材料科学与工程方法论—4.材料结构、性能与表征的因果关系

1、四四一一三三五五六六二二 四、材料结构、性能与表征的因果关系1、材料的结构与材料的结构与性能性能核心关系核心关系其核心是围绕其核心是围绕: “结构与性能结构与性能”的相互辩证关系的相互辩证关系1、材料的结构与材料的结构与性能性能组织结构组织结构材料性能材料性能1、材料的结构与材料的结构与性能性能 材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志； 成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础； 材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据； 服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为 MSE 的最终目标。合成与制备合成与制备材料

2、特性材料特性成分与成分与组织结构组织结构服役行为与寿命服役行为与寿命1、材料的结构与材料的结构与性能性能化学成分化学成分组成组成制备制备加工工艺加工工艺组织结构组织结构性性 能能结构表征与结构表征与性能检测性能检测工作条件工作条件u 定义： 表明材料的组元及其排列和运动方式。 (1) 组元：一般用材料中原子的种类和数量来表示成分，原子种类叫组元。 (2) 排列方式：组元间的排列方式取决于组元间的结合类型。 (3) 运动方式：用文字描述或参量来表达原子(或分子)及电子的运动。 u 结构的测定：通过人眼来确定。 具有以下特点： (1) 籍助于可见光入射在材料的断面上； (2) 从反射光获得断口的图

3、象； (3) 从已有的知识对图象进行判断，作出结论； (4) 分辨能力约0.1mm； (5) 断面上的外来物质或其它环境因素对于图象及判断可以有干扰。2、材料的材料的结构结构u 材料的晶体结构： (1) 金属的晶体结构： a. 典型的晶体结构在金属元素中，约90%以上的金属晶体结构属于如下三种密排的晶格形式： 体心立方(b.c.c) 面心立方(f.c.c) 密排六方(h.c.p) body-centered cubic face-centered cubic hexagonal close-packed2、材料的材料的结构结构b. 实际的晶体结构点缺陷：是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺

4、寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。如空位(正常晶格结点上，未被原子占有而空着的位置)、间隙(不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙中的多余原子)、置换原子(置换晶格结点上的原子，占据正常结点)。 空位 置换原子 间隙原子 点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周围其它原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化为晶格畸变。 2、材料的材料的结构结构线缺陷：是在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向 的尺寸相对较大的缺陷。如位错。 位错：是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了 某种有规律的错排现象。 位错对材料的强度理论有很大贡献。 面缺陷：是在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维 方向上尺寸较大的

5、缺陷。主要是晶界和亚晶界。 多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界。 实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。2、材料的材料的结构结构(2) 非金属的晶体结构a. 陶瓷的组织结构： 陶瓷：是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶固体物质，实际上是各种无机非金属材料的总称。 晶体结构：以离子键为主的离子晶体(呈晶态) 以共价键为主的共价晶体(呈非晶态) 组织：晶相：是主要组成相。 (主晶相、次晶相、第三晶相) 材料的性能取决于主晶相。 玻璃相：高温烧结时各组成物与杂质反应后形成的一种非晶态物质。其作用

6、是将分散的晶相粘结在一起，抑制晶粒长大，填充气孔。 缺点：强度低、热稳定性差，应控制在一定范围。(2040%) 气相：即材料中的气孔，使性能下降。 (若要求材料密度小，绝热性好，则希望一定气相) 2、材料的材料的结构结构b. 高分子材料的结构： 高分子材料：以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是分子中 含原子数很多，分子量很大的物质。高分子亦称大分子，高 分子化合物又称高聚物或聚合物。 结构： 大分子链的组成：非金属或非金属元素组成。 大分子链的构型：即高聚物结构单元的排列顺序和连接方式。 大分子链的形态： 线型结构：整个分子呈细长线条状 支链型结构：主链上有一些或长或短支链 体型结构

7、：在空间呈网状结构。 大分子链的构象：由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链 的各种形象。 柔性链、刚性链 高聚物的聚集态结构：晶性高聚物：排列规则有序无定性 高聚物：排列规则无序 2、材料的材料的结构结构u 相： (1) 定义：具有相同的物理或化学性能并与该系统的其 余部分以界面分开的物质部分。(具有同一化 学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界 面互相分开的、均匀的组成部分) (2) 相的结构类型： 固溶体：相的晶体结构与某一组元的晶体结构相同； 金属化合物：相的晶体结构与组元的晶体结构均不相同 (3) 固溶体： 置换固溶体 间隙固溶体2、材料的材料的结构结构(4) 金属化

8、合物(金属间化合物)：是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相。此新相可能是另一种固溶体，也可能是一种晶格类型和性能完全不同于任一合金组元的化合物。 a. 特点：具有一定的金属性质；熔点高、硬而脆， 塑性、韧性不高。 b. 种类：正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可 用化学式表示。Mg2Si 电子化合物：不遵守原子价规律，服从电子浓度规律； 间隙化合物：过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径较 小的非金属元素形成的化合物。 u 显微组织：材料中各相及更微观组元(化学或几何学的)的形貌及含量所构成的图象。(显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布)2、

9、材料的材料的结构结构u 金属的加工工艺与结构、性能的关系金属的加工工艺与结构、性能的关系 金属塑性变形后的组织结构与性能(1) 塑性变形后金属的组织结构： a. 显微组织的变化：形成“纤维组织”； b. 亚结构的细化：位错缠结、晶粒破碎； c. 织构现象的产生： 织构：在塑性变形过程中，晶粒转动，当变形量达到一定程 度(7090%以上)时，会使绝大部分晶粒的某一位向与 外力方向趋于一致。缺陷：制耳；优点：使硅钢片的特定晶界、晶向平行于磁力线方向，提 高导磁率， 减小磁滞耗损。2、材料的材料的结构结构(2) 塑性变形后金属的性能： a. 力学性能：强度、硬度 ，塑性、韧性 残余应力：材料经塑性变

10、形后残存在内部的应力。其产生是由于金属内部各区域变形不均匀所致；可分为三种：宏观残余应力(第一类内应力)：由宏观变形不均匀引起，使工件变形；微观残余应力(第二类内应力)：由晶粒或亚晶粒间变形不均匀引起，使工件内 部产生微裂纹晶格畸变应力(第三类内应力)：由晶格畸变引起，使工件强度、硬度 ，塑 性、抗蚀性 。 b. 理化性能：电阻率 ；电阻温度系数 ；导磁率 ； 导热率 ；腐蚀 。2、材料的材料的结构结构 变形金属加热后的组织结构与性能 (1) 回复：把经过冷变形的金属加热时，在显微组织发 生变化前所发生的一些亚结构的改变过程称 为回复。 特点：a. 显微组织没有明显变化； b. 力学性能变化不

11、大； c. 残余应力显著降低； d. 理化性能基本恢复到变形前情况。 应用：低温去应力退火(如深冲黄铜弹壳，会自动变 形，甚至开裂，需经2600左右的去应力退 火)。 2、材料的材料的结构结构(2) 再结晶：变形金属加热到较高温度时，由于原子扩散能力增 加，在晶格畸变严重处形成一些位向与变形晶粒不 同，内部缺陷减少的等轴小晶粒，这些小晶粒不断向 外扩展长大，直至金属中的变形金属全部被等轴晶取 代，即冷变形组织完全消失，这一过程为再结晶。 a. 变形金属的再结晶：位错密度 ，强度、硬度 ， 塑性、韧性 ，内应力消除。 b. 再结晶温度：开始产生再结晶现象的最低温度； 工业条件下定义：经大变形量(

12、70%以上)的金属，在一小时的 保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度。 影响因素：预先变形程度 加热速度与保温时间 原始晶粒度 金属纯度及成分2、材料的材料的结构结构(3) 晶粒长大： 再结晶后，形成等轴晶，若T ，或t ，则d 。 a. 是一个自发过程：d ，晶界面积 ，表面能 ，是 一个能量降低的自发过程。 b. 实质：晶界迁移。 一个晶界的边界向另一晶粒迁移，把另一晶粒中 的晶格位向逐步地改变成为与这个晶粒相同的晶格位 向，于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”，合并成 为一个大晶粒。 c. 正常长大与异常长大： 正常长大：再结晶后的晶粒细而均匀，长大时均匀； 异常长大：再结晶后的晶粒

13、大小不均匀，大晶粒吞并小 晶粒，形成异常粗大的晶粒。(二次再结晶)2、材料的材料的结构结构3、材料的材料的性能性能 材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求或某种可以承担质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求或某种可以承担的功效，以及承担该功效下的表现或能力。的功效，以及承担该功效下的表现或能力。材料的性能材料的性能 使用性能使用性能 工艺性能工艺性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能铸造性铸造性 可锻性可锻性可焊性可焊性切削加工性切削加工性热处理性热处理性u 力学性能：

14、 材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征 。 常用的力学性能：脆性：材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。它与韧性和塑性相反。脆性材料没有脆性：材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。它与韧性和塑性相反。脆性材料没有屈服点，有断裂强度和极限强度，并且二者几乎一样。屈服点，有断裂强度和极限强度，并且二者几乎一样。强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力。它可以定义为比例极限、屈服强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力。它可以定义为比例极限、屈服强度、断裂强度或极限强度。没有一个确切的单

15、一参数能够准确定义这个特性。强度、断裂强度或极限强度。没有一个确切的单一参数能够准确定义这个特性。塑性：金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性变形发生在金属材料承受塑性：金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性变形发生在金属材料承受的应力超过弹性极限并且载荷去除之后，此时材料保留了一部分或全部载荷时的变形。的应力超过弹性极限并且载荷去除之后，此时材料保留了一部分或全部载荷时的变形。硬度：金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力。硬度：金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力。韧性：金属材料在拉应力的作用下，在发生断裂前有一定塑性变形的特性。韧性：金属材料在拉应力的作用

16、下，在发生断裂前有一定塑性变形的特性。疲劳强度：材料零件和结构零件对疲劳破坏的抗力。疲劳强度：材料零件和结构零件对疲劳破坏的抗力。弹性：金属材料在外力消失时，能使材料恢复原先尺寸的一种特性。弹性：金属材料在外力消失时，能使材料恢复原先尺寸的一种特性。伸长率：材料在拉应力或压应力的作用下，材料断裂前承受一定塑性变形的特性。伸长率：材料在拉应力或压应力的作用下，材料断裂前承受一定塑性变形的特性。刚性：金属材料承受较高应力而没有发生很大应变的特性。刚性的大小通过测量材料的弹性刚性：金属材料承受较高应力而没有发生很大应变的特性。刚性的大小通过测量材料的弹性模量模量E来评价。来评价。屈服点或屈服应力：金

17、属的应力水平，用屈服点或屈服应力：金属的应力水平，用MPa度量。在屈服点以上，当外来载荷撤除后，金度量。在屈服点以上，当外来载荷撤除后，金属的变形仍然存在，金属材料发生了塑性变形。属的变形仍然存在，金属材料发生了塑性变形。3、材料的材料的性能性能 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。 外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机3、材料的材料的性能性能低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试

18、样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l03、材料的材料的性能性能 弹性和刚度弹性和刚度 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材材料承受最大弹性变形时的应力。料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变材料受力时抵抗弹性变形的能力。形的能力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E。 ）（MPatgE e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模

19、量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。截面形状来提高零件的刚度。 3、材料的材料的性能性能 陶瓷强度的测定： a. 弯曲强度：三点弯曲或四点弯曲方法； b. 抗拉强度：测定时技术上有一定难度，常用弯曲 强度代替，弯曲强度比抗拉强度高 2040%； c. 抗压强度：远大于抗拉强度，相差10倍左右，特 别适合于制造承受压缩载荷作用的 零部件。 3、材料的材料的性能性能 强度与塑性强度与塑性 强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑性材

20、料发生微量塑性变形时的应力值。变形时的应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量残余变形量为为0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受材料断裂前所承受的最大应力值。的最大应力值。s0.23、材料的材料的性能性能 塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为： 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象3、材料的材料的性能性能 硬度硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 布

21、氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计3、材料的材料的性能性能洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计 洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。 3、材料的材料的性能性能 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，后面的数符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载

22、荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计3、材料的材料的性能性能维氏硬度维氏硬度断裂：含裂纹体承载达到临界值时，致使裂纹失稳扩展，最终产生破坏的现象。 断裂的基本形式：延性断裂和脆性断裂 断裂机理： (1) 微孔集结断裂(韧性断裂) 断口上出现抛物线型的韧窝，主要是金属和高聚物的断裂机理； (2) 解理断裂(脆性断裂) 是

23、一种低能量断裂，也是晶体材料中最脆的一种断裂；沿晶体中解理面断开原子键而引起的断裂，非常平坦，一晶粒内的解理裂纹具有平直性；一个晶粒内的一条解理裂纹可同时在两个平行的解理面上扩展，形成解理台阶。 (3) 晶界断裂 裂纹择优沿晶界扩展而引起的断裂；也是一种低能量脆性断裂，断口呈现颗粒状形貌。3、材料的材料的性能性能3、材料的材料的性能性能 韧性： 是强度和塑性的综合表现，是材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。 强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断 裂的能力。 塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不 断裂的能力。 常以延伸率和断面收缩率来表征。 3、材料的材料的性能性能 图中为单向拉伸条

24、件下两种钢光 滑试样的应力应变曲线。单位 体积材料的弹性应变能(Uoe)为： 式中，p为比例极限，p为对 应于p的弹性应变，E为弹性 模量。 Uoe也就是OAB(或OAB)的面积，表示弹性。 同样，用单位体积材料在变形和断裂全过程中吸收的能量(UOT)表示韧性，也可用单位体积材料在塑性变形和断裂全过程中吸收的能量(Uop)表示韧性，一般用UOT表示韧性。 3、材料的材料的性能性能 高碳弹簧钢：Uoe=面积OAB Uop=面积BACD UoT=面积OACD 低碳结构钢：Uoe=面积OAB Uop=面积BACD UoT=面积OACD 由于UoT=Uoe+Uop 当断裂时的应变f远大于e时，UoTU

25、op，韧性的两种定义近似一致。 图中两种钢的弹性模量相同，但高碳弹簧钢的p及对应的e较大，故弹性较大，在弹性范围内能贮存的弹性应变能较多，有较大的回弹力。其抗拉强度b虽大于低碳结构钢，但f却远小于低碳结构钢，综合b及f，高碳弹簧钢的韧性低于低碳结构钢。3、材料的材料的性能性能韧性的划分： (1) 光滑试样如上图所示，用应力应变曲线下的面积大小来表征韧性的高低； (2) 缺口试样工程上惯用冲击韧性，即冲断给定缺口试样所消耗的功，或试样在冲击条件下从形变到断裂全过程所吸收的能量。有k及Cv，分别为U形和V形缺口。 (3) 裂纹试样对于平面应变条件有GIC及JIC，分别为线弹性及弹塑性范围内裂纹扩展

26、单位面积所需的能量。 对于直线穿透型裂纹沿裂纹面扩展时，有： 裂纹试样的韧性俗称断裂韧性，实质上是裂纹断裂韧性。3、材料的材料的性能性能 冲击韧性冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。3、材料的材料的性能性能韧脆转变温度韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度

27、。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。3、材料的材料的性能性能TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没与船的沉没与船体材料的质量直接有体材料的质量直接有关关3、材料的材料的性能性能Titanic近代船用钢近代船用钢板板Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近近代船用钢板代船用钢板（右图）（右图）的冲的冲击试验结果击试验结果 疲劳强度： 被测材料抵抗交变载荷的性能。 疲劳材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用

28、下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限疲劳极限。 用用 -1表示。表示。钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图3、材料的材料的性能性能疲劳曲线：交变应力与交变次数N的关系疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴

29、的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）3、材料的材料的性能性能特点1：无论是脆性材料，还是塑性材料，疲劳断裂均不产生 明显的塑性变形； 特点2：裂纹产生及扩展区呈“贝壳”花样，最后断裂区呈纤维 状或结晶状。 阻尼及阻尼性能阻尼及阻尼性能 材料的阻尼： 是一种材料内部所引起的对于振动能量的消耗，即“内耗”。 内耗的来源是由于材料内部有缺陷或不均匀结构存在。 阻尼性能： 材料能够很快地压抑机械振动的性能就是材料的阻尼性能。 3、材料的材料的性能性能 材料表现出来的密度、熔点、热膨胀材料表现出来的密度、熔点、热膨胀( (系数系数) )性、导电性、磁学及光学等性能。性、

30、导电性、磁学及光学等性能。u 物理性能物理性能3、材料的材料的性能性能 磁学性能磁学性能 铁电性能铁电性能 超导电性能超导电性能光学性能光学性能3、材料的材料的性能性能 磁学性能磁学性能 材料磁性的来源与分类： (1) 原子磁矩：由电子轨道运动磁矩、电子自转磁矩及原子核磁矩组成。 材料中原子的电子态和磁性与孤立的原子相比发生了变化，晶体电场效应 也引起材料中电子态发生变化。 (2) 材料磁性概述和分类： a. 概述：材料在外磁场中恒被磁化而获得磁矩，单位体积的磁矩称为磁化强 度M，磁化强度与磁场强度H的比值称为磁化率。 b. 分类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性及亚铁磁性。前三种磁性很弱，

31、约为10-310-6。后两种为强磁性，约为10106。 抗磁性：物质的磁化率为负，其磁化强度M与磁场H反向，大多数有机和无机材料均呈现抗磁性。 顺磁性：物质的磁化率为正，M与H同向。 反铁磁性：物质的磁化率为正，但很弱，约为10-3。 铁磁性和亚铁磁性： 材料都有磁有序相变点(居里点Tc)，当温度高于Tc时，呈顺磁性，当温度低于Tc时，呈铁磁性或亚铁磁性，均为强磁性。 几个概念： 矫顽力(Hc)：表征材料抵抗退磁作用的本领。 磁畴：铁磁体，包含许多自发磁化的区域，由于它们的磁化方向各异，因此 总的磁化强度为零，这种自发磁化的区域即为磁畴。 磁滞伸缩：强磁体被磁场磁化时，其形状和体积随之变化。

32、磁性材料：具有强磁性的材料。 软磁材料：指那些容易反复磁化，在外磁场去掉后容易退磁的材料。具有高 磁导率和低矫顽力。 硬磁材料：指那些难以磁化，且除去外场后仍能保留高的剩余磁化强度的材 料。具有高矫顽力，不易退磁，在磁路不闭合时仍可保持较高的 剩磁，提供应用所需的磁场或磁矩。(永磁材料) 强磁材料按组成与结构分类： 单质：只有金属呈现强磁性，3个过渡族铁磁金属铁、钴、镍， 具有高于室温的居里温度，获得广泛应用。6个稀土金 属有强磁转变。 合金：以铁磁元素为基的合金和非铁磁元素构成的铁磁合金。 非金属氧化物：包括铁氧体(如磁铁矿Fe3O4)、强磁化合物(如EuO、CrO2)。 非晶强磁合金：即金

33、属玻璃。3、材料的材料的性能性能 够 铁电体是电介质的一个亚类，其基本特征是具有自发电极化并且这种电极化可以在外电场作用下改变方向。 电介质的极化与铁电性： 导电材料：以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应。 电介质：以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩 或电偶极矩的改变，此现象为电介质的极化，此材料为电介质。 电介质的极化：在外电场的作用下，呈电中性的电介质由于正、负电荷 重心不重合而产生感应电偶极矩的过程。 铁电性：具有自发电极化并且这种电极化可以在外电场作用下改变方向。 铁电性铁电性能能3、材料的材料的性能性能 超导电性超导电性能能 历史： 1911年荷兰低温物理学

34、家H. K. Onnes发现有些物质从特定的温度开始会转变为完全没有电阻的状态，这就是超导(电)现象。这些超导体的转变温度不超过23.2K，即必须用液氦冷却才会出现(低温超导体)。 1986年G. Bednorz和K. A. Muller发现某些稀土元素的氧化物是超导体，其转变温度在30K以上，称高温超导体。(有的高温超导体的转变温度达到135K) 。 基本特征： (1) 零电阻效应：超低温下超导体的电阻为零； Tc：超导转变温度，即临界温度。 (2) 迈斯纳效应：处于超导态的物质完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导 体内部，称为完全抗磁性或迈斯纳效应。 (3) 超导体的临界参数：温度低于Tc时

35、，当磁场值超过某一临界值Hc时，材料从超导态转变为正常态，Hc称为临界磁场。温度低于Tc时，当样品的电流密度J超过某一临界值Jc时，材料从超导态转变为正常态，Jc称为临界电流密度。 把Tc、Hc、Jc称为超导体的三个临界参数。3、材料的材料的性能性能 第二类超导体： 高临界参数(高Tc、高Hc和高Jc)的超导体，如Nb3-Sn，有两个临界磁场：下临界场Hc1和上临界场Hc2，当磁场小于Hc1时，完全处于迈斯纳态，当磁场大于Hc2时，完全恢复正常态，当磁场介于Hc1和Hc2之间时，处于“混合态”，将只存在一个临界场的超导体称为第一类超导体，将存在两个临界场的超导体称为第二类超导体。 超导隧道效应

36、(约瑟夫森效应)： 弱连接超导体(两块超导体中间夹一块纳米厚度的绝缘膜，形成超导层-绝缘层-超导层，由于中间的绝缘层较薄，使它两侧的超导体在电磁性质上弱耦合在一起)，当有一个很小的电流从一个超导体穿过绝缘层而流到另一个超导体时，如果电流很小，没有超过这种结构的临界电流，则两侧的超导体层间没有电压，整个弱连接超导体呈现零电阻性。两超导体中间的绝缘层也能让超导电流通过和现象叫超导隧道效应。3、材料的材料的性能性能光学性能光学性能 光优于电子的特点：光在介电材料中的传播速度远高于电子在金属导线中的传播速度，光可以携带更多的信息；介电材料的带宽远大于金属；光子间不像电子间具有很强的相互作用，有助于降低

37、能量损耗。 光波在光纤中的传播： 光纤即光导纤维，是由低损耗材料制成的其结构类似于同轴电缆的圆形介质波导：内芯是一种较高折射率的材料，周围是另一种较低折射率的材料构成的包层，最外层是保护层。 (1) 光纤的分类：阶跃型折射率光纤和梯度型折射率光纤。 阶跃型折射率光纤，内芯和包层间折射率的过渡是阶跃的； 梯度型折射率光纤，折射率的分布为从中心轴线沿径向逐渐减小。 材料：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、红外光纤、紫外光纤和有源光 纤等。3、材料的材料的性能性能 (2) 光纤的传光特性和集光本领： 物理基础是全内反射。 (3) 光纤的色散与损耗： 色散影响光通信系统的传输容量和误码率，而损耗影响

38、传输距离。 色散种类：材料色散，本身折射率随频率变化，导致不同的频率分量的传播速度 的不同而产生色散； 波导色散，依赖于光纤芯径与波长的比值，与光纤的结构有关； 模色散，适于多模色散。 损耗是光波在传输过程中由于某种或某些因素所致的衰减。 光纤中的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。 光的发射： 光发射目前主要是通过激光器实现的。 激光的特点： (1) 方向性好，亮度高，能量集中，可在微米级圆斑内产生几万乃至几百万度的高温； (2) 单色性好，谱线宽度小于10-7； (3) 相干线好，即相干长度很长，激光束的相干长度比普通光束要长数十倍，甚至数百倍； (4) 激光传递信息的容量大； (5) 高简并度

39、的强激光，因其场强远大于分子、原子内库仑场强，故而它与物质相互作用，会引起倍频、和频、差频等许多新的物理效应。3、材料的材料的性能性能 单项性能的评价： 对材料性能的测定需要建立一种广义力与广义位移的关系，在关系为线性时，材料性能由线性常数表征，如弹性模量(E)、热容(S=CT)等。在关系偏离线性时，材料的性能需要由高阶的常数来描述，如光学晶体在强光照射下的极化率。 综合性能的评价： 新材料的发展提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征。如金属的可焊性、材料的加工性、高温氧化气氛下的抗腐蚀性等。由于涉及的因素较多，不同场合使用的侧重点也不同，对材料性能的测试提出了更高的要求，需要考虑一个测试

40、体系，创造一个测试环境，以求所测性能尽可能真实。4、材料的材料的表征表征u 性能检测性能检测u 组织分析组织分析 电子与样品相互作用 材料被一个细的、约束较好的聚焦电子束照射，并且入射束有足够的束流以产生显微分析所需的信号。4、材料的材料的表征表征 (1) 向前散射电子：即透射电子，是电子穿透样品的部分。这些电子携带被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜明场像和透射扫描电镜的扫描图像。揭示样品内部微观结构的形貌。 (2) 非弹性散射电子：这些电子在穿过样品时损失了部分能量，方向也有微小变化。用于电子能量损失谱，提供成分和化学信息。 (3) 弹性散射电子：在晶体材料中，电子按布拉格定律，被具有不同取向及面间距的周期排列原子平面散射不同角度，产生电子衍射图，提供晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息。(2dsin=n) (4) X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子，用于电子照射区域化学成分的定性和定量分析。 (5) 背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表面射出来的电子。扫描电子显微术、透射扫描电子显微术收集这些电子成像可反映样品表面