材料物理性能考试复习资料

1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。

2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为

奥氏体相变点，弹性模量单调下降，但超过相变点，弹性校模量会突然上升，然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生，膨胀系数急剧减小，使得弹性模量突然降低所致。

3. 不同材料的弹性模量差别很大，主要是因为材料具有不同的结合键和键能。

4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合

力。对于一定的材料它是个常数。

弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同，没有定量关系。（☆）

5. 材料的断裂强度：a E th /γσ=

材料断裂强度的粗略估计：10/E th =σ

6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近

绝对零度时，热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。

7. 德拜温度意义:

① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别，就是由德拜温

度θD 来划分这两个温度区域:

在低θD 的温度区间，电阻率与温度的5次方成正比。

在高于θD 的温度区间，电阻率与温度成正比。

② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。

③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时，对所有的物质都具有

相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上，

徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。

8. 固体材料热膨胀机理：

（1） 固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升

高而增大。

（2） 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升

高，热缺陷浓度呈指数增加，这方面影响较重要。

9. 导热系数与导温系数的含义:

材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率，热导率越高，温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高，趋向于稳定的速度越快。

即:热导率大，稳定后的温度梯度小，热扩散率大，更快的达到“稳定后的温度梯度”（☆）

10. 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称为抗热震

性。

热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。

11. 提高材料抗热冲击断裂性能的措施

①提高材料强度σ，减小弹性模量E ，σ/E 增大，即提高了材料柔韧性，这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细，晶界缺陷小，气孔少且分散者，强度较高，抗热冲击断裂性较好。

②提高材料的热导率，使R ’提高。

③减小材料的膨胀系数α。

④减少材料表面热传递系数h,这主要通过调节周围的散热条件来实现。 ⑤减小产品的有效厚度。(☆）

12. 推导材料第一热应力断裂抵抗因子R ，并绘制平面薄板的热应力示意图。包

括分析，图，方程，解，第一热应力断裂抵抗因子表达式。参见教材P94。

当时间t=0的瞬间，σx =σz =σmax 若它恰好达到材料强度，则会出现开裂破裂，求得：

αμσE T f /)1(max -=?

E R f αμσ/)1(-=(☆）

13. 影响表面散热包含三个因素:热导率，传热途径，材料表面散热速率(即表面

热传递系数h ）

为了表示影响散热三个因素综合的作用，引入综合系数毕奥模数β

定义:λβ/m hr =，无单位。β越大对热稳定性越不利。

其中β是毕奥模数;h 是表面热传递系数(对应表面散热速率);

m r 是材料的半厚(对应传热途径)；λ是热导率。

14. 定义无因次应力:max /σσσ=*。

式中:*σ是无因次表面应力;

σ是折减后的实测应力;

max σ是材料所承受的最大应力。

注意:无因次应力为一个系数，无量纲。

15. R 、R '、R"和R '''、R ''''

R 、R'、R"和断裂强度σf 的大小成正比，和弹性模量E 成反比。

R '''、R ''''和断裂强度σf 的大小成反比，和弹性模量E 成正比。

两者背道而驰的原因是：判据不同。

R 、R'、R ”适用于致密性材料，从避免裂纹产生来避免材料的热应力损坏破坏。

R '''、R ''''适用于疏松性材料，从阻止裂纹扩展来避免材料的热应力损坏破坏。

16. 第一热应力断裂抵抗因子、第二热应力断裂抵抗因子都是表征材料抗热冲击

断裂性能，他们的量纲是不同的。

17. 光的传播速度：

在真空中:C s m u ===/10*9979.2/1800με

在介质中:c

r r με=n ,n 为介质的折射率,n=c/μ

u ---波的传播速度;ε---介电常数;μ---磁导率

真空中的光速是一个常数值，它是由另外两个我们都知道的或将知道两个常数真空介电常数和真空磁导率计算出来。介质的折射率是两外参数计算出来的，相对介电常数和相对磁导率。

18. 在光的传播过程中，电、磁、传播方向，三者互相垂直。

19. 光通过固体的现象包括:透射、吸收、反射、散射

20. 折射：

折射产生的原因:因为介质的极化，“拖住” 了电磁波的步伐，才使得其

传播速度变得比真空中慢，使得材料发生折射。

材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。

21. 光与固体相互作用的本质有两种方式:电子极化和电子能态转变。

从微观上分析，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中原子、离子、电子等的相互作用。

材料的折射率随入射光的波长而变化，这种现象称为光的色散。

光的吸收、散射和色散这三种现象，都是由于光与物质的相互作用引起

的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。(☆）

22. 证明：朗伯特定律：l e I I α-=0（☆）

式中：I---光的强度；l---距离；α---吸收系数；0I ---入射光强度。

如图所示，光强为0I 的单色平行光束通过均匀物质，在经过一段距离0l 后光强已减弱到I ，再通过一无限薄层dl 后光强变为I+dI 。

实验表明，在相当宽的光强度范围内，dI 相当精确地正比于I 和dI ，即：

dl I dI *-=α/

l e I I dl I I αα-=?-=*0*/d

23. 朗伯特定律：l e I I α-=0（☆）

式中吸收系数α取决于材料的性质和光的波长。

系数α是与光强I 无关的比例系数，称为该物质的吸收系数。

上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。

24. 光的散射:

光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。

光强随距离变化的公式:l l s a e I e I I )(00**ααα+--==

25. 色散：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，

称为折射率的色散。

26. 间隙离子单位时间沿某一方向跃迁的次数的影响因素:

(1)、 温度越高,越容易跃迁；

(2)、 势垒0U 越低，越容易跃迁；

(3)、 振动频率0v 越高，越容易跃迁。

而且温度和势垒大小影响比频率更大。

27. 证明:电场强度不太大时，载流子沿电场方向的迁移率为：

kT kT U q v 6/)/exp(020

-=δμ 式中:q 为电荷数，单位C ；k=0.86*1-4·

10-K eV ;0U 为无外电场时的间隙离子的势垒，单位eV 。

28.温度对电导率的影响是通过影响迁移率和载流子浓度来实现的。（☆）

物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。（☆）29.含有大量碱性氧化物的无定形相的陶瓷材料的电导率较高，是因为玻璃相结

构松驰，微晶相-缺陷较多，活化能较低。

理想金属在0K时电阻为零。在0K,冷加工金属仍保留某一极限电阻率。

30.半导体的禁带宽度不一定小于绝缘体。

31.霍尔效应的定义、产生的原因及用途:

答：霍尔效应：沿试样x轴方向通入电流I(电流密度J x),z轴方向上加一磁场

H z,那么在y轴方向上将产生一电场E y,这种现象称霍尔效应。

产生的原因：是由于电子在磁场作用下产生横向移动的结果。因电子质

量小、运动容易，而离子的质量比电子大得多，磁场作用力

不足以使离子产生横向位移，因而纯离子的电导不呈现霍

尔效应。

霍尔效应的应用：可利用霍尔效应的存在与否来检验材料是否存在电子

电导。

霍尔效应示意图

32.利用电解效应可以检验材料中是否存在离子导电；

利用霍尔效应可以检验材料中是否存在电子导电。

33.电导的活化能包括缺陷形成能和迁移能。

活化能大小反映了离子固定(稳定）的程度，活化能越大，导电率越小。34.量子自由电子理论表明，井非所在自由电子都对金属电导率有贡献，而是只

有在费米面附近能级的电子才能对电导做出贡献。

根据能带理论,晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都具有电导。只有导带中的电子或价带顶部的空穴才具有电导。

35.本征电导导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时存在，载流子电子和空

穴的浓度是相等的。

杂质对半导体的导电性能影响很大。例如，单晶硅中掺(1/10万)硼，导电能力将增大1000倍，即导电能力增大的倍数是渗硼比例的108倍。

杂质半导体可分为:n型(可提供电子，即施主)、p型(会接受电子，即受主)。

杂质电导率比本征电导率大得多，离子晶体的电导主要为杂质电导，只有在很高的温度时才显示本征电导。

杂质电导在较低温度下其电导表现得很显著；本征电导只有在很高温度下其电导表现得很显著。

36.n型半导体和p型半导体的区别，P型半导体的导电机理，n型半导体的导电

机理。

（1）区别:掺入“多余”电子的杂质能级称为施主能级，n型半导体；掺

入受主杂质的半导体称为p 型半导体。

（2） P 型半导体的导电机理:在四价的Si 单品中掺入三价的杂质硼，一个

硼原子外层外层只有3个电子，与Si 形成共价键时就少了1个电子，即出现了一个电子空穴，为了与四个相邻的硅原子形成共价键，价带中的电子激发至空穴。

原因：该空穴能级离价带很近，价带中的电子激发至空穴能级上比起这过整个禁带到导带要容易得多。

（3） N 型半导体的导电机理：N 型半导体的导电机理子在四价的Si 单晶

中掺入五价的杂质砷，一个砷原子外层有五个电子，取代一个硅原子原，砷原子中四个电子同相邻的四个硅原子形成共价键，还多出一个电子。这个电子离导带很近，只差1E =0.05eV ，仅为硅禁带宽度的5%，很容易激发到导带中去。

37. 固体电解质的总电导率为离子电导率和电子电导率之和。

38. 冷加工对电阻率的影响及其原理。

影响：一般单相固溶体经冷加工后，电阳可增加10％-20％。而有序固溶

体电阻增加100%，甚至更高。

原理：冷加工引起金属电阳率增加，同品格畸变(空位、位错)有关。冷加

工引起金属晶格畸变也像原子热振动一样，增加电子散射几率。同

时也会引起金属晶体原子间健合的改变，导致原子间距的改变。

39. 马西森定律

马西森定律:金属的总电阻包括金属的溶质(杂质)电阻和基本电阻。

）

（T ρρρ+'= ρ'---是与杂质浓度、点缺陷、位错有关的电阻率。

）

（T ρ---与温度有关的电阻率。（☆） 40. 双碱效应和压碱效应的现象和原理:

（1） 双碱效应现象:在金属离子总浓度相同情况下，含两种碱比含一种碱的电

导率要小，比例恰当时，可降到最低(降低4~5个数量级）。

（2） 双碱效应原理:在外电场作用下，R+移动时，小离子留下的空位比大离子

留下的空位小，这样大离子只能通过本身留下的空位，而

小离子进入体积大的空位中，产生应力，不稳定。这样互

相干扰使电导率大大下降。

（3） 压碱效应现象:含碱玻璃中加入二价金属氧化物，先其是重金属氧化物，

可使玻璃电导率降低。

（4） 压碱效应原理:因为二价离子与玻璃体中氧离子结谷比较牢国，能嵌入玻

璃网络结构。以致堵住了碱金属离子的迁移通道，使极金

属离子移动困难，从而减小了玻璃的电导率。（☆）

41. 电化学老化是离于在电极附近发生的氧化还原过程，包括四种情况:阳离子-

阳离子电导、阴离子-阳离子电导、电子-阳离子电导、电子-阴离子电导

42. 抗磁性和顺磁性的区别和联系

◆相同:不施加外磁场时，磁矩表现为0；对外表现出的磁性都很弱；都是

在施加外磁场之后显示出磁性来。

◆不同:抗磁性对物体表现为排斥作用，顺磁性对物体表现为吸引作用；抗

磁性本来就没有磁性，施加外磁场之后显示出抗磁性来；顺磁体是

因为热运动使得磁性不能够显示出来。施加外磁场之后显示出顺磁

性磁性来。

◆联系：晶粒细化可以使部分元素的磁性减弱，在晶粒高度细化的过程中，

这些元素可以由抗磁性变为顺磁性。（☆）

43.绘制铁磁性、亚铁磁性、顺磁体、反铁磁体磁化曲线(H-M）示意图，并绘制

对应的磁矩排列示意图。

（☆）

44.外斯假说的内容包括分子场假说和磁畴假说。

45.用能量的观点说明铁磁体内形成磁畴的原因。

根据热力学定律稳定的磁状态一定是对应于铁磁材料内总自由能极小值的状态。磁畴的形成和稳定的结构状态，也是对应于满足总的自由能为极小值的条件。对于铁材料来说，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小，故铁磁材料自发磁化后必然分成小区域的磁畴，使总自由能为最低，从而满是能量最低原理。可见，退磁场能是形成磁畴的原因。

磁体为了保持自发磁化的稳定性，必须使得强磁体的能量达到最低值，因而就分裂成为无数微小的磁畴。通过分裂为小磁畴，然后磁畴取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，使得磁体在空气中的自由静磁能下降为0,对外不显示磁性。(☆）

46.磁畴的特点是使得材料对外不显示磁性。（☆）

磁畴壁的实质是相邻磁畴间的过渡层。（☆）

47.自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的条件是什么?

答: 铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。

材料具有铁磁性的条件为:

(1)材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩；

(2)交换积分A>0。

48.什么是磁化曲线，磁化曲线的意义是什么，绘制磁化曲线的分布示意图，即

磁化曲线与磁畴之间的关系。

答：磁化曲线：磁化曲线是表示物质中磁场强度H与所感应的磁化强度M

或磁感应强度B 之间的关系。

磁化曲线的意义：对于铁磁性材料，磁感应强度B 和磁场强度H 不成正

比，因为材料的磁化过程与磁畴磁矩改变方向有关。

在H ＝0时，磁畴取向是无规则的，到磁感应强度饱

和时（B ＝B S ）再增大H 也不能使B 增加，因为形成

的单一磁畴的方向已与H 一致了。

磁化曲线的分布示意图：

磁化曲线分布示意图

（a ）磁化过程（b ）磁畴扩大（c ）磁化矢量转向

49. 磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积表征一个磁化周期内，以热的形式所消耗

的（3/m J ）

33

4m h H f W η= 由上式知，由壁移引起的磁滞损耗h W 不但与磁化场的频率f 成正比，与磁化场振幅m H 的三次方成正比，还和瑞利常数η成正比，瑞利常数的物理意义表示磁化过程中能量不可逆部分的大小。

（瑞利磁滞回线）

50. 能够从磁滞回线上确定的特征参数包括饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矫顽力。

51. 电介质:在电场作用下，能建立极化的一切物质。

电介质的主要性能参教:介电常数、介电损耗因子、介电强度。

电介质的极化:电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。

52. 介电材料:放在平板电容器中增加电容的材料。

◆ 介电质4种极化机制:电子位移极化、离子位移极化、转向极化、空间电荷极化

◆ 介电质5种极化类型:电子位移极化、离子位移极化、驰豫极化、转向极化、空间电荷极化。

◆ 介质损耗的种类包括:电导损耗、极化损耗、游离损耗。

53. 当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏。相应的临界电场强度称为介电强度，通的用单位尺寸承受的电压表征。

54. 固体电介质的击穿包括:固体电介质的热击穿和固体电介质的电击穿。

固体电介质的热击穿，可以简化为两种极端情况:稳态热击穿和脉冲热击穿。

影响材料击穿强度的因素:（1）介质结构的不均匀性;材料中气泡的作用;

（2）材料表面状态和边缘电场。

55. 压电性与晶体的对称性有很大关系,具有对称中心的晶体不具有压电效应。

◆ 但没有对称中心的晶体也不一定具有压电性，前提必须是介电材料。

56. 介电性、压电性、热释电性、铁电性的关系：介电性>压电性>热释电性>铁

电性。

57. 移峰效应：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和

离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移动，这就是移

峰效应。

58. 压峰效应：压峰效应是为了降低居里点处的相对介电常数的峰值，即降低ε-T

非线性，也使工作状态相应于ε-T 平缓区。

59. 热电效应:在用不同种导体构成的闭合电路中。若使其结合部出现温度差，则

在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电势，此现象称为热

电效应。

60. 热电效应包括三种:(a)西贝克效应;(b)珀尔帖效应;(c)汤姆森效应。

◆ 其中汤姆森效应是西贝克效应的逆效应，与用珀尔帖效应相似。

61. 掌握西贝克效应:现象,原理,公式

现象:当由两种不同的导体a 、b 构成的电路开路时，若其接点1、2分别保持

在不同的温度1T ,(低温)、2T (高温)下，

则回路内产生电动势(热电势)△V ，此现象称为西贝克效应，其感应电动势正比于接点温度1T 、2T 之差T ?。

12T T T -=?

?)

(

=

?

T

S

V?

μ。

)

(T

V/

S---西贝克系数，单位为K

西贝克效应原理:一根金属或半导体棒的两端保持有温度差，那么热端载流

子将向冷端运动。

西贝克效应应用:将冷断固定在冰点，可以通过热电势测量热端温度。

62.光电性能包括:光电发射效应; 光电导效应;光生伏特效应。

63.热释电性是除了压电效应外，温度变化可以使其电极化强度发生变化。

热释电体与铁电体:

64.自发极化强度矢量能在外电场的作用下沿着某几个特定的晶向重新定向的

热释电体就是铁电体。铁电体是热释电体的一个亚族，从本质上来看铁电体总是具有压电性和热释电性。

65.自发极化能被外电场重新定向是铁电体最重要的判据，也是铁电体具有许多

独特性质的主要原因（即具有电滞回线）。