《材料性能学》教案VIP

《材料性能学》教案第一章材料单向静拉伸的力学性能1.应力－应变曲线σp：比例极限σe：弹性极限σs：屈服点σb：抗拉强度2.弹性变形的本质？材料产生弹性变形的本质，概括来说，都是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。⑴金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形是处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。⑵橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。3.影响弹性模数（E）的因素？⑴键合方式和原子结构：共价键、离子键和金属键都有较高的E值，而分子键E值较低。对于金属元素，原子半径越大，E值越小，反之亦然。⑵晶体结构：①单晶材料：E呈各向异性，沿密排面E值较大，反之较小；②多晶材料：Ｅ为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性，但为伪各向同性；③非晶态材料：Ｅ是各项同性的。⑶化学成分：材料化学成分的变化将引起原子间距或键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模数。⑷微观组织：①对金属材料来说，E是一个组织不敏感的力学性能指标；②对高分子和陶瓷材料，E对结构和组织敏感；⑸温度：温度升高，原子结合力下降，Ｅ值降低。⑹加载方式和负荷持续时间：①加载方式、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的Ｅ几乎没有影响；②高分子聚合物的Ｅ随负载时间延长而降低，发生松弛。4.非理想弹性行为可分为几种类型？⑴滞弹性（弹性后效）：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。⑵粘弹性：材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。⑶伪弹性：在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。⑷包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。5.材料产生内耗的原因？材料产生内耗与材料中微观组织结构和物理性能的变化有关。例如，①两端钉扎位错的非弹性运动；②间隙原子或置换原子在应力作用下产生的应力感生有序化；③晶界的迁移；④磁性的变化等。因为这些微观运动都要消耗能量，所以会引起材料的内耗。6.塑性变形材料的塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象。7.金属材料的塑性变形机理⑴金属材料：常见的塑性变形机理为晶体的滑移和孪生。⑵多晶体金属材料塑性变形特点：①各晶粒变形的不同时性和不均匀性；②各晶粒变形的相互协调性。8.陶瓷材料难以进行塑性变形的原因？⑴陶瓷材料的组成主要是晶体材料，陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件，所以陶瓷材料中只有极少数具有简单晶体结构的晶体，如MgO、KCl（均为NaCl型结构）在室温下具有塑性，而一般晶体结构复杂的材料在室温下不能进行塑性变形。⑵陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易在晶界处塞积而产生应力集中，形成裂纹引起断裂。9.屈服屈服是材料由弹性变形向弹－塑性变形过渡的明显标志。10.为什么晶粒越小，屈服强度越高？⑴晶界是位错运动的重要障碍，晶界越多，对材料屈服强度的提高贡献越大。因为在首先产生滑移的晶粒中，必须塞积足够数量的位错，形成较大的应力集中，才能使相邻晶粒中的位错产生滑移，形成宏观的屈服。⑵如果晶界增多，也就是晶粒尺寸减小，晶粒内位错塞积的长度将缩短，其应力集中程度不足以推动相邻晶粒内的位错滑移。因此欲使更多的相邻晶粒内位错开动，必须施加更大的外加切应力，即表现为多晶体的屈服强度提高，而且晶粒越小，屈服强度越高。⑶根据霍尔－配奇公式，σs=σi+kyd-1/2，d减小，则d-1/2增大，从而σs增大。11.应变硬化材料在应力作用下进入塑性变形阶段后,随着变形量的增大,形变应力不断提高的现象称为应变硬化。应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。12.超塑性材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000％）而不发生缩颈和断裂的现象，称为超塑性。13.韧性断裂及其特点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。特点：①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。②韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状。14.脆性断裂及其特点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，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。特点：①断裂过程快速，具有很大的危险性。②脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。15.穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。沿晶断裂多数为脆性断裂。16.剪切断裂的微孔聚集型断裂的微观断口特征剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。微观断口特征花样是断口上分布大量“韧窝”。17.解理断裂在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。解理断口的基本微观特征：解理台阶、河流花样和舌状花样。18.拉伸断口的3个区域纤维区、放射区和剪切唇，即所谓的断口特征三要素。第二章材料在其他静载下的力学性能1.扭转试验的应用根据试样的断口特征可区分材料最终的断裂方式。⑴切断断口：断面和试样轴线垂直，有回旋状塑性变形痕迹，这是切应力作用的结果。塑性材料常为这种断口。⑵正断断口：断面和试样轴线约为45°角，呈螺旋状或斜劈状，这是正应力作用的结果。脆性材料常为这种断口。2.为什么会产生缺口“强化”现象？在有缺口条件下，由于出现了三向应力，使试样的屈服应力比单向拉伸时要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。3.根据下图，分析材料对缺口的敏感性。⑴材料1在曲线上升部分断裂，残余挠度f1很小，表示对缺口敏感；⑵材料2在曲线下降部分断裂，残余挠度f2较大，表示缺口敏感度低；⑶材料3弯曲不断，取相当于1/4Fmax时的残余挠度f3作为它的挠度值，其值很大，表示材料对缺口不敏感。综上，材料对缺口的敏感程度由大到小：材料1＞材料2＞材料3.4.缺口弯曲曲线将该负荷－变形曲线所包围的面积分为三部分：弹性变形区Ⅰ、塑性变形区Ⅱ和断裂区Ⅲ，则各区所占面积分别为弹性功、塑性功和断裂功。⑴只有弹性功I，表示材料对缺口极为敏感；⑵只有弹性功I和塑性功Ⅱ，表示材料对缺口敏感，而且塑性功Ⅱ越小，缺口敏感性越大；⑶3种功都存在，表示材料对缺口不敏感，而且断裂功Ⅲ越大越好。5.压入法的硬度值材料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑性变形能力。第三章材料的冲击韧性及低温脆性1.冲击吸收功AKAK=GH1-GH2，即试样变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功。2.一次冲击弯曲试验有哪些方面的用途？⑴它能反映出原始材料的冶金质量和热加工产品的质量。⑵测定材料的韧脆性转变温度。⑶对σS大致相同的材料，根据AK值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。3.什么是低温脆性？当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。4.根据下图，分析合金元素对钢的韧脆转变温度的影响。⑴间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，tk提高。这是由于间隙溶质元素溶入基体金属晶格中，通过与位错的交互作用偏聚于位借线附近形成柯氏气团，既增加σi，又使ky增加，致使σs升高，所以钢的脆性增大。⑵钢中加入置换型溶质元素(Ni、Mn例外)一般降低高阶能，提高tk，但这种影响较间隙溶质原子小得多。置换型溶质元素对tk的影响与σi、ky及γs的变化有关。Ni减小低温时的σi和ky，故韧性提高。另外，Ni还增加层错能，促进低温时螺位错交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，故韧性提高。若置换型溶质元素降低层错能，促进位错扩展或形成孪晶，使螺位错交滑移困难，使钢的韧性下降。⑶杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。5.细化晶粒提高韧性的原因？①晶界是裂纹扩展的阻力；②晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；③晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。6.影响材料低温脆性有哪些因素？⑴晶体结构：体心立方存在低温脆性，面心立方及其合金一般不存在低温脆性。⑵化学成分：①间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，tk提高；②置换型溶质元素（Ni、Mn例外）的加入，一般也降低高阶能，提高tk；③杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。⑶显微组织：①细化晶粒可使材料韧性增加；②金相组织也有影响，此外，球化处理能改善钢的韧性。⑷温度：在某一范围内碳钢和某些合金可能出现蓝脆。⑸加载速率：提高加载速率tk提高。⑹试样形状和尺寸：①缺口曲率半径越小，tk越高（V型缺口试样＞U型缺口试样）；②试样宽度（或厚度）增加，tk提高；③试样各部分尺寸按比例增加，tk也升高。第四章材料的断裂韧性1.什么是低应力脆断？中、低强度钢的大型机件常常在工作应力并不高，甚至远低于屈服极限的情况下，发生脆性断裂现象，这就是所谓的低应力脆断。2.低应力脆断是什么引起的？大量断裂事例表明，低应力脆断是由于宏观裂纹的存在引起的。3.裂纹扩展的基本方式⑴张开型(I型)裂纹扩展；⑵滑开型(Ⅱ型)裂纹扩展；⑶撕开型(Ⅲ型)裂纹扩展。在这些裂纹的不同扩展形式中，以Ⅰ型裂纹扩展最危险，最容易引起脆性断裂。4.裂纹尖端塑性区的形状5.实际试件中的塑性区平面应变状态是理论上的抽象。实际上，厚板件由于表面的自由收缩，表面是平面应力状态，心部是平面应变状态，两者之间有一过渡区，塑性区是一个哑铃形的立体形状，如下图所示。6.应力场强度因子KⅠ的修正计算应力场强度因子KⅠ时，应注意修正的条件。当应力σ增大时，裂纹尖端的塑性区也增大，影响就越大，其修正就必要，通常情况下，当σ/σs≥0.6~0.7时，就需要修正。7.化学成分对断裂韧度的影响⑴对于金属材料，化学成分对断裂韧度的影响类似于对冲击韧度的影响。其大致规律是：①细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性，可使断裂韧度提高；②强烈固溶强化的合金元素因大大降低塑性而使断裂韧度降低，并且随合金元素的浓度的提高，降低的作用更加明显；③形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂纹扩展而使断裂韧度降低。⑵对于陶瓷材料，提高材料强度的组元，都将提高断裂韧度。⑶对于高分子材料，增强结合键的元素都将提高断裂韧度。8.非金属夹杂物和脆性第二相对断裂韧度的影响非金属夹杂物和脆性第二相存在于裂纹尖端的应力场中时，本身的脆性使其容易形成微裂纹。而且它们易于在晶界或相界偏聚，降低界面结合能，使界面易于开裂，这些微裂纹与主裂纹连接加速了裂纹的扩展，或者使裂纹沿晶扩展，导致沿晶断裂，降低断裂韧度。第二相的形貌、尺寸和分布不同，将导致裂纹的扩展途径不同、消耗的能量不同，从而影响断裂韧度。9.有一轴件平行轴向工作应力150MPa，使用中发现横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深度的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c可以确定Φ=1，测试材料的σ0.2=720MPa，试估算材料的断裂韧度KIC为多少？解：∵σ/σ0.2=150/720=0.208<0.7∴K值不用修订又∵表面半椭圆裂纹，且Φ=1∴平面应变由题目可知，150MPa材料断裂，因此sc=150MPa，a=25mm将其代入可求得:KIC=1.1×150×（3.14×25/1000）1/2=46.229（MPa·m1/2）第五章材料的疲劳性能1.什么是疲劳？工件在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象。2.疲劳的破坏过程是怎样的？疲劳的破坏过程是材料内部薄弱区域的组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。3.疲劳形式的分类可按不同方法对疲劳形式分类。⑴按应力状态分，有①弯曲疲劳、②扭转疲劳、③拉压疲劳、④接触疲劳及⑤复合疲劳；⑵按应力高低和断裂寿命分，有①高周疲劳和②低周疲劳。4.疲劳断口有哪几个特征区？典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。疲劳源疲劳源疲劳裂纹扩展区瞬断区5.疲劳微裂纹的主要方式？疲劳微裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起。主要方式有：①表面滑移带开裂；②第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；③晶界或亚晶界处开裂。6.疲劳条带疲劳条带(疲劳辉纹)是略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕迹，为疲劳断口最典型的微观特征。7.陶瓷材料的疲劳破坏在陶瓷材料断口上不易观测到疲劳贝纹和疲劳条带，循环疲劳断口与快速断裂断口形貌之间差异十分微小，均呈现脆性断口特征。8.高分子聚合物的疲劳破坏在拉应力作用下，由于非晶态聚合物的表面和内部会出现银纹，因此，不同结构的聚合物疲劳破坏机理也有差异。9.表面强化及残余应力的影响提高机件表面塑变抗力(硬度和强度)，降低表面的有效拉应力，即可抑制材料表面疲劳裂纹的萌生和扩展，有效地提高承受弯曲与扭转循环载荷下材料的疲劳强度。由于表层疲劳强度的提高及表面残余压应力的作用，使表层总应力降低至强化层疲劳强度以下，便会制止疲劳断裂。10.细化晶粒提高材料疲劳强度的原因？①晶粒细化可以提高金属的微量塑性抗力，使塑性变形均匀分布，因而会延缓疲劳微裂纹的形成；②晶界有阻碍微裂纹长大和联接作用。③根据霍尔－配奇公式，σ-1=σi+kd-1/2，可知，晶粒细化，则d减小，d-1/2增大，从而σs增大。11.冲击热应力的产生对于脆性材料，特别是陶瓷材料，在生产使用过程中多处在高温状态，温度发生急热、急冷变化时可能产生冲击热应力。12.热震破坏和抗热震性材料经受温度瞬变而不被破坏的能力称为材料的抗热震性(热抗震性)。热震破坏分两大类：⑴一类是瞬时断裂，称为热震断裂；⑵另一类是热冲击循环作用引起材料开裂、剥落、碎裂或变质，最后整体损伤，称为热损伤。第六章材料的磨损性能1.什么是磨损？磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。2.磨损过程的3个阶段⑴跑合(磨合)阶段：图中OA阶段。⑵稳定磨损阶段：图中AB段。⑶剧烈磨损阶段：图中BC段。3.磨损的基本类型根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分为4类：①粘着磨损；②磨料磨损；③腐蚀磨损；④麻点疲劳磨损(接触疲劳)等。4.粘着磨损粘着磨损又称咬合磨损。是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损。5.粘着磨损量上式表明，粘着磨损量与接触压力p、滑动距离L成正比，与材料硬度值成反比。式中K值称为粘着磨损系数，反映配对材料粘着力大小，决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力p不超过摩擦副材料硬度值的1/3时，K值基本上为不变。但压力超过钢的屈服强度后，K值急剧增大，磨损量也急剧增加，造成大面积的焊合和咬死。整个接触面积表面发生塑性变形，接触面积不再与载荷成正比。6.粘着磨损和磨粒磨损表面形貌的辨别⑴粘着磨损：其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤。⑵磨粒磨损：主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。7.接触疲劳接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用，使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的的现象。故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。8.接触疲劳裂纹的形成与扩展接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。其中循环切应力的大小及分布随接触载荷及接触物尺寸(半径、长度)而变化，而材料强度因材料表面强化/表面缺陷及内部缺陷而变化。9.减轻粘着磨损的主要措施⑴合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料。⑵避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。⑶为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量。可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。第七章材料的高温力学性能1.蠕变变形机理⑴位错滑移蠕变机理⑵原子扩散蠕变机理⑶晶界滑动蠕变机理⑷粘弹性机理（高分子材料）2.扩散蠕变机理在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现。但是在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散。3.晶间断裂产生的原因晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温低应力下情况更是如此，这是因为温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。4.晶界断裂两种模型⑴晶界滑动和应力集中模型；高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂。⑵空位聚集模型。5.金属材料蠕变断裂断口的宏观特征和微观特征：⑴金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：①一是在断口附近产生塑性变形，有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；②另一个特征是由于高温氧化，一层氧化膜所覆盖。⑵微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。6.松弛稳定性的应用松弛稳定性可以用来评价材料在高温下的预紧能力。对于那些在高温状态下工作的紧固件，在选材和设计时，就应该考虑材料的松弛稳定性。如汽轮机、燃气轮机的紧固件，在工作过程中，如果材料的松弛稳定性不好，那么随着工作时间的延长，剩余应力愈来愈小，当小于汽缸螺栓的预紧工作应力时，就会发生泄气事故。7.化学成分对材料蠕变性能的影响材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。⑴对于金属材料，①在一定温度下，熔点愈高的金属自扩散激活能愈大，扩散愈慢；②层错能愈低的金属愈易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移和攀移。这些都有利于降低蠕变速率。③大多数面心立方结构的金属，其高温强度比体心立方结构的高，这是一个重要原因。⑵对于陶瓷材料，①如果是共价键结构，由于价键的方向性，使之拥有较高的抵抗晶格畸变、阻碍位错运动的派-纳力；②如果是离子键结构，由于静电作用力的存在，晶格滑移不仅遵循晶体几何学的原则，而且受到静电吸力和斥力的制约。这些因素都反映在激发陶瓷蠕变的难度上，这也正是陶瓷材料具有较好抗高温蠕变性能的本征因素。⑶对于高分子材料，不同种类的材料具有不同的粘弹性，使得蠕变性能不同。第八章材料的热学性能1.热容材料在温度上升或下降时要吸热或放热，在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容。2.比热容单位质量材料的热容称之为“比热容”或“质量热容”。3.经典热容理论经典热容理论认为，在固体中可以用谐振子来代表每个原子在一个自由度的振动，按照经典理论能量自由度均分，每一振动自由度的平均动能和平均位能都为(1/2)kT，一个原子有3个振动自由度，平均动能和位能的总和就等于3kT，一个摩尔固体中有NA个原子，总能量为E=3NAkT=3RT4.热膨胀物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。5.热膨胀的机理在晶格振动理论中，曾近似地认为质点的热振动是简谐振动，温度的升高只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间平均距离不会因温度升高而改变。热量变化不能改变晶体的大小和形状，也就不会有热膨胀。这样的理论显然是不正确的，造成这一错误的原因是，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的，即作用力并不简单地与位移成正比。6.热膨胀和热容的关系固体材料受热引起的容积的膨胀是晶格振动加剧的结果。而晶格振动的加剧也就是原子（离子）热运动能量的增大，升高单位温度时能量的增量也正是热容的定义。7.热传导的微观机理⑴对于气体，依靠分子的碰撞来实现传热；⑵对于固体，主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的；⑶对于金属材料，由于有大量的自由电子存在，所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一般都具有较大的热导率（晶格振动对金属导热也有贡献，只是相比起来是很次要的）；⑷对于非金属材料，如一般离子晶体，晶格中自由电子极少，所以晶格振动是它们的主要导热机构。第九章材料的磁学性能1.材料磁性的本源材料内部电子的循轨和自旋运动。2.原子、分子是否具有磁矩，决定于该原子、分子的结构。⑴当原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零，它对原子磁矩没有贡献。⑵当原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原子的固有磁矩。⑶当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。3.铁具有磁性的原因：铁原子中共有26个电子，电子层分布为1s22s22p63s23p63d64s2，可以看出，除3d次电子层外，各层均被电子填满，自旋磁矩被抵消。根据洪特法则，电子在3d层中应尽可能填充到不同轨道，并且他们的自旋尽量在同方向上（平行自旋）。因此，5个轨道中有4个只有1个电子，而且这些电子的自旋方向平行，因此铁原子的固有磁矩是4个电子磁矩的总和。4.自然界中的铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。5.铁、钴、镍、锰和铬是否具有铁磁性的原因⑴铁、钴、镍、锰、铬都属于过渡族金属，它们的3d层都未被电子填满，因此它们都有剩余的自旋磁矩。⑵铁（1s22s22p63s23p63d64s2）、钴（1s22s22p63s23p63d74s2）和镍（1s22s22p63s23p63d84s2）的未抵消自旋数依次为4、３、２，具有较强的自发磁化倾向，能使磁矩自发地同相排列，因而是铁磁性材料。⑶锰（1s22s22p63s23p63d54s2）、铬（1s22s22p63s23p63d44s2）的未抵消自旋数分别为为5、4，但它们的自发磁化倾向很弱，自旋磁矩不能够自发地同相排列，因而不是铁磁性材料。⑷这就是说，金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同相排列，亦即产生自发磁化。6.自发磁化在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化称为自发磁化。金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的。当两个原子相接近时，它们的3d层和4s层的电子可以相互交换位置，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。7.铁磁性物质在磁化时具有两个很重要的特征：磁各向异性和磁致伸缩效应。8.磁滞回线第十章材料的电学性能1.经典电子理论（电子云）经典电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律，在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。2.量子自由电子理论量子自由电子理论同样认为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，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为，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，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。3.能带理论4.超导体的两个基本特性⑴完全导电性；⑵完全抗磁性。5.热电效应金属的热电现象可以概括为3个基本热电效应。⑴帕尔帖效应：电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。⑵汤姆逊效应：当一根金属导线两端温度不同时，若通以电流，则在导线中除产生焦尔热外，还要产生额外的吸放热现象。⑶赛贝克效应：当两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接触点的温度不同时，在回路中将产生电流。6.电介质介质在电场作用下产生感应电荷的现象称为介质的极化。这种介质称为电介质。7.介质损耗电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量。8.电击穿在强电场中工作的绝缘材料，当所承受的电压超过一临界值V穿时便丧失了绝缘性能而击穿，这种现象称为电介质的击穿。材料的电击穿是一个“电过程”，即仅有电子参加。在强电场的作用下原来处于热运动状态的少数“自由电子”将沿反电场方向定向运动。第十一章材料的光学性能1.不同晶类材料对电磁波的吸收率材料对包括可见光在内的电磁波的吸收强弱，主要取决于电磁波的波长。⑴金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态