01材料物理性能
材料物理性能课后习题答案 北航出版社 田莳主编
材料物理习题集第一章固体中电子能量结构和状态（量子力学基础）1. 一电子通过5400V电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3）计算它对Ni晶体（111）面（面间距d=2.04×10-10m）的布拉格衍射角。
（P5）2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的，请分别写出n=3的所有电子的四个量子数的可能组态。
（非书上内容）3. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级的能量比费米能级高出多少k T？（P15）4. 已知Cu的密度为8.5×103kg/m3，计算其（P16）5. 计算Na在0K时自由电子的平均动能。
（Na的摩尔质量M=22.99，）（P16）6. 若自由电子矢量K满足以为晶格周期性边界条件和定态薛定谔方程。
试证明下式成立：e iKL=17.8. 试用布拉格反射定律说明晶体电子能谱中禁带产生的原因。
（P20）9. 试用晶体能带理论说明元素的导体、半导体、绝缘体的导电性质。
答：（画出典型的能带结构图，然后分别说明）10. 过渡族金属物理性质的特殊性与电子能带结构有何联系？（P28）答：过渡族金属的d带不满，且能级低而密，可容纳较多的电子，夺取较高的s带中的电子，降低费米能级。
补充习题1. 为什么镜子颠倒了左右而没有颠倒上下？2. 只考虑牛顿力学，试计算在不损害人体安全的情况下，加速到光速需要多少时间？3. 已知下列条件，试计算空间两个电子的电斥力和万有引力的比值4. 画出原子间引力、斥力、能量随原子间距变化的关系图。
5. 面心立方晶体，晶格常数a=0.5nm，求其原子体密度。
6. 简单立方的原子体密度是。
假定原子是钢球并与最近的相邻原子相切。
确定晶格常数和原子半径。
第二章材料的电性能1. 铂线300K时电阻率为1×10-7Ω·m，假设铂线成分为理想纯。
试求1000K时的电阻率。
（P38）2. 镍铬丝电阻率（300K）为1×10-6Ω·m，加热到4000K时电阻率增加5%，假定在此温度区间内马西森定则成立。
材料物理性能课件第二章能带理论
3
光电子器件性能分析
能带理论用于分析光电子器件的性能，如LED、 激光器等，有助于优化其性能参数。
在能源科学中的应用
新能源材料设计
能带理论在新能源材料的设计中 发挥了重要作用，如太阳能电池
、燃料电池等。
能源转化与存储
03
电子填充
根据泡利不相容原理，每个能带只能填充有限个电子， 而电子填充的方式决定了材料的物理和化学性质。
能带理论的重要性
01
02
03
预测材料性质
通过能带理论，可以预测 材料的电子结构和性质， 如导电性、光学性质等。
指导材料设计
能带理论为材料设计提供 了理论基础，帮助科学家 了解材料性能的来源和变 化规律。
揭示新现象
能带理论的发展和应用， 不断揭示出新的物理现象 和材料特性，推动了科学 技术的发展。
能带理论的发展历程
初创期
能带理论起源于20世纪初的金属电子 论，初步建立了固体电子结构的理论 基础。
发展期
成熟期
现代计算技术和计算机模拟的进步， 使得能带理论在材料科学、物理学等 领域得到广泛应用，成为研究材料性 能的重要工具。
半导体能带结构
03
半导体的导电性
电子导电
在半导体中，部分电子可 以获得足够的能量越过禁 带，形成自由电子，在电 场作用下参与导电。
空穴导电
当价电子被激发到导带时 ，会在价带中留下空穴， 空穴也可以参与导电。
离子导电
在某些半导体中，离子的 迁移也是导电的主要方式 。
半导体的光电效应
光电导效应
当光照射在半导体表面时，光子能量 大于禁带宽度的部分光子可以激发电 子从价带跃迁到导带，产生自由电子 和空穴，从而改变半导体的导电性。
材料物理性能讲义
Ω Ω* = (2π)3
Rl • Kn = 2π(n1l1 + n2l2 + n3l3) = 2πm, m 为整数。
(2.5)
图 2.3 二维六角点阵的魏格纳-赛茨元胞(Wigner-Seitz 原胞)。
4
由于元胞是组成点阵的最小重复单元，根据点阵中每个格点附近环境的自相 似性即平移对称性我们可以推断， 只要在一个元胞内研究材料的物理特性就代表 研究了整个点阵结构的物理特性，为此我们定义一特殊的高对称元胞，它包含了 晶 格 点阵 点群 的 全部对 称 性。 这一 特 殊的高 对 称性 元胞 称 为魏格 纳 - 赛 茨
2π ( a 2 × a3 ) Ω 2π b2 = (a3 × a1 ) Ω 2π b3 = (a1 × a2 ) Ω b1 =
(2.3)
其中Ω = a1 • (a2 × a3)是正点阵元胞的体积。 在倒点阵中任一格点的位置矢可表示 为： Kn = n1b1 + n2b2 + n3b3
(2.4)
其中 n1, n2, n3 是整数，倒点阵元胞的体积为Ω* = b1 • (b2 × b3)，且存在以下关系
图 2.4 从分立的原子轨道到固体能带结构的转变。
要理解固体的能带结构首先要从原子的电子轨道讲起，因为固体的能带归根 结底起源于原子的轨道能级。 根据量子力学，原子中带负电的电子绕带正电的原 子核运动，其轨道能量是不连续、分立的，如图 2.4 所示。在一定条件下如原子 间存在相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的电子轨道(即波函数)， 可以进行线性组合， 重新分配能量和确定空间方向， 组成数目相等的新电子轨道，
《材料物理化学性能》 物理性能部分
邓振炎 上海大学物理系 (电话：66134334，邮箱：zydeng@)
第一章材料物理性能绪论.ppt
三、研究材料疲劳裂纹的扩展
四、研究淬火钢的回火
ρ
110 230 300
t(℃)
第五节导体合金及精密电阻
一、导体合金 Ag：ρ=1.47μΩ•cm
Cu：ρ=1.724μΩ•cm
AL：ρ=2.61μΩ•cm
二、精密电阻合金
锰铜 86Cu-12Mn-2Ni 康铜 Cu-40Ni-1.5Mn 新康铜 82.5Cu-12Mn-1.5Fe 新锰铜 67Mn-33Cu 三、加热合金
第六节影响电阻的因素
一、温度 二、应力 三、组织结构 塑性变形 热处理 四、合金元素及相结构 固溶体 有序化
第一章 电阻分析
第一节金属的导电性及其物理本质 一、金属的导电性
导体σ=104～108 （c/s） 半导体σ=10-7～104 （c/s） 绝缘体σ=10-8～10-18 （c/s）
二、金属导电的物理本质
1.经典电子理论
σ=ne2t/（2m） 2.量子自由电子理论
neff2 1 σ=
2m μ μ称为散射几率
四、碳钢的电阻
Wc＜0.02％时 Wc＞0.02％时 Wc＜0.9％的退火钢在20℃时 ρ20=（10.5 +3Wc+2Wc2）（μΩ•cm） Wc＜01％的钢，经850℃淬火后，在20 ℃时 ρ20=（10.3 +1.6Wc+12.6Wc2）（μΩ•cm） 1000℃淬火时 ρ20=（10.3 +9.3Wc+7.4Wc2）（μΩ•cm）
3.能带理论
三、影响金属导电性的因素
1.温度ρT=ρ0（1+αT） α=
2.应力的影响 ρ=ρ0（1+φp）
3.冷加工变形的影响 ρ=ρ（T）+ Δρ Δρ= Δρ（空位）+ Δρ（位错）
《材料物理性能》PPT课件
●化学性能
材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性
能、抗氧化性能等。
★工艺性能
材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、
化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工
性能等。直接影响材料使用的方式完、整版成课本件p、pt生产效率等。
3
2.为什么要学习和研究材料的性能
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
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4
3.本课程的学习目的、内容
工程材料按照其用途可分为：结构材料和功能材料
●在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高强 度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能。
●当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信 息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很 高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁 学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性 能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。
子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。
●影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系：
如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系
数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。
●物理性能指标的工程意义：
物理性能指标在实际工程上有何应用。
●了解物理性能指标的测试方法和原理，相关仪器，试样准备。
材料物理性能
机械工业出版社，陈騑騢
TB303/C417
金属材料物理性能
冶金工业出版社 王润
75.211 W35
材料物理性能概述
材料物理性能概述引言当今世界，材料越来越成为非常重要的社会生产支柱之一，而材料的性能越来越多地被重视和研究。
本文主要介绍一下材料的各种物理性能。
本文主要从六个方面来介绍，分别是材料的电学性能、磁学性能、热学性能、光学性能。
一、材料的电学性能1.概述材料的电学性能包括以下内容：导电性的一般理论处理、金属材料的导电性、半导体材料的导电性、离子晶体导电性与超导电性。
导电性方面，引入电导率、电流密度概念。
2. 导电性的一般理论处理材料依导电性的分类及导电性范围，四类材料的导电性范围，导电性与材料中电子态间的关系；导电性与材料中载流子的浓度、电荷量、移动速度(及迁移率)的一般关系，在半导体、金属(经典自由电子理论)中的具体形式；量子自由电子理论下的导电性，Fermi球漂移，导电电子数，电导率结论()σετ=132N e vF F2的推导，自由电子的自由程；能带理论下的导电性结论，各类材料导电性相对强弱的讨论，Brillouin区边界的限制。
3. 金属材料的导电性机理：实验规律(Matthiessen规则)，残余电阻与温度对电阻的影响，电阻根源—周期势场的不规则点，即散射中心(数量、强度)、导电性的微观控制因素—电子的自由程。
影响因素：温度的影响规律；合金成分的影响(固溶态—影响强度与原子半径及化合价差的关系，有序化的影响；多相区)；相变的影响。
其它(自学)：偏离Matthiessen规则的合金化影响，K状态，其它影响因素；电阻研究的意义：材料分析方法(高纯度分析，相变及转变分析)，测温等应用，精密电阻合金、导电材料、电热合金等。
4 . 半导体材料的导电性半导体材料简介(本征—单质、化合物材料，掺杂— n型，p型，材料的电子态特征)，导电性(0K下不导电，T>0K时，依靠热激活导电)，电子有效质量、电子与空穴。
载流子浓度理论推导，本征半导体的典型数值，掺杂半导体的结构、附近能级的产生、及对载流子浓度的影响；半导体材料的导电性与温度、掺杂的关系，晶体缺陷的影响。
材料物理性能
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。
材料物理性能(总结)
第一章（小括号内为页码）1.原子间的键合类型有几种？（1）原子间的键合类型有：金属键、离子键、共价键、分子键和氢键。
2.什么是微观粒子的波粒二象性？（2）光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。
“二象性”并不只限于光而具有普遍意义。
3.什么是色散关系？什么是声子？声子的性质？（20、25）（1）频率和波矢的关系叫色散关系。
色散关系形成晶格的振动谱。
【定义波数|K |=λπ2，K即为波矢量，简称波矢。
（4）】（2）声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。
（3）声子具有粒子性和准粒子性。
粒子性：弹性声波可以认为是声子流，声子携带声波的能量和动量。
准粒子性：○1声子的动量不确定，波矢改变一个周期（倒格矢量）或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量；○2系统中声子的数目不守恒，一般用统计方法进行计算。
4.声子概念的意义（25）可以将格波与物质的相互作用过程理解为，声子和物质（如，电子、光子、声子等）的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结论也正确。
5.高聚物分子运动的特点（28）高聚物的结构是多层次的，这导致其分子运动的多重性和复杂性。
与小分子相比，高分子的运动具有一些不同的特点。
（1）运动单元的多重性 按照运动单元的大小，可以把高分子的运动单元大致分为大尺寸和小尺寸两类运动单元，前者指整链，后者指链段、链节和侧基等。
（2）分子运动的时间依赖性 在一定的温度和外场（力场、电场、磁场）作用下，聚合物从一种平衡状态通过分子运动转变为与外场相适应的另一种平衡状态的过程，称为松弛过程。
分子运动完成这个过程总是需要时间的，不可能瞬间完成，所需要的时间即称为松弛时间。
运动单元越大，运动中所受到的阻力越大，松弛时间越长。
（3）分子运动的温度依赖性 高分子的运动强烈依赖于温度，升高温度能加速高分子的运动。
这一方面是由于增加了分子热运动的能量，另一方面是使高聚物体积膨胀，增加了分子间的自由体积。
材料物理性能(第四章材料的光学性能)
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内容列表。
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材料物理性能(第四章材料的光学性能)
汇报人：AIPPT 汇报时间：202X.XX
目录
光学性能概述
折射率的影响因素
光学性能的应用
01
光学性能概述
光学性能的定义和重要性
光学性能的定义
光学性能是指材料在光学方面的表现和特性。 它包括折射率、透过率、反射率、发光性能等指标。
光学性能的重要 性
光学性能直接影响材料在光学器件中的应用效果。 各种光学性能指标的优化可以提高光学器件的性能和效率。
折射率的调控可以实现透镜和棱镜的光学性能优化。 合适的折射率分布可以消除光学器件的像差。
02
光纤和光波导的应用
折射率的调控可以实现光纤和光波导的传输性能优化。 通过改变折射率分布可以实现光信号的传输和调控。
光学涂层和薄膜的设计
反射镜和透射镜的设计
反射镜和透射镜的光学性能与材料的折射率相关。 通过合适的折射率调控可以实现涂层的光学性能优化。
光学滤波器和频率选择器的应用
光学滤波器和频率选择器的设计依赖于材料的折射率。 材料的折射率调控可以实现滤波器和选择器的工作波长。
光学材料的发光性能优化
发光材料的选择和设计
不同发光材料具有不同的能带结构和发光性能。 通过选择合适的发光材料可以实现发光器件的效率和亮度优化。
光电子器件的应用
光电子器件的光学性能与材料的发 光性能相关。
杂质和掺杂物的影响
杂质和掺杂物的引入会改变材料的折射率。 杂质和掺杂物的能带结构和晶体结构对折射 率有影响。
《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。
材料物理性能与测试
为材料选择和优化提供依 据
材料物理性能测试可以帮助选择合适 的材料，提高产品的性能。
通过测试结果，可以优化材料的组成 和制备工艺，达到更好的性能。
促进材料科学的发展
材料物理性能测试为科学研究提供了 实验数据和验证方法。
通过测试数据的积累和分析，可以推 动材料科学的进步。
02
材料物理性能测试的方 法与技术
01
热稳定性和燃烧性能测试
热稳定性测试可以评估材料在高温环境下的稳定性。 燃烧性能测试可以预测材料的燃烧特性和安全性。
02
光学性能测试
01
透明度和折射率测试
透明度测试可以评估材料对光的透过程度。 折射率测试可以测量材料对光的折射能力。
02
光学薄膜和光学器件测试
光学薄膜测试可以评估材料在光学器件中的应用效果。 光学器件测试可以测量材料在光学系统中的性能表现。
02
材料在创新领域的应用
新材料的开发和应用推动了科技创新和产业 升级。 高性能材料的应用在航空航天、能源领域等 具有重要意义。 材料科学的突破可以带来新的功能和性能， 推动社会进步。
材料物理性能测试的必要性
保证产品质量和可靠性
通过材料物理性能测试，可以确保产 品符合设计要求。
可靠性测试可以预测材料在长期使用 条件下的性能表现。
材料物理性能与测试
目录
材料物理性能的重要 性与应用
材料物理性能测试的 方法与技术
材料物理性能测试的 发展趋势
01
材料物理性能的重要性 与应用
材料在工程领域的关键作用
01 材料对产品性能的直接影响
材料的物理性能决定了产品的强度、硬度、 耐磨性等重要指标。 材料的导电性、热传导性等性能直接影响产 品的电子和热管理能力。 材料的透明度、光学性能对于光学器件和显 示屏等领域至关重要。
材料的物理性能
二、示差热分析法
如图3-15、3-16、3-17 P81。
当试样与标样温度相同时，两对热电偶中无电流通过；
当试样与标样温度不同时，有热电势出现，有电流流过。可以 测得两条曲线： 温差—时间曲线； 温度—时间曲线。
第六节
热学性能分析的应用
一、测定钢的临界点 图3-18，P82为对共析钢测定的例子。图中abc峰为 珠光体向A氏体转变的吸热造成。同理，在冷却时有一 个负峰a1,b1,c1。 二、测定钢的转变曲线（自学） 图3-20，P83： 1为试样； 2为标样； 3为热电偶丝； 4为热电偶丝； 5为耐热管。 冷却时以冷却介质使冷却速度变化。
CV T 3 的关系，这是因为忽略了振 问题：这不符合实验的
三、德拜(Debye)量子热容理论
晶体中各个原子间存在着弹性的斥力和引力。这种力使原 子的振动相互受着牵连而达到相邻原子间协调地振动。
T 3 T x3 CV 3R[12 ( ) dx 0 ex 1 D
d
3
D
T
（1）、高温 T D 时，则 ex 1 x 代入后：CV=3R 与前面两个理论一致； 12 4 T 3 （2）、低温时, T D CV R( ) 5 D 即 CV与T3成正比。 反映了材料温度升高所吸收的热量主要用来加强晶格的振动； （3）、当T=0时，CV=0. 在接近于0K的范围内，该理论与实验规律存在着偏差，是由 于未考虑自由电子的动能。
第二节
热膨胀的物理本质
热膨胀和原子的热振动有关。 根据波恩(Born)的双原子模型:
E mA nB F( r ) m1 n1 r r r
A B E( r ) m n r r
得到原子位能与间距的关系曲线，如图5-3实线所示。 P96。随着温度升高，原子能量增大，原子将偏离r0的位 置而发生振动。当温度为T1时，振动原子总能量为E1，振 动位置从a到b，位能沿ab变化。
rc01材料力学性能
E tg c 0 c/ e
Ec
CH.1 材料力学性能
弹性模量测定
混凝土的弹性模量的试验方法（150×150 × 300标 准试件）
此线和原点切线基 本平行，取其斜率 作为Ec
5 10 2 E ( N / mm ) c 34 .74 2 .2 fcu
CH.1Байду номын сангаас材料力学性能
有较大提高
CH.1 材料力学性能
3.混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度
在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单
轴抗压强度
CH.1 材料力学性能
1.2 混凝土的变形
1.混凝土的应力应变关系 —短期单调加载 1）上升段 OC: OA:(c0.3ck): 弹性阶段 AB:(c=0.3ck~0.8ck): 砼内部微裂缝发展 BC(c>0.8ck):塑性变形发 展，竖向裂缝出现 c0=0.0015~0.0025 受压混凝土一次短期加荷的应力—应变曲线 cck 2）下降段 CF: ccu=0.0033~0.004 （极限压应变）
热处理钢筋 Heat treatment ：是将Ⅳ级钢筋通过加热、 淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的 提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。
CH.1 材料力学性能
Fig. 我国常见钢筋外形
2 普 通 钢 筋 强 度 标 准 值 （ N / m m ）
种类 H P B 2 3 5 ( Q 2 3 5 ) 热 轧 H R B 3 3 5 ( 2 0 M n S i ) 钢 H R B 4 0 0 ( 2 0 M n S i V 、 2 0 M n S i N b 、 2 0 M n T i ) 筋 R R B 4 0 0 ( 2 0 M n S i )
材料物理性能第一章第五节断裂分析
材料物理性能第一章第五节断裂分 析
1.2 脆性断裂
材料物理性能---断裂
• 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显 的宏观塑性变形，没有明显的预兆，突然 快速的断裂，具有很大的危险性。
• 脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏 观上比较齐平光滑，呈放射状或结晶状。
析
材料物理性能---断裂
预防脆性断裂失效的措施
• (1)设计上的措施 ①应保证工程构件的工作温度高于所用材料的脆
性转变温度,避免出现低温脆断;②结构设计应尽量避免三向应力的工 作条件,减少应力集中。
• (2)制造工艺的措施 ①应正确制订和严格执行工艺规程,避免过热、
过烧、回火脆、焊接裂纹及淬火裂纹;②热加工后应及时回火,消除内 应力,对电镀件应及时而严格地进行除氢处理。
• (3)使用上的措施 ①应严格遵守设计规定的使用条件,如使用环境
温度不得低于规定温度;②使用操作应平稳,尽量避免冲击载荷。
材料物理性能第一章第五节断裂分 析
材料物理性能---断裂
2 穿晶断裂与沿晶断裂
材料物理性能第一章第五节断裂分 析
材料物理性能---断裂
穿晶断裂和沿晶断裂的SEM图
穿晶断裂
沿晶断裂
断裂垂直于最大正 应力者叫正断
中心部分大致为正断， 两侧部分为切断，故 为混合型断口
沿着最大切应 力方向断开的 叫切断
材料物理性能第一章第五节断裂分 析
材料物理性能---断裂
1 韧性断裂与脆性断裂
1.1 韧性断裂
• 韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生 明显宏观塑性变形的断裂过程。
• 韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且 要消耗大量塑性变形能。
材料物理性能简介
材料物理性能简介<<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=ωmax/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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《材料物理性能》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：13106103
课程类别：专业核心课程
适应专业：材料科学与工程
课程总的教学时数：54学时
课程总学分：3 学分
课程简介：
本课程研究的内容是材料的物理性能。
集中介绍了材料的电、介电、光、热、磁、弹性和内耗（阻尼）性能及其发展，阐述了各种性能的重要物理及微观机制、各种材料成分、组织结构与性能关系及主要制约规律。
介绍了表征物理性能主要参量的重要测试方法及其在材料科学与工程中的应用。
列举了与各种物理性能相关的重要功能材料。
其特色是把金属材料、陶瓷材料与高聚物材料的物理性能做了扼要的对比，以利于读者掌握材料物理性能的一般规律和特殊性。
课程最后以附录形式概述了核技术中的材料原子环境的三种研究方法。
授课教材：《材料物理性能》田莳编著，北京航天航空大学出版社，2004年。
参考书目：
[1]《材料物理性能》，刘强、黄新友主编，化学工业出版社，2009年。
[2]《材料物理性能》，王振廷、李长青著，哈尔滨工业大学出版社，2011年。
[3]《材料物理性能》，吴其胜编，哈尔滨工业大学出版社，2006年。
[4]《材料物理性能》，龙毅编著，中南大学出版社，2009年。
[5]《材料物理性能》，邱成军、王元化等编著，哈尔滨工业大学出版社，2003年。
[6]《无机材料物理性能》、郑振铎编著，清华大学出版社，1992年。
二、课程教育目标
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，通过这门课程的教学，达到以下目标：
（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
（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。
三、教学内容与要求
第零章绪言 1学时
第一章固体中电子能量结构和状态
教学重点：能带理论的应用
教学难点：禁带起因、能带结构
教学时数：5学时
教学内容：德布罗意波；费米-狄拉克分布函数；禁带起因、能带结构及其与原子能级的关系；非晶态金属、半导体的电子状态等
教学方式：课堂讲授
教学要求：
（1）理解德布罗意波的物理含义，了解费米-狄拉克分布函数。
（2）掌握能带理论及其应用。
（3）掌握现代固体电子能量结构的观念。
（4）了解非晶态金属、半导体的电子状态。
第二章材料的电性能
教学重点：材料电导的概念、种类与机制
教学难点：电子电导与离子电导类型、特点与导电机理
教学时数：14学时
教学内容：概述，电子类载流子导电，离子类载流子导电，半导体，超导体，电性能的测试方法。
教学方式：课堂讲授
教学要求：
（1）掌握电导率、电阻率的概念与表示方法，知道载流子的概念。
（2）掌握电子电导和离子电导所具有的不同的物理效应，掌握载流子迁移率和电导率的一般表示方法。
（3）掌握半导体、超导体的性质和相关理论。
（4）了解电性能测试的方法及应用。
第三章材料的介电性能
教学重点：介质的极化和介电强度
教学难点：介电性能产生的机理
教学时数：10学时
教学内容：材料的介电性能，包括介质的极化、介质的损耗、介电强度，讨论这些参数的物理概念及其与物质微观结构之间的关系；铁电性、压电性及其应用
教学方式：课堂讲授
教学要求：
（1）掌握介电常数的概念与表示方法；掌握介质的极化现象及其物理量；
（2）了解介质极化的各种形式（包括电子位移极化、离子位移极化、松驰极化、转向极化、空间电荷有为化、自发极化），了解高介晶体和多晶多相材料的极化规
律。
（3）掌握介质损耗的形式和表示方法，了解介质损耗和频率、温度的关系。
（4）掌握介质在电场中的破坏和介电强度的概念，了解击穿的类型（包括热击穿、电击穿、局部放电击穿插）及其理论基础，了解无机材料击穿的一般规律。
（5）理解材料铁电性和铁电体的概念及其机理，了解铁电体的性能及其应用；了解压电效应的概念与机理，了解压电性与晶体结构的关系，了解压电材料及其应
用。
第四章材料的光学性能
教学重点：光通过介质时产生的光学现象，包括折射、反射、色散和介质对光吸收、散射、透过的一般规律
教学难点：材料透光性机理的理解
教学时数：6学时
教学内容：光和固体的相互作用；材料的透明性和半透明性，颜色；材料的发光；电-光效应、光折射效应等；磁光效应等。
教学方式：课堂讲授
教学要求：
（1）掌握折射、色散和反射的概念、表示方法和应用，了解影响材料折射率的因素。
（2）掌握介质对光吸收、散射和透过的一般规律，了解影响材料透光性的各种因素及提高材料透光性的措施。
（3）了解镜反射、漫反射、光泽、不透明性、半透明性的概念、机理和应用；理解材料着色的机理，了解无机材料着色的主要方法。
（4）掌握材料的发光机理和种类。
（5）知道电光效应、光折射效应等，理解磁光效应。
第五章材料的热性能
教学重点：材料热膨胀概念与机理
教学难点：晶态固体热容的量子理论和固体材料热传导的微观机理
教学时数：6学时
教学内容：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。
教学方式：课堂讲授
教学要求：
（1）掌握各种热性能的物理本质，掌握晶格热振动概念。
（2）掌握热容的概念与物理意义，掌握晶态固体热容的经验定律和经典理论，了解晶态固体热容的量子理论。
（3）掌握热膨胀系数的概念，了解固体材料热膨胀的机理和热膨胀与其他性能的关系。
（4）掌握热导率的概念与物理意义和固体材料热传导的宏观规律，了解固体材料热传导的微观机理，了解影响热传导的因素。
（5）掌握材料热稳定性的概念和表示方法，掌握热应力的概念，了解热应力的产生和消失
（6）了解材料热导率的测量方法
第六章材料的磁性能
教学重点：物质磁性的来源、原子磁矩的计算和材料中原子磁矩的计算规则，磁性分类、顺磁性和抗磁性概念及居里－外斯定理
教学难点：磁畴与磁畴结构
教学时数：12学时
教学内容：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
畴与磁畴结构
教学方式：课堂讲授
教学要求：
（1）掌握物质磁性的来源、原子磁矩的计算和材料中原子磁矩的计算规则。
（2）掌握磁性分类、顺磁性和抗磁性概念及居里－外斯定理。
（3）了解铁磁性的分子场理论和亚铁磁性的超交换理论。
（4）了解铁磁性物质内部的能量和磁畴的形成。
四、作业
该课程原则上每次课都布置作业，除了教材中的习题，也可以补充一些典型习题。
五、考核方式与成绩评定
考核方式：考试。
成绩评定：总评成绩＝平时成绩（30%）+期末考试（70%），其中平时成绩是平时作业与出勤情况，视具体情况而定。
执笔人：
责任人：
2013年8月。