材料热膨胀的机理。

格律乃森定律的内容及原因。

格律乃森(Grüneisen)从晶格振动理论导出金属体膨胀系数与热容间存在的关系式：

??rCV KV式中：γ是格律乃森常数，是表示原子非线性振动的物理量，一般物质γ在1 .5 - 2 .5 间变化；K 是体积模量； V 是体积；CV 是等容热容。

从热容理论知, 低温下CV 随温度T3 变化, 则膨胀系数在低温下也按T3 规律变化, 即膨胀系数和热容随温度变化的特征基本一致。体膨胀系数与定容热容成正比，它们有相似的温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋向平缓。

固溶和冷加工对材料的λ(热导率)有何影响？为什么？

程减小，热

哪些因素会影响材料的热导率？如何影响？

(1)对于纯金属，影响其电导率因素有：温度、晶粒大小、晶向、杂质。具体地来说： 根据导热机制可以推论高电导率的金属就有高的热导率。

①热导率与温度关系：在低温时, 热导率随温度升高而不断增大，并达到最大值。随后，热导率在一小段温度范围内基本保持不变；当温度升高到某一温度后，热导率开始急剧下降，并在熔点处达到最低值。但像铋和锑这类金属熔化时, 它们的热导率增加一倍，这可能是过渡至液态时，共价键合减弱，而金属键合加强的结果。在德拜温度以上略成直线关系，

?r??0(1??T)。在德拜温度以下，某些金属的热导率遵循格留涅申定律而变化，???T-3铁磁性金属或合金的热导

率与温度曲线在居里点时有转折。

②晶粒大小的影响：一般情况是晶粒粗大，热导率高；晶粒愈细，热导率愈低。 ③立方晶系的热导率与晶向无关。非立方晶系晶体热导率表现出各向异性。

④所含杂质强烈影响热导率。当加入少量杂质时，组元的热导率降低很剧烈，但随着浓度的增加对热导率的影响要小得多。

(2)对于合金

两种金属构成连续无序固溶体时, 溶质组元浓度愈高, 热导率降低愈多, 并且热导率最小值靠近原子浓度50%处。当组元为铁及过渡族金属时，热导率最小值比50%处有较大的偏离。当为有序固溶体时，热导率提高，最大值对应于有序固溶体化学组分。

(3)对于无机非金属材料

比较而言, 金属材料热导率的影响因素比较单一，而无机非金属材料就复杂一点。因此，金属材料热导率的影响因素对无机非金属材料都同样的有作用，只是由于陶瓷材料相结构复杂一点，包括玻璃相和一定孔隙率。

①化学组成的影响：对于无机非金属材料来说，材料结构的相对原子质量愈小，密度愈小，弹性模量愈大, 德拜温度愈高, 则热导率愈大, 所以轻元素的固体和结合能大的固体热导率较大，固溶体的情况与金属固溶体的变化趋势相似，和金属固溶体类似，杂质浓度很低时， 杂质降低热导率效应十分明显；杂质浓度增高时，杂质效应减弱，在低温下杂质效应将会更显著。

②晶体结构的影响：晶体结构愈复杂，晶格振动的非线性程度愈大，其散射程度愈大，因此声子平均自由程较小，所以热导率便低了。

③晶粒大小和各向异性的影响：与对金属的热导率影响相同。同样化学组成的多晶体的热导率总比单晶小。

④非晶体的热导率：非晶体的热导率在所有温度下都比晶体小。玻璃是无机的非晶体材料，其热导率变化有其特殊性。 ⑤分散相的影响：常见复相陶瓷的典型微观结构是分散相均匀地分散在连续相中。热导率可以按下式计算：

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式中：κc 、κd分别为连续相和分散相的热导率；φd 为分散相的体积分数。

⑥气孔率的影响：无机材料常含有气孔，气孔对热导率的影响较复杂。如果温度不是很高，且气孔率不大，尺寸很小，分布又均匀，可以认为此时的气孔是复相陶瓷的分散相, 此时热导率可以按上式处理。只是由于与固相相比，其热导率很小，可以近似认为零, 且κc/κd很大，此时κ≈κs ( 1-φ气孔)。式中：κs为陶瓷固相热导率；φ气孔为气孔的体积分数。考虑气孔的辐射传热时，按下式计算：

式中：P 为气孔面积分数；PL 是气孔的长度分数；ε为辐射面的热发射率；G是几何因子；纵向长条气孔G=1，横向圆柱形气孔G =π/4, 球形气孔G = 2/ 3；d 是气孔最大尺寸。 (5)对于本征半导体

在本征半导体中，导带中电子和价带中的空穴随温度升高而增加，这导致热导率随温度升高而升高。 可以采取哪些措施提高材料的磁导率？其理论依据是什么？

(1)消除材料中的杂质；(2)把晶粒培育到足够大并呈等轴状；(3)形成再结晶织构；(4)采用磁场中退火。

(1)的理论依据是如当杂质固溶在材料中会造成点阵扭曲，当杂质呈夹杂物存在时则使畴壁穿孔，这都会给畴壁迁移造成阻力，导致磁导率下降，矫顽力上升。

(2)的理论依据是晶粒足够大，使得晶界减少，畴壁迁移变得更加容易。 (3)的理论依据是再结晶织构具有方向性，在该方向的磁导率会明显增大。

(4)的理论依据是在沿轴向的磁场中缓慢冷却时，磁畴将在室温磁化时沿应伸长(在正磁致伸缩情况下)的方向预先伸长，这样经过磁场中退火的样品，其磁致伸缩将不妨碍磁化，样品的磁化将变得更加容易，从而在该方向会有高的磁导率。 铁磁性物质中的相互作用能有哪些？各有什么特点？其中哪种能量最大？

铁磁性物质中的相互作用能有：磁晶各向异性能、磁弹性能、交换作用能、退磁能。

磁晶各向异性能是指沿不同晶轴方向的能量差。其特点是在易磁化轴上，磁晶各向异性能最小。

物体在磁化时要伸长(或收缩)，如果受到限制，不能伸长(或缩短)，则在物体内部产生压应力(或拉应力)，物体内部将产生的磁弹性能。其特点是物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。

交换作用能是指近邻原子间静电相互作用能，其特点是各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。而其它各项磁自由能

退磁能是指退磁场与铁磁体的相互作用能。其特点是退磁能与材料的退磁因子N，磁化强度M的平方成正比。N值、M2越大，退磁能越大。

总的来说，磁晶各向异性能、磁弹性能、退磁能不改变其自发磁化的本质，而仅改变其磁畴结构。 其中，交换作用能的能量最大。

物质抗磁性产生的本源是什么？ 为什么任何物质在磁场中都产生抗磁性？

理论研究证明, 抗磁性来源于电子轨道运动, 故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。但只有原子的电子壳层完全填满了电子的物质, 抗磁性才能表现出来, 否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。 无外H的时候：电子壳层已填满的原子总磁矩为0。

有外H作用时：即使总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。不管循轨运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针，电子的循轨运动在外H作用下都会产生抗磁矩,即产生的附加磁矩总是与外H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。 物质顺磁性产生的本源是什么？ 物质的顺磁性是如何产生的？ 物质顺磁性产生的本源是：原子(离子)的固有磁矩。

无外H的时候：由于热运动的影响，固有磁矩的取向为无序的，宏观上无磁性。

外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。

铁磁性材料为什么会形成一定形状和大小的磁畴？

为了最大限度地减小退磁能，磁畴必须形成三角畴的封闭结构，即呈封闭磁路，这样可使退磁能等于零。当铁磁晶体形成磁畴时，虽然降低了退磁场能，但增加了畴壁能。对大块晶粒来说，后者比前者要小很多，因此分畴在能量上是有利的。

影响磁畴壁迁移的因素有哪些？如何影响？

(1)铁磁材料中的夹杂物、第二相、空隙的数量及其分布。

(2)内应力起伏大小和分布，起伏越大、分布越不均匀，对磁畴壁的迁移阻力越大。为提高材料磁导率，就必须减少夹杂物的数量，减少内应力。

(3)磁晶各向异性能的大小，因为壁移实质上是原子磁矩的转动，它必然要通过难磁化方向，故降低磁晶各向异性能也可提高磁导率。

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(4)磁致伸缩性能和磁弹性能也影响较小壁移过程，因为壁移也会引起材料某一方向的伸长, 另一方向则要缩短, 故要增加磁导率, 应使材料具有较小的磁致伸缩和磁弹性能。 铁磁性材料的技术磁化机制。

分别用应力理论和杂质理论解释铁磁性材料技术磁化过程。

有人建议：银有良好的导电性而且能够在铝中固溶一定的数量，因此可用银使铝固溶强化，以供高压输电线使用。请详述：

(a)这个意见是否基本正确；

(b)能否提够另一种达到上述目的的方法； (c)阐述你所提供方案的优越性。

(a)不正确。因为形成固溶体时，导电性能降低，即使是在低导电性的金属中溶入高导电性的金属溶质也是如此。Ag价格昂贵，不宜用与高压输电线。

(b)使用铝包钢芯铝绞线。绞制是为了增大整体绞线的柔软性，与钢芯共绞是为增大绞线的整体强度。

(c)铝包钢芯铝绞线是由铝包钢丝做加强芯和硬铝线绞合组成的架空导线。铝包钢芯铝绞线和普通钢芯铝绞线相比，绞线重量轻5%，载流量提高2～3%，弧垂减小1～2%，电力损耗减少4～6%，且防腐性能好、使用寿命长、结构简单、架设和维护方便、传输容量大。它可广泛适用于各种电压等级的输电线路和要求增大铝钢截面比的输电线路，还可用于沿海地区、盐碱滩和三、四级工业污染区输电线路。具体地来说，方案的优越性体现在以下几点：

(1)铝包钢线尺寸和性能可调节范围大(产品尺寸范围<1.2 mm～<10 mm,产品强度范围50MPa～1400 MPa)，铝层与线材截面积之比的调节范围可达13%～85%，电导率范围为14%～55%IACS。 (2)表面的铝层提供了优良的耐腐蚀性。 (3)铝钢间的结合强度好。

(4)密度低于镀锌钢线和镀铝钢线。 (5)用做输电线时,具有极好的耐热性。 (6)导线的断面可制成复杂的形状。

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