尺寸l和a。
解：
1．求支反力，作剪力图和弯矩图。
，
2．按正应力强度条件选择工字钢型号
由 ≤ ，得到
≥
查表选 14工字钢，其
， ，
3．切应力强度校核
满足切应力强度条件。
∴选择 14工字钢。
5-17图示木梁受移动载荷 作用。已知木材的许用正应力 ，许用切应力 ， ，木梁的横截面为矩形截面，其高宽比 。试选择此梁的横截面尺寸。
≤
可得 ≤ ①
D点受力如图(b)所示，由平衡条件可得：
CD杆受压，压力为 ，由压杆的强度条件
≤
可得 ≤ ②
由①②可得结构的许用载荷为 。
3-8图示横担结构，小车可在梁AC上移动。已知小车上作用的载荷 ，斜杆AB为圆截面钢杆，钢的许用应力 。若载荷F通过小车对梁AC的作用可简化为一集中力，试确定斜杆AB的直径d。
截面上的剪力和弯矩为： ，
2．求1-1横截面上a、b两点的应力
5-10为了改善载荷分布，在主梁AB上安置辅助梁CD。若主梁和辅助梁的抗弯截面系数分别为 和 ，材料相同，试求a的合理长度。
解：
1．作主梁AB和辅助梁CD的弯矩图
2．求主梁和辅助梁中的最大正应力
主梁：
辅助梁：
3．求 的合理长度
解：
设每个螺栓承受的剪力为 ，则由
可得
螺栓的切应力
MPa MPa
∴螺栓满足剪切强度条件。
3-11图示矩形截面木拉杆的接头。已知轴向拉力 ，截面的宽度 ，木材顺纹的许用挤压应力 ，顺纹的许用切应力 。试求接头处所需的尺寸l和a。
解：
1．求支反力，作剪力图和弯矩图。
，
2．按正应力强度条件选择工字钢型号
由 ≤ ，得到
≥
查表选 14工字钢，其
， ，
3．切应力强度校核
满足切应力强度条件。
∴选择 14工字钢。
5-17图示木梁受移动载荷 作用。已知木材的许用正应力 ，许用切应力 ， ，木梁的横截面为矩形截面，其高宽比 。试选择此梁的横截面尺寸。
≤
可得 ≤ ①
D点受力如图(b)所示，由平衡条件可得：
CD杆受压，压力为 ，由压杆的强度条件
≤
可得 ≤ ②
由①②可得结构的许用载荷为 。
3-8图示横担结构，小车可在梁AC上移动。已知小车上作用的载荷 ，斜杆AB为圆截面钢杆，钢的许用应力 。若载荷F通过小车对梁AC的作用可简化为一集中力，试确定斜杆AB的直径d。
截面上的剪力和弯矩为： ，
2．求1-1横截面上a、b两点的应力
5-10为了改善载荷分布，在主梁AB上安置辅助梁CD。若主梁和辅助梁的抗弯截面系数分别为 和 ，材料相同，试求a的合理长度。
解：
1．作主梁AB和辅助梁CD的弯矩图
2．求主梁和辅助梁中的最大正应力
主梁：
辅助梁：
3．求 的合理长度
工程材料知识点总结（全）
工程材料知识点总结（全）第二章材料的性能1、布氏硬度布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。
缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度（硬度少于450HB）。
2、洛氏硬度HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。
HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。
洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
缺点：测量结果分散度大。
3、维氏硬度维氏硬度所用载荷小，压痕浅，适用于测量零件表面的薄硬化层、镀层及薄片材料的硬度，载荷可调范围大，对软硬材料都适用。
4、耐磨性是材料抵抗磨损的性能，用磨损量来表示。
分类有黏着磨损（咬合磨损）、磨粒磨损、腐蚀磨损。
5、接触疲劳：（滚动轴承、齿轮）经接触压应力的反复长期作用后引起的一种表面疲劳剥落损坏的现象。
6、蠕变：恒温、恒应力下，随着时间的延长，材料发生缓慢塑变的现象。
7、应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。
第三章金属的结构与结晶1、晶体中原子（分子或离子）在空间的规则排列的方式为晶体结构。
为便于描述晶体结构，把每个原子抽象成一个点，把这些点用假想直线连接起来，构成空间格架，称为晶格。
晶格中每个点称为结点，由一系列原子所组成的平面成为晶面。
由任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。
组成晶格的最小几何组成单元称为晶胞。
晶胞的棱边长度、棱边夹角称为晶格常数。
①体心立方晶格晶格常数用边长a表示，原子半径为√3a/4，每个晶胞包含的原子数为1/8×8+1=2（个）。
属于体心立方晶格的金属有铁、钼、铬等。
②面心立方晶格原子半径为√2a/4，每个面心立方晶胞中包含原子数为1/8×8+1/2×6=4（个）典型金属（金、银、铝、铜等）。
③密排六方晶格每个面心立方晶胞中包含原子数为为12×1/6+2*1/2+3=6（个）。
第2章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题
刚性板
F´P B
1.2 m
FP B As Es
l l
铝制圆筒
刚性板
Aa Ea A
0.9 m
C FP F´P
FP
习题 2－3 图
解：1. 铝筒的压缩量： （其中 uA = 0）
l AB
2. 钢杆的伸长量：
FPl AB 60 103 1.2 0.935 mm Ea Aa 70 109 1.10 10 3
范钦珊教育教学工作室
FAN Qin-Shan’s Education & Teaching Studio
eBook
材料力学习题详细解答
教师用书
(第 2 章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题)
2013-8-8
1
习题 2－1 习题 2－2 习题 2－3 习题 2－4 习题 2－5 习题 2－6 习题 2－7 习题 2－8 习题 2－9 习题 2－10 习题 2－11 习题 2－12 习题 2－13 习题 2－14 习题 2－15 习题 2－16 习题 2－17 习题 2－18 习题 2－19
FP
FP
B
2FN
2FN
1－1截面和2－2截面
(c)
(b) (a)
习题 2－5 图 5
解：1. 受力分析 根据受力的对称性（如图所示）,得 F y 0 ， 4 FN cos FP
FN FP 4 cos 1200 10 3 960 960 2 420 2 3.275 10 5 N
习题 2－9 图
解：当小车开到 A 点时，AB 杆的受力最大，此时轴力为 FNAB 。 1. 受力分析 确定 AB 杆的轴力 FNAB ，受力如图所示， 由平衡方程
材料物理性能
第1章 绪论 章
意义： 意义：
1. 制造和发展功能材料的基础 2. 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。 对要求综合性能的结构材料而言，物理性能也是极为重要的。 航天飞机，热障涂层） （航天飞机，热障涂层） 3. 利用材料的物理性质变化探讨材料内部的微观情况是一个重要的 研究方法。 研究方法。 4. 非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）， 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）， 研究与组 织的关系， 织的关系，为合理制定生产工艺提供规律性的指导 5. 为确定产品的可靠性分析模型提供必要的物理性能
∆ρ = ∆ρ空位 + ∆ρ位错
、
Hale Waihona Puke 或∆ρ = Cε n
∆ρ = Aε n + Bε m
空位， 空位， 位错
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。 空位，间隙原子及它们的组合，位错使金属电阻增加。前二者的 作用远超过后者。 作用远超过后者。 空位：形变和高能粒子辐射中产生，淬火也可以产生，这时有： 空位：形变和高能粒子辐射中产生，淬火也可以产生，这时有：
第2章 材料的电性能 章
2.1.1 导电性基本规律及描述参量 相对电导率： 相对电导率：IACS% 定 义 ： 把 国 际 标 准 纯 软 铜 （ 在 室 温 20 度 ， 电 阻 率 为 0.01724 Ω .mm2/m）的电导率作为 ）的电导率作为100%，其它导体材料的 ， 电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电阻率。 电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电阻率。 思考题： ） 思考题： 2）IACS% 与S/m的换算关系 的换算关系 1）一根金属棒，电导率为3.5× 107 S/m, 长为 ）一根金属棒，电导率为 × 长为10m,电 电 阻值为0.08 ，求截面积。 求截面积。 阻值为
材料物理性能2章
冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态
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： 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？
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：电阻率下降（一般）
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-CrAl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
M
、
pM表示与温度有关的退火金属的电阻率， p`剩余电阻率，与温度无关
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
冷加工金属退火，可以回复到冷加 工前金属的电阻值。 晶格畸变，晶体缺陷导致电阻率增加 值为
空位 位错
、
C n
或
A n B m
电阻的本质
在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶 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。 晶格热振动（温度引起的离子运动振幅的变化）
令：1/l=μ为散射系数
材料物理性能2010-2011（2）A参考答案
材料物理性能2010-2011（2）A参考答案1、磁畴在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。
2、热流密度单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量称为热流密度。
3、技术磁化在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。
4、平均线膨胀系数物体在该温度范围内，温度平均每升高1个单位，长度的相对变化量。
5、磁致伸缩铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩。
6、磁晶能磁化强度分量沿不同晶轴方向的能量差代表了磁晶各向异性能，简称磁晶能。
1、一级相变有潜热，热容趋于无穷大，二级相变无潜热，热容有突变。
2、气体的传热是通过分子碰撞实现的，金属的传热通过自由电子和晶格振动实现，非金属晶体晶格振动是热传导的主要机制。
3、材料磁性产生是材料内部电子的自旋磁矩和轨道磁矩。
4、冷加工将引起金属电阻率增加，实验证明，空位对电阻的影响大于位错对电阻的影响。
5、钢经不同的热处理工艺得到的组织及其相组成具有不同的磁性，铁素体具有强铁磁性，Fe3C具有弱铁磁性，合金碳化物和残余奥氏体具有顺磁性。
6、形成磁畴是为了降低系统的能量，主要是降低退磁能和磁弹性能，当在夹杂空洞处磁通的连续性被破坏，势必出现退磁场和磁极。
分畴的基本动力是减少退磁能。
7、低温时效将使电阻升高，高温时效将使电阻降低。
8、体膨胀与定容热容成正比，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。
1、试用晶体能带理论说明元素的金属、半导体、绝缘体的导电性质。
（9分）答：对于金属，其元素通常存在着能带的重叠区，因此无论价带是半满的或是全满的情况下，价电子均有跃迁到高能级上去的余地，即价带顶部的一些电子容易被外电场加速，因而呈现出良好的导电性（3分）。
对于半导体，其能带结构特点也是价带为满带，满带和空带之间存在一个禁带，但禁带较窄。
在温度高于0K时，满带中有少量受热激活能跃迁到导带中去，因此在电场作用下呈现一定的导电性，但毕竟导带中的电子浓度很小，故只呈现半导体的导电性质（3分）。
相关主题
- 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)。
)
p0
NV
exp
(EF kBT
EV
)
(9 32) (9 36)
对n型半导体，Fermi能级位于禁带上半部，则EC-EFn<EFn-Ev， n0>p0，，电子为多数载流子，简称多子；则空穴为少子； 对p型半导体，Fermi能级位于禁带下半部，则EC-EFn>EFn-Ev， p0>n0，，空穴为多数载流子，简称多子；则电子为少子；
当半导体材料为n型时，热探针 （上电极）附近的电子热运动较 强，向下扩散，使得热探针附近 缺少电子，而下电极附近积累电 子，从而形成如图所示的电动势。
图９－9 热探针法测定导电 类型
由电子和空穴所产生的温差电动势 率的符号是相反的。
材料物理 上海大学
这里，NC为导带底的有效状态密度，NV为价带顶的有效状态密度
NC
2 h3
(2mnkBT )3/ 2
(9 33)
NV
2 h3
(2m
p
k
BT
)3
/
2
(9 37)
*参见黄昆固体物理340页
材料物理 上海大学
对于本征半导体，ni pi
(9 38)
ni
NC
图9-16 掺杂半导体的电导率随温度的变化(a)高掺杂；(b)低掺杂
低温区，本征激发弱，载流子主要由杂质离化提供； 随温度↑，晶格散射↑，略有下降； 温度继续升高，本征激发↑，本征载流子为主要载流子，使得两样 品趋于一致。
材料物理 上海大学
在金属和半导体中都可观察到热电效应。 利用半导体的热电效应可方便的测定半导体材料 的导电类型
J Drift qnvd
迁移率 v E
v
E
(9 46)
单位电场作用下载流子获得平均速度 引 入 迁
移率的
反映了载流子在电场作用下导电能力 概 念
J Drift qnvd qnE
电导率
J E
(nn
p p )q
(9 47)
材料物理 上海大学
影 响 迁 移 率 的 因 素： 各种散射作用，其中最重要的是晶格散射和杂质散射！
共价键：相邻的两个原子的 一对最外层电子（即价电子） 不但各自围绕自身所属的原 子核运动，而且出现在相邻 原子所属的轨道上，成为共 用电子，构成共价键。
在绝对温度T=0K时，所 有的价电子都被共价键紧紧束 缚在共价键中，不会成为自由 电子，因此本征半导体的导电 能力很弱，接近绝缘体。
材料物理 上海大学
dz
4V
2m h2
3
/
2
E
1 2
dE
则
g
(E)
4
2m h2
3
/
2
E
1 2
将上式中的电子质量代以有效质量mn和mp，则得到导带底与 价带顶附近的状态密度，即
4
gC (E) h3
2mn 3/ 2 (E EC )1/ 2
gV
(E)
4
++ + +
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关
材料物理 上海大学
复习：
▪ 1. Seeback效应与Peltier效应 ▪ 2.功函数是( )与( )之间的能量差。 ▪ 3. 本征半导体是( )、( )的半导体材料。 ▪ 4. 半导体的载流子是( )、( )。 ▪ 5. 半导体本征激发也称为热激发，同时产生( )
(9 28)
EC为导带底的能量； gC(E)：导带底附近的态密度，即导带底附近 单位能量间隔的量子态数
同理，平衡时的空穴浓度p0为：
p0
EV [1
f
(E)]gV
(E)dE
(9 34)
EV为价带顶的能量，gV(E)为价带顶附近的状态密度。
根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占
(
E k
EF BT
)
(9 30)
波矢空间k-k+dk状态数（考虑自旋）：
dz 2 V 4k 2dk (2 )3
根据自由电子能量： E 2k 2 2m
得到：
k2
2mE 2
,
dk 1 2
2m 2
E
1 2
dE
材料物理 上海大学
将k2,dk代入dz公式得到能量为E→E+dE之间的状态数：
ni/cm-3 ni/cm-3 (计算值) (测量值)
2.0×1013 2.4×1013 7.8×109 1.5×1010 材2料.3×物1理06 上1海.1×大1学07
室温下kBT约为0.026eV,则
EFi
EC
2
EV
(9 42)
所以，室温下本征Fermi能级近似位于禁带中央，将EFi代入 （9-39）、（9-40）得
、( )，两者数目( )。 ▪ 6. 本征半导体的费米能级处于()，载流子数目随
着禁带宽度增加而( )，随着温度上升而( )。 ▪ 7. p型半导体，多子是( )，少子是( )，费米能
级靠近( )。
材料物理 上海大学
复习：
▪ 8. n型半导体，多子是( )，少子是( )，费米能 级靠近( )。
▪ 9. 特定半导体的平衡电子和空穴浓度的乘积n*p= 常量，与掺杂( )，与温度( )。
ni
pi
(NC NV
)1/ 2
exp
Eg 2kBT
(9 43)
➢本征半导体的载流子浓度ni和pi将随禁带宽度Eg增加而指数下降。 ➢半导体中的本征载流子浓度随温度升高而指数上升------半导体的热敏性。
材料物理 上海大学
n0
NC
exp
(EC kBT
EF
电子空穴对的浓度
cm3
锗：2.5 1013
材料物理 上c海m大3 学
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
＋总电流
空穴 带正电荷 空穴流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
材料物理 上海大学
掺杂半导体
▪ 10. 某一半导体材料，室温下，本征半导体中 n0*p0=C1(已知量)，则该材料的本征半导体，室 温下的自由电子浓度为( )；若进行n型掺杂，n 型掺杂浓度为C2(已知量)，则此状态下少子的浓 度为( ).
材料物理 上海大学
9.2.3 迁移率和散射
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流
h3
2mp 3/ 2 (EV E)1/ 2
(9 31) (9 35)
材料物理 上海大学
将gC(E)和gV(E)代入平衡时的电子和空穴浓度公式，得到：
n0
NC
exp
(EC kBT
EF
)
(9 32)
p0
NV
exp
(EF kBT
EV
)
(9 36)
材料物理 上海大学
n型半导体
硅原子 +4
+4
多余电子
+4 +5
磷原子
+4
+4
电子空穴对 自由电子
n型半导体
+4
++ + +
++ + +
+4
++ + +
+4
施主离子
多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
材料物理 上海大学
2、ｐ型半导体
四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价 的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型 半导体，称 p 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级 在禁带中紧靠满带处，EA～10-2eV，极易产 生空穴导电。
同时，
n0
p0
NC NV
exp
Eg kBT
(9 44)
特定半导体材料的平衡电子和空穴浓度的乘积n0p0为一常数， 与掺杂无关，只与温度有关！
材料物理 上海大学
掺杂半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
n型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
各项 参数
Ge Si GaAs
Eg/eV
0.67 1.12 1.428
mn
mp
NC/cm-3
0.56m0 1.08m0 0.068m0
0.37 m0 0.59 m0 0.47 m0
1.05×1019 2.8×1019 4.5×1017
NV/cm-3
5.7×1018 1.1×1019 8.1×1018
据的概率为费米分布
f
(E)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
1 exp( E
EF
)
kBT