【文章內容簡介】 re Chapter3 Properties of Materials 57 維氏硬度測量 Chapter3 Properties of Materials 58 硬度試驗 ? 布氏硬度法主要用來測定金屬材料中較軟及中等硬度的材料 ,很少用于陶瓷 ,維氏硬度法及努普硬度法都適于較硬的材料 ,也用于測量陶瓷的硬度 ,洛氏硬度法測量的范圍較廣 ,采用不同的壓頭和負荷可以得到 15種標準洛氏硬度 ,此外還有 15種表面洛氏硬度 ,其中 HRA、 HRC都能用來測量陶瓷的硬度。 ? 陶瓷材料也常用顯微硬度法來測量 ,其原理和維氏硬度法一樣 ,但是把硬度試驗的對象縮小到顯微尺度以內 ,它能測定在顯微觀察時所評定的某一組織組成物或某一組成相的硬度。顯微硬度試驗常用金剛石正四棱錐為壓頭 ,并在顯微鏡下測其硬度 ,試驗所用公式和維氏硬度所用的相同 ,即 ? 式中 ,負荷 P以 g為單位 。d以為單位。儀器有效負荷為 2200g。顯微硬度試驗法比較適于測定硬而脆的材料的硬度 ,所以也適用于測量陶瓷材料的硬度 Chapter3 Properties of Materials 59 ? 陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度叫做莫氏硬度 ,它只表示硬度由小到大的順序 ,不表示硬度的程度 ,后面的礦物可劃破前面的礦物表面。 ? 一般莫氏硬度分為十級 ,后來因為有一些人工合成的硬度大的材料出現 ,又將莫氏硬度分為十五級以便比較 , ? 表 110為莫氏硬度兩種分級的順序。 Chapter3 Properties of Materials 60 Chapter3 Properties of Materials 61 Chapter3 Properties of Materials 62 各種材料的硬度特征： ? 由共價鍵結合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因為共價鍵的強度較高； ? 無機非金屬材料有較高硬度 – 離子鍵和共價鍵的強度均較高； – 當含有價態(tài)較高而半徑較小的離子時，所形成的離子鍵強度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。 ? 金屬材料形成固溶體或合金時可顯著提高材料的硬度。 ? 高分子材料硬度通常較低 – 分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結合，鍵力較弱 Chapter3 Properties of Materials 63 疲勞性能 —— 材料抵抗疲勞破壞的能力 ? 疲勞（ fatigue）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。 ?熱容（ heat capacity） ?熱膨脹（ thermal expansion） ?熱傳導（ thermal conduction） Chapter3 Properties of Materials 64 熱性能 Thermal Property Chapter3 Properties of Materials 65 ? 定壓熱容 Cp – 晶體材料較高溫度下： Cp=3R= J?mol1?K1。 – 極低溫度下： Cp?T3 ? 定容熱容 CV dTdQC ? 熱容 （ heat capacity） ——1mol物質升高 1K所需要的熱量 Chapter3 Properties of Materials 66 ? 膨脹系數 ?： 溫度變化 1K時材料尺度的變化量。 ? 線膨脹系數 ?l和體積膨脹系數 ?V 1 lpllT??? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?1VpVVT??? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? 熱 膨脹 thermal expansion Chapter3 Properties of Materials 67 Curve 勢能一原子間距離曲線 假想的 實際的 熱膨脹現象解釋 Chapter3 Properties of Materials 68 Curve ? 金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數較小； ? 聚合物材料則較大。 鍵強與熱膨脹 膨脹的差異 —— 原子間的鍵合力越強，則熱膨脹系數越小 。 Chapter3 Properties of Materials 69 Examples ? 熱量通量 q ： ? 熱導率 ?：表征物質熱傳導性能的物理量。 – 單位： W?m1?K1，或 cal?cm1?s1?K1 – 1 cal?cm1?s1?K1=?102 W?m1?K1 熱 傳導（ thermal conduction） —— 熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一 個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現象 dTqdx???Chapter3 Properties of Materials 70 各種材料的導熱率 ? 金屬材料有很高的熱導率 – 自由電子在熱傳導中擔當主要角色； – 金屬晶體中的晶格缺陷、微結構和制造工藝都對導熱性有影響； – 晶格振動 ? 無機陶瓷或其它絕緣材料熱導率較低。 – 熱傳導依賴于晶格振動（聲子）的轉播。 – 高溫處的晶格振動較劇烈，再加上電子運動的貢獻增加，其熱導率隨溫度升高而增大。 ? 半導體材料的熱傳導： – 電子與聲子的共同貢獻 – 低溫時，聲子是熱能傳導的主要載體。 – 較高溫度下電子能激發(fā)進入導帶，所以導熱性顯著增大。 ? 高分子材料熱導率很低 – 熱傳導是靠分子鏈節(jié)及鏈段運動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。 Chapter3 Properties of Materials 71 Examples Chapter3 Properties of Materials 72 ?導電性 ?介電性 ?鐵電性 ?壓電性 —— 材料被施加電場時所產生的響應行為 電性能 Electrical Property Chapter3 Properties of Materials 73 Electrical property 導電性能 Electrical Conductivity 金屬：導體、半導體（半導體金屬砷、碲等） 陶瓷：絕緣體、半導體 高分子材料：絕緣體、半導體、導體 其它：硅、鍺（半導體），石墨（導體） Chapter3 Properties of Materials 74 Electrical property 電阻： lRA? ??? ???? 電阻率： ? 電導率： ? = 1/? ? = nZe? 要增加材料的導電性，關鍵是增大單位體積內載流子的數目（ n）和使載流子更易于流動（增大 ? 值） 。 Chapter3 Properties of Materials 75 Electrical property 能帶理論（ Band Theory） 能帶的形成 電子層可容納最多電子的數量為 2n178。 Chapter3 Properties of Materials 76 電子層（ atomic orbital）的名字起源于玻爾模式中，電子被認為一組一組地圍繞著核心以特定的距離旋轉，所以軌跡就形成了一個殼。 電子在原子核外排布時，要盡可能使電子的能量最低。一般來說，離核較近的電子具有較低的能量，隨著電子層數的增加，電子的能量越來越大；同一層中，各亞層的能量是按 s、 p、 d、 f的次序增高的。這兩種作用的總結果可以得出電子在原子核外排布時遵守下列次序： 1s， 2s， 2p， 3s， 3p， 4s， 3d， 4p， 5s， 4d， 5p， 6s， 4f，5d， 6p， 7s， 5f， 6d....... 當原子處在基態(tài)時，原子核外電子的排布遵循三個原則： (1)泡利不相容原理：在同一個原子中沒有也不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子存在 (2)能量最低原理 (3)洪特規(guī)則 Chapter3 Properties of Materials 77 Chapter3 Properties of Materials 78 Electrical property 各種材料的能帶結構 Chapter3 Properties of Materials 79 Electrical property 介 電性能 Dielectric Property 電容 C（ capacitance） —— 電荷量 q與電壓 V的比值： 平板電容計算： C =? (A/L) ? ?： 介電常數，表征材料極化和儲存電荷的能力 ； ? 相對介電常數 ?r： ?r=?/?0 C=q/V Chapter3 Properties of Materials 80 (2) Dielectric Property 某些介電材料的性能 Chapter3 Properties of Materials 81 (3) Ferroelectricity 鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezoelectricity 鐵電滯后現象 鐵電性 —— 材料在除去外