材料物理性能

1、緒 論按材質(zhì)分類：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料按應(yīng)用領(lǐng)域分： 結(jié)構(gòu)材料：強(qiáng)調(diào)力學(xué)性能，應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度、塑性、韌性 功能材料：強(qiáng)調(diào)物理性能； 電性能：導(dǎo)電性能，電阻、電阻率、導(dǎo)電率 熱性能：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo) 磁性能：軟磁、硬磁 聲學(xué)性能：減震降噪、吸音 光學(xué)性能：光的折射、反射、吸收 功能的復(fù)合與轉(zhuǎn)換：熱電：溫度引起電勢(shì)的變化 壓電：力學(xué)性能引起極化現(xiàn)象 電光：光學(xué)特性受電場(chǎng)影響而發(fā)生變化 磁光：光學(xué)性能受磁場(chǎng)影響而變化 聲光：材料的力電熱之間功能轉(zhuǎn)換關(guān)系 連接這些頂角的對(duì)角線表示三個(gè)主要效應(yīng)：(1)在可逆變化并考慮單位體積時(shí)，溫度的變化引起墑的變化 dS(CT)dT式中，標(biāo)量c是單

2、位體積的熱容，而T為絕對(duì)溫度 (2)電場(chǎng)的小變動(dòng)dEj引起電位移變化dDi，且有如下關(guān)系式： dDiKij dEj式中， Kij為電容率張量 (3)應(yīng)力的小變化dkl 會(huì)引起應(yīng)變的小變化dij ，具體關(guān)系為 dij Sijkl dij 式中Sijkl為彈件柔度 連接不同頂角的線段代表不同的藕合效應(yīng)：下部表示材料的熱彈效應(yīng)，兩條對(duì)角線中的一條代表由溫度變化引起應(yīng)變的熱膨脹，表示由應(yīng)力引起熵(熱)的壓熱效應(yīng)；兩條平行線，上條線表示由應(yīng)變引起熵(熱)的形變熱，下條線代表由溫度變化而形狀不變時(shí)引起的熱壓力。 內(nèi)容：系統(tǒng)地闡明金屬材料物理性能(熱、電、磁、彈性與內(nèi)耗）的變化本質(zhì)、變化規(guī)律、影響因素、測(cè)試

3、方法及其在金屬材料研究中的應(yīng)用 目的：在掌握必要的物理性能本質(zhì)的基礎(chǔ)上，著重掌握金屬物理性能與金屬成分、組織、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系和金屬物理性能的主要測(cè)試原理、方法，以期達(dá)到在金屬研究中能合理選擇物理性能分析方法及確定實(shí)驗(yàn)方法的初步能力，并為應(yīng)用和發(fā)展特殊物理性能的金屬材料打基礎(chǔ)。參考書目：宋學(xué)孟，金屬物理性能分析，機(jī)械工業(yè)出版社：1991徐京娟，金屬物理性能分析，上?？萍汲霭嫔纾?987陳述川，材料物理性能，上海交通大學(xué)出版社，1999第一章 電性能1.1 金屬的導(dǎo)電性一、表征參數(shù) 電阻R（）、電阻率（ m）、導(dǎo)電率（S/m） 電阻溫度系數(shù)： 導(dǎo)體： ：10-810-4 m 半導(dǎo)體： ：10-41

4、0+7 m 絕緣體：10+810+18 m二、金屬導(dǎo)電理論1、經(jīng)典電子理論 假設(shè)：金屬晶體中原子失去價(jià)電子成為正離子，正離子構(gòu)成晶體點(diǎn)陣，價(jià)電子成為公有化電子，電子間無(wú)相互作用。自由電子與正離子間的作用僅類似于機(jī)械碰撞；無(wú)外場(chǎng)作用時(shí)，自由電子沿各向運(yùn)動(dòng)的機(jī)率相同，不產(chǎn)生電流；施加外電場(chǎng)后電子獲得加速度，發(fā)生定向遷移，從而產(chǎn)生電流。mtEeatV/mtEeatV2/設(shè)單位體積金屬中的自由電子數(shù)為n，則電流密度導(dǎo)電率=J/EmEtneVneJ22Vmlnemtne2222lneVm22單位體積中自由電子數(shù)越多，電子運(yùn)動(dòng)自由程越大，金屬導(dǎo)電性越好。缺陷：忽略了電子間的排斥作用和正離子點(diǎn)陣周期場(chǎng)的作用

5、。2、量子理論 假設(shè)：在金屬中點(diǎn)陣所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)各處均勻，即離子與價(jià)電子沒有相互作用，且價(jià)電子為整個(gè)金屬所共有，但明確指出：金屬中每個(gè)原子的內(nèi)層電子基本保持著單個(gè)原子時(shí)的能量狀態(tài)，所有價(jià)電子按量子化規(guī)律具有不同能量狀態(tài)，即具有不同能級(jí)第二章 熱學(xué)性能 熱學(xué)性能包括熱容、熱膨脹和熱傳導(dǎo)，其共同特點(diǎn)是這些性能和金屬中原子的熱振動(dòng)密切相關(guān)，即熱學(xué)性能直接取決于晶格振動(dòng)； 由于金屬及合金在發(fā)生相變時(shí)伴隨熱的吸收或釋放，因此可根據(jù)熱焓、熱容等參數(shù)變化來(lái)判斷相變類型，利用對(duì)熱或溫度的測(cè)量，確定相變的臨界點(diǎn)，從而研究相的析出、固溶、冷加工后的回復(fù)與再結(jié)晶等過(guò)程。2.1 熱容2.2 熱膨脹熱膨脹一、熱膨脹及其物

6、理本質(zhì)一、熱膨脹及其物理本質(zhì) 定義：材料在加熱或冷卻的過(guò)程中，其體積發(fā)生熱脹冷縮的 現(xiàn)象；（無(wú)無(wú)相變：正常熱膨脹相變：正常熱膨脹） 組織轉(zhuǎn)變、相變過(guò)程也能產(chǎn)生明顯的體積效應(yīng)（異常異常）表征參數(shù)： 平均線膨脹系數(shù)： 平均體脹系數(shù)： 真實(shí)線脹系數(shù)： 對(duì)立方晶系、各向同性材料：121121*TTLLLl121121*TTVVVvdTLdLTl1lv3特殊膨脹合金：因瓦合金：低膨脹系數(shù)，=1.810-6可伐合金（定脹合金）：在某一溫度范圍內(nèi)，其接近于一恒定值（4.810-6）高膨脹合金：具有較高的膨脹系數(shù)（232810-6）熱膨脹的物理本質(zhì)物理本質(zhì)：金屬受熱時(shí)體積膨脹與離子振動(dòng)有關(guān)與離子振動(dòng)有關(guān)，溫度

7、升高，導(dǎo)致原子間距增大，產(chǎn)生膨脹，其根本原因在于原子熱振動(dòng)時(shí)原子間的作用力成非線性非線性，形成的勢(shì)能呈勢(shì)能呈非對(duì)稱性非對(duì)稱性，由于勢(shì)能曲線的非對(duì)稱性導(dǎo)致原子中心右移，從而使原子間距增大，出現(xiàn)膨脹二、熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系二、熱膨脹與其它物理性能的關(guān)系1、熱容熱容：均為原子熱振動(dòng)增加而引起的振幅增大和振動(dòng)能量增大的結(jié)果式中：r是格律乃森常數(shù)，是表示原子非線性振動(dòng)的物理量，一般物質(zhì)r在1525，K為體積彈性模量，V為體積，C為等容熱容vvCKVr2、原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力 A：熔點(diǎn)熔點(diǎn)：原子間結(jié)合力越大，金屬熔點(diǎn)（Tm）越高，升高相同溫度使原子間距增量減小，膨脹系數(shù)越小，滿足極限方程： Tm

8、v=（VTm-V0）/ V0=Const 對(duì)于立方、六方金屬，C0.060.076， 正方金屬： C0.0276B：Deby特征溫度特征溫度：原子間結(jié)合力與Deby特征溫度的平方成正比，故Deby特征溫度越高，膨脹系數(shù)越小C：硬度硬度：原子間結(jié)合力越大，切變模量G越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，塑性抗力越大，硬度越高，因而膨脹系數(shù)越小3、原子序數(shù)原子序數(shù)：熱脹系數(shù)是原子序數(shù)的周期性函數(shù)周期性函數(shù)； 同一族IA族元素原子序數(shù)增加，線脹系數(shù)增大； 其它A族元素隨原子序數(shù)的增大，線脹系數(shù)下降； 同一周期中過(guò)渡族金屬膨脹系數(shù)最小，堿金屬膨脹系數(shù)最大，原因在于堿金屬原子間結(jié)合力小，熔點(diǎn)低，而過(guò)渡族元數(shù)熔點(diǎn)高，同

9、時(shí)存在未排滿的d、f層電子，結(jié)合力大，從膨脹系數(shù)小。三、熱膨脹的影響因素三、熱膨脹的影響因素（一）、相變的影響（一）、相變的影響1、多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)）：由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)重排，金屬比容突變突變，導(dǎo)致膨脹系數(shù)不連續(xù)變化，具備一級(jí)相變一級(jí)相變的特征；2、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變有序無(wú)序轉(zhuǎn)變：二級(jí)相變二級(jí)相變，相變時(shí)體積無(wú)突變無(wú)突變，但膨脹系數(shù)在相變溫度區(qū)間有改變，從而在膨脹曲線上出現(xiàn)拐折Cv3、磁性轉(zhuǎn)變磁性轉(zhuǎn)變：居里點(diǎn)T處，隨溫度的升高，由鐵磁-順磁，從而產(chǎn)生磁致伸縮的逆效應(yīng)，即出現(xiàn)一附加的伸長(zhǎng)或縮短（由相變引起），體現(xiàn)在膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系上，則出現(xiàn)反常：Ni、Co的熱膨脹峰向上，為正反常

10、；Fe熱膨脹峰向下，為負(fù)反常（二）、合金成分和組織的影響合金成分和組織的影響1、固溶體固溶體：絕大多數(shù)金屬形成單相固溶體時(shí)，其膨脹系數(shù)介于組元的膨脹系數(shù)之間，溶劑中溶入低膨脹系數(shù)的溶質(zhì)時(shí)，固溶體膨脹系數(shù)降低，反之升高；隨溶質(zhì)濃度的增加，其變化規(guī)律稍低于按算術(shù)相加規(guī)律的計(jì)算值，成凹曲線凹曲線例：一般情況一般情況：在Al中溶入Cu、Si、Ni、Fe、Be；Cu中加Pd、Ni、Au均降低其熱膨脹系數(shù)；Cu中溶入Zn、Sn使其熱膨脹系數(shù)增大特殊情況特殊情況：SbkT的情況下，電子熱容Ce與溫度T成正比，一般情況下電子速度Ve為一常數(shù) ，則根據(jù)：由于物理、化學(xué)缺陷與點(diǎn)陣振動(dòng)對(duì)電子的散射，限制了電子的平均

11、自由由于物理、化學(xué)缺陷與點(diǎn)陣振動(dòng)對(duì)電子的散射，限制了電子的平均自由程程?？死彰伤怪赋觯涸诘蜏厍闆r下缺陷對(duì)電子散射同樣滿足魏德曼弗朗茲定律，則 ： 令： 則由于低溫下基本熱阻低溫下基本熱阻：則eeeelvc31eelTeeLTWT00eL/0TW/02)(TTW)/(12TTeTTWe2在Debye溫度以上的高溫下，由于基本電阻則TConstTLTW0)( 一般說(shuō)來(lái)，純金屬由于溫度升高而使平均自由程減小的作用超過(guò)溫度純金屬由于溫度升高而使平均自由程減小的作用超過(guò)溫度的直接作用的直接作用，因而純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。合金的導(dǎo)熱合金的導(dǎo)熱系數(shù)則不同，

12、由于異類原子的存在，平均自由程受溫度的影響相對(duì)減小，系數(shù)則不同，由于異類原子的存在，平均自由程受溫度的影響相對(duì)減小，溫度本身的影響起主導(dǎo)作用，因此溫度本身的影響起主導(dǎo)作用，因此隨溫度的升高而升高隨溫度的升高而升高 2、原子結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響原子結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)的影響：自由電子起主要作用，與導(dǎo)電率密切相關(guān)自由電子起主要作用，與導(dǎo)電率密切相關(guān)由圖可見：具有一個(gè)價(jià)電子的具有一個(gè)價(jià)電子的Au、Ag、Cu的導(dǎo)熱系數(shù)最高；導(dǎo)電性能良好的的導(dǎo)熱系數(shù)最高；導(dǎo)電性能良好的Al、W等導(dǎo)熱系數(shù)也比較高；德拜溫度較高的單質(zhì)，如等導(dǎo)熱系數(shù)也比較高；德拜溫度較高的單質(zhì)，如Be和金剛石也都具有較高的導(dǎo)和金剛石也都具有較高的導(dǎo)熱

13、系數(shù)熱系數(shù)。3、合金成分和晶體結(jié)構(gòu)合金成分和晶體結(jié)構(gòu)（1）合金中加入雜質(zhì)元素，使殘余熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低合金中加入雜質(zhì)元素，使殘余熱阻增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低； 合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異大，則晶格畸變大，對(duì)電子、聲子散射大，導(dǎo)熱系數(shù)降幅大；合金元素與基體金屬結(jié)構(gòu)差異小，則晶格畸變小，對(duì)電子、聲子散射小，導(dǎo)熱系數(shù)降幅不大；如基體熱傳導(dǎo)系數(shù)大，合金元素影響較大；（2）合金發(fā)生無(wú)序無(wú)序-有序轉(zhuǎn)變有序轉(zhuǎn)變時(shí)，由于點(diǎn)陣的周期性增強(qiáng)，使傳導(dǎo)電子的平均點(diǎn)陣的周期性增強(qiáng)，使傳導(dǎo)電子的平均自由程增大自由程增大，使其導(dǎo)熱系數(shù)比無(wú)序時(shí)明顯增大導(dǎo)熱系數(shù)比無(wú)序時(shí)明顯增大；對(duì)液、固態(tài)下無(wú)限互溶的固溶體，其變化規(guī)律與電阻率變

14、化規(guī)律相反對(duì)液、固態(tài)下無(wú)限互溶的固溶體，其變化規(guī)律與電阻率變化規(guī)律相反（3）、晶粒大小晶粒大小：晶粒越粗大，熱導(dǎo)率越高，晶粒越細(xì)小，熱導(dǎo)率越低；（4）、立方晶系、各向同性材料，熱導(dǎo)率與晶向無(wú)關(guān)；其他晶系，則出現(xiàn)各向異性各向異性；三、熱導(dǎo)率的測(cè)量熱導(dǎo)率的測(cè)量：利用穩(wěn)態(tài)傳熱方法 控制加熱功率，使半無(wú)限大試樣在控制加熱功率，使半無(wú)限大試樣在Y軸方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)傳熱，軸方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)傳熱，即加熱與傳出熱量即加熱與傳出熱量始終相等始終相等，滿足： 則T=AY+B代入邊界條件：y=0 T=T1 y=H T=T2 溫度場(chǎng) ：根據(jù)Fourier定律：式中q與加熱功率有關(guān)（W/S)，H、T1、T2可測(cè)，故可求。X軸Y

15、軸022yTtT112TyHTTTHTTyTq122.4 熱電性熱電性定義：在金屬導(dǎo)體組成的回路中，存在溫差或通以電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱與電的轉(zhuǎn)換在金屬導(dǎo)體組成的回路中，存在溫差或通以電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)效應(yīng)；熱電性為組織敏感參量組織敏感參量，可通過(guò)熱電勢(shì)的變化研究金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化；一、三大熱電效應(yīng)1、Seeback效應(yīng)效應(yīng)（溫差電現(xiàn)象、第一熱效應(yīng)，1821年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：在兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的回路中，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同在兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的回路中，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，回路中就有電流通過(guò)，產(chǎn)生這種電流的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)溫度時(shí)，回路中就有電流通過(guò)，產(chǎn)

16、生這種電流的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。 如果兩種材料A和B完全均勻，則回路中熱電勢(shì)EAB的大小僅與兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度T1和T2有關(guān)，由于兩種金屬中電子密度不同和逸出功不同兩種金屬中電子密度不同和逸出功不同，電子從一種金屬越過(guò)界面向另一種金屬遷移，故在接點(diǎn)處形成與溫度有關(guān)的接觸電勢(shì)在接點(diǎn)處形成與溫度有關(guān)的接觸電勢(shì)。倘若回路的兩接觸點(diǎn)溫度不同，接觸電勢(shì)的代數(shù)和不等于零，所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差就是熱電勢(shì)。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫差不大時(shí)，熱電勢(shì)與溫差成正比，即： SAB不僅取決于兩種材料的特性，且與溫度有關(guān)，稱為塞貝克系數(shù)，其物理意義物理意義為兩種材料的相對(duì)熱電勢(shì)率為兩種材料的相對(duì)熱電勢(shì)率。 2、Peltier效應(yīng)（第二熱效

17、應(yīng)，效應(yīng)（第二熱效應(yīng)，1834年發(fā)現(xiàn)）年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：當(dāng)兩種不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過(guò)時(shí)，將使兩種當(dāng)兩種不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過(guò)時(shí)，將使兩種金屬的其中一接頭處放熱，另一接頭處吸熱（除了因電流流經(jīng)電路而金屬的其中一接頭處放熱，另一接頭處吸熱（除了因電流流經(jīng)電路而產(chǎn)生的焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)額外產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)）產(chǎn)生的焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)額外產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)）。電流方向相反，則吸、放熱接頭改變，這種效應(yīng)稱為Peltier效應(yīng)，它滿足： 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在放熱端會(huì)上升T1，吸熱端下降一T2（即熱端更即熱端更熱、冷端更冷熱、冷端更冷）3、Thomson效應(yīng)（第三熱電效應(yīng)，

18、效應(yīng)（第三熱電效應(yīng)，1851年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象：當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端存在溫差時(shí)，若通以電流，則在該段導(dǎo)線中當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端存在溫差時(shí)，若通以電流，則在該段導(dǎo)線中將產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)；當(dāng)電流方向與導(dǎo)線中熱電流方向一致時(shí)產(chǎn)生將產(chǎn)生吸熱或放熱反應(yīng)；當(dāng)電流方向與導(dǎo)線中熱電流方向一致時(shí)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，方向相反時(shí)產(chǎn)生吸熱反應(yīng)放熱反應(yīng)，方向相反時(shí)產(chǎn)生吸熱反應(yīng)。熱效應(yīng)大小與材質(zhì)、溫度梯度有關(guān)，滿足： 放熱 吸熱Seeback效應(yīng)= Peltier效應(yīng)+ Thomson效應(yīng)熱電轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于加熱、制冷（半導(dǎo)體、電制冷）、溫差發(fā)電熱電轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于加熱、制冷（半導(dǎo)體、電制冷）、溫差發(fā)電T1T2IT1T2I二、影

19、響熱電勢(shì)因素二、影響熱電勢(shì)因素 由接觸電位差引起的熱電勢(shì)依賴于離子熱振動(dòng)（聲子）和電子的擴(kuò)散，由于聲子熱流的定向運(yùn)動(dòng)挾帶傳導(dǎo)電子，從而使熱電勢(shì)隨溫度升高而增大；熱電勢(shì)取決于金屬或合金的成分、組織狀態(tài)，同時(shí)磁場(chǎng)、有序化過(guò)程、冷加工、電子濃度等也有影響。1、材料本性的影響材料本性的影響 由于材料電子逸出功、電子密度的不同電子逸出功、電子密度的不同，導(dǎo)致熱電勢(shì)差異，純金屬熱電勢(shì)按以下順序排列，任一后者的熱電勢(shì)相對(duì)于前者為負(fù)； Si、Sb、Fe、Mo、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Ir、Tl、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al、Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi2、合金元素的影響合金元素

20、的影響（絕對(duì)熱電勢(shì)指金屬與超導(dǎo)體成偶是在臨界溫度以下絕對(duì)熱電勢(shì)指金屬與超導(dǎo)體成偶是在臨界溫度以下測(cè)得的熱電勢(shì)測(cè)得的熱電勢(shì)） 由非過(guò)渡族元素所組成的固溶體，其熱電勢(shì)主要與合金元素的含量與性質(zhì)有關(guān)，其絕對(duì)熱電勢(shì)： )(0ibaiaeeeeeb為基體熱電勢(shì)、ei為合金元素溶入后產(chǎn)生的附加熱電勢(shì) 多相合金的熱電勢(shì)介于組成相之間，若兩相電導(dǎo)率相近，則熱電勢(shì)多相合金的熱電勢(shì)介于組成相之間，若兩相電導(dǎo)率相近，則熱電勢(shì)與體積百分比呈線性關(guān)系；若形成化合物，熱電勢(shì)發(fā)生突變，若化合物與體積百分比呈線性關(guān)系；若形成化合物，熱電勢(shì)發(fā)生突變，若化合物成半導(dǎo)體性質(zhì)，由于成半導(dǎo)體性質(zhì)，由于共價(jià)結(jié)合的加強(qiáng)，其熱電勢(shì)顯著增加共

21、價(jià)結(jié)合的加強(qiáng)，其熱電勢(shì)顯著增加。3、組織轉(zhuǎn)變的影響、組織轉(zhuǎn)變的影響A：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變從圖可以看到，隨著加熱溫度的升高，鐵的dE/dT曲線在A2點(diǎn)由于磁性轉(zhuǎn)變發(fā)生拐折，而在A3和A4點(diǎn)由于發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，曲線產(chǎn)生明顯躍變。 B：M體轉(zhuǎn)變體轉(zhuǎn)變：雖然成份不變，但M體與A體結(jié)構(gòu)不同，M體熱電勢(shì)A體熱電勢(shì) C：亞穩(wěn)固溶體合金的析出亞穩(wěn)固溶體合金的析出：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、回火均導(dǎo)致固溶體基體中合金元素的貧化、第二相的生成與析出，熱電勢(shì)下降； D：有序無(wú)序轉(zhuǎn)變有序無(wú)序轉(zhuǎn)變：合金有序化，導(dǎo)致熱電勢(shì)下降。4、塑性形變的影響塑性形變的影響 形變金屬（負(fù)）與退火金屬成偶時(shí)，隨加工程度增加，熱電勢(shì)值升

22、高；5、壓力影響壓力影響：原子間距減小，改變了聲速、聲子極化及電子與聲子的原子間距減小，改變了聲速、聲子極化及電子與聲子的交互作用，從而使熱電勢(shì)下降交互作用，從而使熱電勢(shì)下降；6、磁場(chǎng)磁場(chǎng)：既有增大，也有減小，視溫度范圍而定。1、研究鋁合金的時(shí)效研究鋁合金的時(shí)效（Al-4Mg-8Zn） 從電阻和溫度的關(guān)系曲線可以看出：在50以下時(shí)效，隨著時(shí)效溫度的升高電阻率增大。這是由于Mg和Zn原子發(fā)生偏聚引起的，即相當(dāng)于合金中形成了G.P.區(qū)區(qū)的階段；在50-275之間，電阻率下降是由固溶體析出固溶體析出了Al2Mg2Zn8引起的，它對(duì)應(yīng)于固溶體的正常分解階段，這個(gè)過(guò)程稱為溫時(shí)效。在300時(shí)，由于多余的析

23、出相重新回溶析出相重新回溶，固溶體中合金元素增多導(dǎo)致了電阻率增大。275時(shí)，電阻率下降到最低值 。 將合金進(jìn)行淬火，得到過(guò)飽和的固溶體組織，然后在不同溫度進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效態(tài)的試樣與該合金經(jīng)275完全退火狀態(tài)的G1和G2成偶，如果時(shí)效如果時(shí)效只發(fā)生簡(jiǎn)單的析出過(guò)程，則熱電勢(shì)應(yīng)當(dāng)隨時(shí)效溫度只發(fā)生簡(jiǎn)單的析出過(guò)程，則熱電勢(shì)應(yīng)當(dāng)隨時(shí)效溫度的升高，單調(diào)下降到零值的升高，單調(diào)下降到零值。但實(shí)測(cè)曲線卻出現(xiàn)了兩實(shí)測(cè)曲線卻出現(xiàn)了兩個(gè)反常變化：一是在個(gè)反常變化：一是在75到到125之間熱電勢(shì)上升；之間熱電勢(shì)上升；二是隨著溫度的增高熱電勢(shì)于二是隨著溫度的增高熱電勢(shì)于150經(jīng)過(guò)零值，并經(jīng)過(guò)零值，并變?yōu)樨?fù)值，于變?yōu)樨?fù)值，于2

24、25達(dá)到極小值，隨后于達(dá)到極小值，隨后于275上上升升。 三、熱電性分析的應(yīng)用熱電性分析的應(yīng)用（分析金屬材料組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變；利用金屬材料組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變；利用Seeback效應(yīng)用效應(yīng)用于熱電偶測(cè)溫；溫差發(fā)電；電制冷于熱電偶測(cè)溫；溫差發(fā)電；電制冷）2、研究淬火研究淬火M體的回火體的回火 鋼的淬火淬火M體比其退火態(tài)組織具有較負(fù)的熱電勢(shì)，鋼的淬火體比其退火態(tài)組織具有較負(fù)的熱電勢(shì)，鋼的淬火M體在回火體在回火過(guò)程中隨碳飽和度的降低，熱電勢(shì)增高，總熱電偶差值減小過(guò)程中隨碳飽和度的降低，熱電勢(shì)增高，總熱電偶差值減?。?從曲線的走向和變化特征可以看出：在回火等溫的最初階段熱電勢(shì)值下降得十分急烈，這說(shuō)明馬氏體中碳

25、的析出速度很快。此后隨著停留時(shí)間的增長(zhǎng)，熱電勢(shì)的變化逐漸變緩并趨于停止。它反應(yīng)出馬氏體中的含碳量緩慢降低；而逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。不同溫度回火的曲線表明：回火溫度愈高，不同溫度回火的曲線表明：回火溫度愈高，碳的析出速度愈快，析出的數(shù)量愈大，并且愈容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。碳的析出速度愈快，析出的數(shù)量愈大，并且愈容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 2.5 材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致坡壞的能力熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致坡壞的能力；主要指標(biāo)：高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、抗熱沖擊性 組織穩(wěn)定；第三章 磁性能3.1 磁性基本概念與表征參量磁化：物質(zhì)在磁場(chǎng)中，由于受磁場(chǎng)作用而呈現(xiàn)一定磁性的現(xiàn)象；

26、磁介質(zhì)：能被磁化的物質(zhì)； 磁化后使外磁場(chǎng)減弱的物質(zhì)，抗磁質(zhì)：Cu、Ag、Au、Zn 磁化后使外磁場(chǎng)略有增強(qiáng)的物質(zhì)，順磁質(zhì)：Pt、Pd、奧氏體不銹鋼、堿金屬 磁化后使外磁場(chǎng)急劇增強(qiáng)的物質(zhì)，鐵磁質(zhì)：Fe、Ni、Co、（Gd）表征參量：H：磁場(chǎng)強(qiáng)度 M：磁化強(qiáng)度，單位體積內(nèi)的磁矩； M=mH m為磁化率（系數(shù)） B：磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)磁場(chǎng)中某點(diǎn)、垂直于磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線數(shù)，反應(yīng)外加磁場(chǎng)H和磁介質(zhì)磁化后M的綜合作用效應(yīng)； B=0（H+M）=0（1+m）H=0rH=H 0：真空磁導(dǎo)率 r：相對(duì)磁導(dǎo)率 ：絕對(duì)（真實(shí)）磁導(dǎo)率VmM/磁介質(zhì)的分類與特征：1抗磁體： 磁化率m0，約為10-610-3。它在磁

27、場(chǎng)中受微弱吸力。根據(jù)m與溫度的關(guān)系，可分為：正常順磁體，其m隨溫度變化符合m1/T關(guān)系。金屬鉑、鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等；m與溫度無(wú)關(guān)的順磁體，例如鋰、鈉、鉀、銣等金屬（反常順磁體）。 3、鐵磁性：在較弱的磁場(chǎng)作用下，就能產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度。m是很大的正數(shù)，且與外磁場(chǎng)呈非線性關(guān)系變化。具體金屬有鐵、鉆、鎳等。鐵磁體在溫度高于某臨界溫度后變成順磁體。此臨界溫度林為居里溫度或居里點(diǎn)，常用Tc表示。4亞鐵磁體：與鐵磁體類似，但m值沒有鐵磁體那樣大：如磁鐵礦(Fe3O4)、鐵氧體等屬于亞鐵磁體。5反鐵磁體：m是小的正數(shù)，在溫度低于某溫度時(shí)，它的磁化率同磁場(chǎng)的取向有關(guān)；高于這個(gè)溫度，其行為象順磁體。

28、具體材料有-Mn、鉻，還有如氧化鎳、氧化錳等。 磁介質(zhì)的磁化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是內(nèi)部原子磁矩的取向過(guò)程，原子磁矩包括電子軌道磁矩、電子自旋磁矩、原子核磁矩； 電子的循軌運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)）可以看成是一個(gè)閉合的環(huán)形電流，由此產(chǎn)生的磁矩成為軌道磁矩，垂直于電子運(yùn)動(dòng)的軌道平面；在外加磁場(chǎng)上的分量為：mez=mlB （ml=0、+1、+2、+l） 電子繞自身的軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)自旋磁矩，其方向平行于自旋軸；在外加磁場(chǎng)上的分量為： msz=+B 原子核磁矩約為電子磁矩的1/2000，可忽略； 電子軌道磁矩與電子自旋磁矩之和構(gòu)成原子的固有磁矩：原子本征磁矩 如原子中所有電子殼層都是填滿的，由于形成一個(gè)球形對(duì)稱的集體，則電子

29、軌道磁矩和自旅磁矩各自相抵消，此時(shí)原子本征磁矩m0 抗磁性及產(chǎn)生原因：金屬被磁化后，磁化矢量與外加磁場(chǎng)的方向相反，原因在于電子的循軌運(yùn)動(dòng)受外加磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的抗磁矩（與外加磁場(chǎng)方向相反），故抗磁不是由電子的軌道磁矩和自旋磁矩本身所產(chǎn)生，而是在外加磁場(chǎng)作用下電子的繞核運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加磁矩所產(chǎn)生的 順磁性及產(chǎn)生原因：主要來(lái)源于原子(離子)的固有磁矩，在沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，原子的固有磁矩呈無(wú)序狀態(tài)分布，在宏觀上并不呈現(xiàn)出磁性；若施加一定的外磁場(chǎng)時(shí)，由于磁矩與磁場(chǎng)相互作用，磁矩具有較高的靜磁能。所謂靜磁能是指原子磁矩與外加磁場(chǎng)的相互作用能用EH表示，其大小等于： 為了降低靜磁能，磁矩改變與磁場(chǎng)之間的夾角，于

30、是便產(chǎn)生了磁化；隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，磁矩的矢量和在磁場(chǎng)方向上的投影不斷地增大，磁化不斷地增強(qiáng)。在常溫下，要使原子磁矩轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，除了要克服磁矩間相互作用所產(chǎn)生的無(wú)序傾向之外，還必須克服由原子熱運(yùn)動(dòng)所造成的嚴(yán)重干擾，故通常順磁磁化進(jìn)行得十分困難。 自由電子在磁場(chǎng)的作用下同時(shí)產(chǎn)生抗磁矩和順磁矩，不過(guò)它所產(chǎn)生的抗磁矩遠(yuǎn)小于順磁矩，故自由電子的主要貢獻(xiàn)是順磁性產(chǎn)生順磁性的條件：原子的固有磁矩不為零 A：具有奇數(shù)個(gè)電子的原子或點(diǎn)陣缺陷； B：內(nèi)殼層未被填滿的原子或離子：過(guò)渡族元素、稀土金屬根據(jù)金屬離子核外電子層結(jié)構(gòu)不同，分為以下兩類： 1）電子殼層已全部被填滿，即固有磁矩為零。在外加磁場(chǎng)的作用下由核外電子

31、的循軌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抗磁矩，抗磁矩的強(qiáng)弱取決于核外電子的數(shù)量。如果離子部分總的抗磁矩大于自由電子的順磁矩，則金屬為抗磁金屬，如銅、金和銀等。銻、鉍和鉛等金屬也屬于這種情況，所不同的是它們的自由電子向共價(jià)鍵過(guò)渡，因而呈現(xiàn)出異常大的抗磁性。 堿金屬和堿土金屬，它們的離子也是填滿的電子結(jié)構(gòu)，但它們的自由電子所產(chǎn)生的順磁性大于離子部分的抗磁性，呈現(xiàn)順磁性，如鋁、鎂、鋰、鈉和鉀等。 2）離子有未被填滿的電子層，即離子具有較強(qiáng)的固有磁矩。在外磁場(chǎng)的作用下，這些固有磁矩所產(chǎn)生的順磁矩遠(yuǎn)大于核外電子循軌運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的抗磁矩。具有這種離子的金屬部有較強(qiáng)的順磁性，它們屬于強(qiáng)順磁性金屬。如3d金屬中釩等；4d金屬中的鈮、鋯

32、、鉬5d金屬中的鉿、鉭、鎢和鉑等 從元素周期表來(lái)看：每一周期前面的元素都是順磁的，后面一些元素多為抗磁的；過(guò)渡族元素除Fe、Ni、Co（Gd）外，幾乎都具有較強(qiáng)的順磁性。3.2 抗磁、順磁的影響因素1、溫度 隨溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子磁矩?zé)o序度增加，磁矩趨向一致困難，使順磁磁化過(guò)程困難，降低順磁磁化率；（鋰、鈉、鉀、銣等金屬，順磁性由價(jià)電子產(chǎn)生，m與溫度無(wú)關(guān)） 對(duì)一般順磁質(zhì)，其磁化率隨溫度的變化服從居里定律： m=C/T 強(qiáng)順磁金屬，如鐵磁性金屬成順磁態(tài)，則磁化率隨溫度變化遵循居里外斯定律： m=C/（T-） 反鐵磁性物質(zhì)各有一個(gè)特定的溫度TN（尼爾點(diǎn)）： 當(dāng)TTN時(shí)： 隨溫度升高，磁化

33、率下降；當(dāng)TTN時(shí)： 隨溫度升高，磁化率升高 原子或離子的抗磁磁化率與溫度無(wú)關(guān)，或者隨溫度變化發(fā)生微弱的改變。但當(dāng)金屬熔化、凝固以及發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，抗磁磁化率將發(fā)生突變。 2、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：由于晶格類型及原子間距發(fā)生變化，從而影響電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化； 白錫是很弱的順磁體，不但在熔化時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭勾朋w，而且在低溫發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，成為灰錫的同時(shí)也成為抗磁體。這是因?yàn)樵娱g距增大引起自由電子減少和結(jié)合電子增多，從而導(dǎo)致金屬性的損失，順磁性下降、抗磁性增加。 加熱時(shí)錳發(fā)生一系列同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，但無(wú)論是-，還是-都是使順磁磁化率增加原因在于原子間距減小，塑性和導(dǎo)電性增加。 Fe在A2點(diǎn)(67

34、8)以上變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，在910和1410發(fā)生-和-轉(zhuǎn)變時(shí)順磁磁化率發(fā)生突變：Fe的磁化率比順磁的Fe和Fe的都低，且Fe的磁化率幾乎與溫度無(wú)關(guān)，而Fe和Fe的磁化率在溫度升高時(shí)急劇下降，且Fe和的磁化率曲線處于Fe的延長(zhǎng)線上。 3、加工硬化：范性形變使銅和鋅的抗磁性減小，經(jīng)高度加工硬化后的銅變?yōu)轫槾朋w，但退火可以返回其抗磁性質(zhì)。一般認(rèn)為這是因?yàn)榧庸び不瘯r(shí)原子間距增大、密度減小所引起的變化。 4、晶粒細(xì)化可以使Bi，Sb，Sc，Te的抗磁性降低，而Se和Te在高度細(xì)化時(shí)甚至成為順磁體。顯然，無(wú)論是加工硬化還是晶粒細(xì)化都引起點(diǎn)陣畸變從而影響磁化率，它們影響的趨勢(shì)和熔化一樣使抗磁性降低。可以設(shè)想，在

35、熔化、加工硬化或晶粒細(xì)化時(shí)，金屬晶體都趨于非晶化，因而導(dǎo)致了類似的變化。 5、合金化的影響：合金化對(duì)抗磁或順磁磁化率的影響比較復(fù)雜 當(dāng)Cu，Ag，Al，Au等低磁化率金屬形成固溶體時(shí)。其磁化率以平滑的曲線隨成分變化，但不成直線，表明形成固溶體時(shí)結(jié)合鍵發(fā)生了變化。 如果將強(qiáng)順磁的過(guò)渡族金屬(如Pd)溶入抗磁金屬Cu，Ag，Au中，固溶體磁性發(fā)生復(fù)雜變化：在30Pd以下使合金固溶體)抗磁性增強(qiáng)，只有在Pd的濃度更高時(shí)，磁化率才變?yōu)檎挡⒓眲∩仙絇d所固有的高順磁值。外推開始曲線到100Pd表明，進(jìn)入固溶體的Pd在30以下是抗磁性的；這是由于d電子殼層被自由電子所填充使Pd在固溶體中沒有離子化所造

36、成的。Pd的同族元素Ni和Pt溶入Cu中也使自己的磁化率減小，但保持微弱的順磁性。Cr和Mn與Pd有顯著的不同，它們?nèi)苋隒u中使固溶體的磁化率急劇地增高，以致于它們?cè)诠倘荏w中的順磁性大于其本身處于純金屬狀態(tài)的順磁性。 在低價(jià)的抗磁金屬中加入鐵磁金屬(Fe，Co，Ni)時(shí)，合金的磁化率急劇增高，甚至低濃度的固溶體就能轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w，這種順磁體的磁化率將隨溫度升高而降低。但是，如果以高價(jià)金屬 (如Sb)作溶劑，則溶于其中的鐵磁溶質(zhì)(如Co)，不但不起順磁作用反而增強(qiáng)抗磁性。上述現(xiàn)象與過(guò)渡族元素d殼層的逐次填充相關(guān)連：Ni，Pd，Pt溶質(zhì)原子被一價(jià)溶劑(Cu，Ag，Au)原子包圍時(shí)，d殼層的填充已經(jīng)開始，而它們左邊的過(guò)渡族元素(從Cr到Co)作溶質(zhì)時(shí)，只有被較高價(jià)溶劑(Sb，Zn)原子包圍時(shí)才進(jìn)行這種填充。 合金固溶體有序化時(shí)：由于溶質(zhì)、溶劑原子間呈現(xiàn)有規(guī)則