材料物理性能(研究生)

材料物理性能材料學院王希靖緒論

作為一門學科，材料科學與工程的形成是金屬材料、無機材料、有機高分子材料各學科發(fā)展過程的殊途同歸。如果說以往機械工業(yè)的發(fā)展長期來追求材料的高強度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕等主要后材料結構抗力的話，在人類進入“信息社會”的今天，許多新興企業(yè)正在替代原有的傳統(tǒng)工業(yè)，音像市場已滲透到社會生活的各個角落，電子計算機和機器人正在努力實現(xiàn)智能化，人類對太空、海洋和人體自身的探索日益深入，這一切對材料提出的則是更高的功能性指標。

工程材料可以粗略地劃分為結構材料和功能材料。功能材料涉及的范圍很廣，通常指那些具有特定物理、化學或生物學特性的材料。它可以作為一種將輸入能量傳遞或轉換成其他能量的功能元件。材料的結構性以原子尺度內(nèi)部不發(fā)生變化為特征，材料的功能性通常為原子內(nèi)部的電子以至原于核間的交互作用而表現(xiàn)出來的特性。譬如，電子能帶結構的不同性質(zhì)決定了材料的導電性差異，因而有良導體、半導體、電介質(zhì)和超導體之分。材料的磁性決定于原子中次殼層電子是否被填滿以及它們之間因“交換作用”產(chǎn)生不同原子取向的結果，因而有抗磁體、順磁體和鐵磁體之別。由于微觀結構的差異，材料的鐵磁性中又可區(qū)分為水磁、軟磁、短磁和旋磁等。材料在“非平衡”的情況下能夠發(fā)光(如彩色顯像管中那樣的熒光)，則是材料的透明基質(zhì)中滲入微量雜質(zhì)的電子被激發(fā)到高能態(tài)，從而成為發(fā)光中心的緣故.毫無疑問，材料在工程應用中需要有綜合性能，但其中某一項性能往往處于決定性的地位。材料物理性能是功能材料發(fā)展中受到特別關注的領域之一。它的進展凝聚著物理、化學、冶金、陶瓷和聚合物等領域科學工作者的成果，在人類科技發(fā)展史上已作出了醒目的記載。譬如，在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國以其首先研制成功的高保真錄音磁帶深夜里在電臺播放時，曾經(jīng)使英美的諜報人員迷惑不解，而今錄音、錄像的磁帶或光盤己成為全世界普通人日常的生活用品。在40年代半導體材科尚未問世之前，世界上第一臺電子計算機曾經(jīng)是一座兩層樓高的龐然大物，而今功能比它強得多的一臺“nlinkpaid—600筆記本電腦全都集成在一個厚度僅35mm的盒子里，整機重量僅2．5kg。由于磁記錄材料的進步，今天可以把聯(lián)邦百科全書都貯存在計算機中一個小小的硬盤里，供全世界的讀者通過計算機國際互聯(lián)網(wǎng)隨時查閱。人們曾經(jīng)幻想過能實現(xiàn)大功率的光發(fā)射，如今釹玻璃的成功應用使得激光器可以輸出1012--1014w的脈沖功率。同樣，正是由于高透明光導纖維玻璃的研制成功，才使遠距離光通信成為現(xiàn)實。今天，科技的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高從各個領域對材料的性能都提出了新需求。譬如，隨著機械功率的增大和速度的提高，有害的振動和噪聲不可避免地隨之增長，人們?yōu)榱吮Ｗo賴以生活的環(huán)境，就有必要研制高阻尼和消聲材料以防止噪聲的污染?？梢栽O想，在不遠的將來，港口、機場、泵房、機械加工和鑄鍛車間也將成為低噪聲或無噪聲環(huán)境。宇宙飛行器在返回大氣層時，其前沿局部表面耍達到數(shù)千攝氏度高溫，為了進行太空探索就需要研制更優(yōu)良的隔熱材料和熱防護材料。總之，人們需要更多具有電、磁、光、熱和聲學特殊性能的金屬、陶瓷、半導體和聚合物材料。在探索功能材料的同時，人們研究材料物理性能的另一個感興趣領域是把物理性能測試作為材料研究的一種方法，即通過各種狀態(tài)下所測得的材料參數(shù)，取得固體內(nèi)部微觀結構組態(tài)的信息，以闡明材料的純度、狀態(tài)、相組成，精確判斷相變過程的性質(zhì)、數(shù)量和限度。這種方法在許多方面有獨特的效果，稱為“材料物理性能分析”。與金相分析、x—射線分析和電子顯微分析相比，物理性能分析的特點是：(1)可以有效地進行材料試驗的動態(tài)過程研究，較精確地判斷材科中發(fā)生相變的溫度、時間、數(shù)量和限度；(2)可以靈敏地確定一些微量元素對材料結構與性能的影響；(3)所得結果反映材料的整體效應，可以避免局部微觀區(qū)域觀察或測量可能造成的錯覺。應當看到，合理地選用物理性能參數(shù)是取得預期分析結果的前提。在材料研究中，針對所研究的問題有時可以選用不同參數(shù)進行綜合分析，并用其他方法的研究結果予以補充和左證。只有合理地采用不同的研究方法，互相補充，才能有效地解決材料科學研究中提出的問題。第1章材料磁學性能1基本磁性參數(shù)磁性現(xiàn)象是帶電粒子的量子效應，磁性是一切物質(zhì)的基本屬性之一。按照現(xiàn)代科學的觀點，所有物質(zhì)(從微小的微觀粒子到宏觀物質(zhì)，以至于宇宙天體)無論其處于什么樣的狀態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài))，也無論處于怎樣的溫度、壓力下．都顯現(xiàn)某種磁性狀態(tài)。物質(zhì)宏觀磁性是組成物質(zhì)的基本質(zhì)點磁性的集體表現(xiàn)，應用磁性材科可以實現(xiàn)能量轉換、存貯，信息傳遞與存貯等功能．磁性材料的應用遍及各個領域，各行各業(yè)。磁性是磁性材料的重要物理參數(shù)，磁性與生命科學密切相關，現(xiàn)代技術的發(fā)展離不開磁性材料和磁性理論，磁性分析方法是研究材料組織結構的重要手段之一。第一節(jié)磁的基本概念一、磁質(zhì)與磁距磁化：物質(zhì)受到磁場作用而呈現(xiàn)一定磁性的現(xiàn)象。磁質(zhì)：能被磁場磁化的物質(zhì)?？偞艌觯?/p>

：外磁場強度；：附加場強依的大小與方向，可分為三類：（1）、抗磁質(zhì)：方向相反H，且（2）、順磁質(zhì)：方向相同H，且（3）、鐵磁質(zhì)：方向相同H，且磁距：磁質(zhì)磁性的表征。磁質(zhì)在外磁場中的磁力距。

概念引入：M=Is×S×H為磁矩。原子中電子的兩個運動：自旋運動：自己圍繞自身軸運動。循軌運動：電子圍繞原子核運動。

因為相當于一個閉合的電回路，都存在著固定的磁矩，稱為循軌磁矩：

玻爾磁子：

:為軌道角動量量子數(shù)。自旋磁矩：

si為自旋角動量量子數(shù)。磁矩的宏觀表現(xiàn)：無外磁場時，磁矩取向紊亂，不呈現(xiàn)磁性；有外磁場時磁矩取向性分布，呈現(xiàn)磁性。二、磁化強度與磁化率

磁化強度：單位體積內(nèi)原子磁矩的總和。

p該體積磁質(zhì)的磁矩。()磁化強度與外磁場的關系：M=xHx為磁化率：順磁時：逆磁時：鐵磁時：x>>0三、磁感應強度與磁導率磁感應強度：磁質(zhì)被磁化后所處位置的總磁場強度B。附加磁場強度。

帶入上式后

第二節(jié)順磁性和抗磁性一、抗磁性循軌電子在外磁場作用下產(chǎn)生的附加抗磁磁矩，即該物質(zhì)的磁化強度與外磁場反向。由于任何物質(zhì)都具有循軌電子，在外磁場中，都有附加抗磁矩，但能否呈現(xiàn)于外界，取決于抗磁因素大于順磁因素時，此時才成為抗磁質(zhì)。

二、順磁性當原子中有未填滿電子的電子層時，每個電子的電子磁矩的總矢量和不為零，形成原子的固有磁矩。在無外磁場時，原子的熱擾動使各原子磁矩混亂分布，物質(zhì)對外不顯現(xiàn)磁性。在外磁場作用下，各原子磁矩逐步地轉向外磁場方向，從而產(chǎn)生順磁因素。當順磁因素大于抗磁因素時，對外顯現(xiàn)順磁性。與外磁場的關系：外磁場越大，磁化率越大。三、金屬的抗磁性每一周期前面的元素都是順磁性，后面的元素為抗磁性。過渡族元素除Fe、Ni、Co外都是順磁性。第三節(jié)影響磁化率的因素一、溫度溫度升高，原子熱運動加劇，原子磁矩的無序取向增大，使順磁磁化過程變困難，導致順磁磁化率降低。

居里常數(shù)：

鐵磁性金屬與溫度的關系：為特征溫度，鐵磁物質(zhì)是居里溫度。二、相變晶格的變化影響電子運動狀態(tài)，使磁化率變化。三、合金化兩種弱磁化率金屬固溶時，磁化率與合金成分的關系為平滑曲線，抗磁金屬為溶劑，強順磁為溶質(zhì)時，情況復雜。見圖1-8，1-9。合金形成金屬化合物時，磁化率變化突出。如圖1-10。這是由于γ相中自由電子數(shù)減少了，幾乎無固有原子磁矩，故呈現(xiàn)抗磁性。

第四節(jié)抗磁與順磁磁化率的測量磁秤法：如圖1-12。試樣在不均勻磁場中，沿x方向受力F:F為正，為順磁；F為負，為逆磁。鐵磁性一、鐵磁質(zhì)的基本特征高磁化率、磁滯現(xiàn)象、居里點、磁各向異性、磁質(zhì)伸縮。前三個特性已經(jīng)為大家所熟悉。1、磁各向異性鐵磁質(zhì)磁化時，沿著不同的方向產(chǎn)生的磁化強度不同，即磁化的難易程度不同。具體數(shù)據(jù)見書P12。

2、磁致伸縮效應鐵磁物質(zhì)磁化時，沿著磁化方向發(fā)生長度的變化的現(xiàn)象。用伸縮系數(shù)表示：注意兩點：（1）飽和磁滯伸縮系數(shù)，當H=HS時磁化強度達到飽和值時，（2）具有各向異性，見圖1-18。磁化曲線（自學）。二、自發(fā)磁化理論磁疇：鐵磁質(zhì)在未被磁化時，其內(nèi)部已經(jīng)存在一定組織狀態(tài)的自發(fā)磁化小區(qū)域，并且各自達到飽和狀態(tài)，稱這些自發(fā)磁化區(qū)域為磁疇。其體積約為，相當于含有個原子。其寬度約為，相當于105個原子直徑。疇壁：磁疇之間的界面。它約，相當于1000個原子直徑。雖然每個磁疇已經(jīng)達到磁飽和，但在多個磁疇存在時，如單晶體，對外不顯示磁性。如圖1-21，P15。只有在外磁場的作用下，磁疇的磁化方向與外磁場一致，顯示出很強的磁性。

磁疇形成的條件（1）、原子中必須要有未填滿電子內(nèi)層，因而存在著未被抵消的電子自旋磁矩。（2）、相鄰原子間距a與未填滿的內(nèi)電子層半徑r之比大于3，即a/r>3。常見鐵磁質(zhì)：Fe、Ni、Co。

1．11磁與非磁物性的交叉效應磁性物質(zhì)在磁場作用下或磁化狀態(tài)改變時．磁性與非磁性物問是相互聯(lián)系，相互作用，相互影響的，導致各種交叉效應，其中以磁電效應、磁光效應、磁熱效應在現(xiàn)代科學和尖端技術中尤為突出。對鐵磁體施加磁場的同時通以電流，鐵磁體中的電位差將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁—電效應，即磁場電效應。導致磁—電效應的內(nèi)磁場究竟是由外磁場減擊退磁場以后的有效場，還是磁感應強度，這一點還不很清楚。因此一般把磁—電效應中依賴外磁場強度的效應歸為正常效應，把依賴磁化強度的效應歸為反常效應。鐵磁性的測量一、沖擊測磁法（見圖1-49P25）。在線圈N1中產(chǎn)生的磁場強度

當N1中電流極性突變時，+H為-H，磁感應強度B為-B，即磁通量，S為試樣截面積。在N2中感生電動勢在測量回路中感生電流：在t秒內(nèi)產(chǎn)生的總電量：

若讀得檢流計角度和沖擊常數(shù)Cb：

二、熱磁儀法通過測定試樣在均勻磁場中所受磁力矩的大小來求得其磁化強度。如圖1-45P28。兩個磁極間勻強磁場，加熱爐使試樣A氏體化，等溫爐使其保持一定溫度。磁化后試樣受到的磁力矩為：為初始角度；V為試樣體積。

試樣偏轉角后，處于平衡狀態(tài)，此時：

彈性反力矩：C為彈性系統(tǒng)常數(shù)。因為：，得：一般：所以：則：

用途：在不同溫度下的相變過程的磁化強度變化三、感應式熱磁儀法。（自學）四、甩脫法。（自學）第五節(jié)順磁與抗磁分析在金屬學中的應用

金屬的磁化率取決于合金的成分、組織和結構，因此可以通過測量合金的順磁或抗磁磁化率及其變化規(guī)律，可以研究合金的相變。

一、測量Al-Cu合金的固溶度曲線。如圖1-13。鋁為順磁，銅為抗磁。

當Cu含量在單相固溶體相區(qū)時，磁化率隨Cu的增大而呈現(xiàn)接近直線的平滑曲線下降；當Cu含量在兩相區(qū)時，磁化率曲線較平坦。兩條曲線的交點，即為最大溶解度極限點。二、測定A氏體不銹鋼中微量鐵素體鋼中析出微量F體時，使磁化率明顯增加。如圖1-14。

思考題按磁性分類，物質(zhì)可分為幾類?抗磁性的物理本質(zhì)是什么?抗磁性為什么一般顯現(xiàn)不出來?試述物質(zhì)宏觀磁性的來源。居里溫度的物理意義是什么?計算Fe,Co，Ni，孤立原子的磁矩，與測得的宏觀晶體原子磁矩有何異同?為什么什么是自發(fā)磁化?分子場理論的內(nèi)容和意義是什么?鐵磁性能帶理論的要點和名義是什么?什么是磁各向異性?有幾種類型?物理本質(zhì)是什么?磁化曲線、磁滯固線的物理意義有何異同?什么是疇壁?疇壁有哪些類型?影響疇壁厚度的因素是什么?技術磁化過程的本質(zhì)是什么?磁化過程與反磁化過程有何異同?疇壁位移的本質(zhì)是什么?影響疇壁位移的因素有哪些?不可逆磁化過程對哪些磁性參數(shù)產(chǎn)生影響?有哪些機制?試說明磁性與磁性分析在現(xiàn)代科學與技術中的重要意義。第二章材料的電學性能3．能帶理論

第三節(jié)金屬導電性影響因素

晶體點陣不完整是引起電子散射的原因。因此造成點陣不完整的因素如溫度、形變、合金化等都影響導電性。一、溫度溫度升高，離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子無序度增加，使電子運動自由程減小，散射幾率增大，致使增大。一般在室溫以上，與t成線形關系,ρt=ρ0(1+αt)二、冷變形點陣畸變、晶體缺陷、原子間距的改變使電子散射增大，增加

A,p為常數(shù)，為加工度。回復可以降低點缺陷濃度，降低；再結晶可以消除點缺陷及畸變，降低；淬火保留了高溫時的點缺陷，增大；靜壓力：p：靜壓力，：電阻壓力系數(shù)。在高溫下，原子間距縮小，費密能和能帶結構均發(fā)生變化，在極限壓力下，可以使S，P，鍺、硒、金剛石等由半導體、絕緣體變?yōu)閷w。三、合金化

一般固溶體：形成固溶體使畸變增加，增加，見圖2-13。有序固溶體：使點陣規(guī)律性增強，減少了散射，降低，如圖2-17。P49m,n點是有序化成分點，所以可以通過電阻率的測量來得到有序化成分點。3、不均勻固溶體的成分反常反常態(tài)：（1）、淬火后在某一溫度區(qū)間具有反常高，如圖2-19。P52；（2）、淬火后的比退火后的低，回火后反而升高；（3）、退火態(tài)經(jīng)過冷變形后降低，回火后升高。主要原因：固溶體中存在原子的偏聚區(qū)，其成分不同。如鋁合金中的G,P區(qū)。4、中間相其導電性比其組元的導電性低。由于金屬鍵部分地為共價鍵或離子鍵所代替，減少了有效電子數(shù)。材料的熱電性

在金屬導線組成的回路中，存在溫差或者通以電流時，會產(chǎn)生熱與電的轉換效應，成為熱電性。由于熱電勢是組織敏感的物理量，可以通過熱電勢的變化來研究金屬內(nèi)部的變化。第一節(jié)三種熱電效應一、塞貝克（Seeback）效應—第一熱電效應。由溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象為Seeback效應。若，回路出現(xiàn)電流，稱其為熱電流。該效應實質(zhì)是：兩種金屬接觸時會產(chǎn)生接觸電勢差。A金屬和B金屬在接觸處彼此發(fā)生電子的遷移，因為A,B性質(zhì)不同，故進入對方金屬中的電子數(shù)量不等，使形成了接觸電勢差。除A,B材質(zhì)不同外，兩個接觸端的溫度不同時，兩者的接觸電勢差在回路中形成熱電流。接觸電勢差的決定因素：（1）、電子逸出功：取決于自由電子的最高能態(tài)，即與材質(zhì)有關。逸出功越小，電子越容易跑出金屬表面。（2）、有效電子密度：即也與材質(zhì)有關，密度高者成為正電位，否則為負電位。溫度越高，自由電子可以獲得更高的能量，電子越容易逸出。

A,B金屬回路的電勢：

K：玻爾茲曼常數(shù)；e：電子電荷；NA,NB：兩種金屬的有效電子密度。式中表明：熱電勢與溫度，有效電子密度有關。二、玻爾貼(Peltier)效應——第二熱電效應

當電流通過A,B兩種金屬組成的接觸點時，除了產(chǎn)生焦耳熱外，還會在接觸點產(chǎn)生吸熱和放熱反應。此為Peltier效應。三、湯姆遜(Thomson)效應——第三熱電效應

當一根金屬導線兩端存在溫差時，通以電流后，則在該段導線中產(chǎn)生吸熱或者放熱現(xiàn)象。此為Thomson效應。三種效應可以同時存在于回路中。應用最多的是Seeback效應。

第二節(jié)影響熱電勢的因素一、金屬本質(zhì)影響根據(jù)公式，不同金屬的逸出功、自由電子密度不同，熱電勢也不同。排列次序為：Si,Sb,Fe,Mo,W,Au,Ag,Zn…………在研究金屬多型性轉變時，熱電勢發(fā)生變化，如圖4-5，在點為轉折點。A3,A4為突變點。二、含碳量影響如表4-1，P90,在淬火態(tài)，鋼的含碳量越高，M體中碳的過飽和度越大，在鐵—鋼熱電偶中鋼的熱電勢越負。在退火態(tài)，鋼的含碳量越高，鋼的熱電勢越負。但是退火態(tài)比淬火態(tài)熱電勢小。超導體的性能

1完全的導電性昂尼斯等人曾進行過下列實驗，如圖252示。先將超導體做成的環(huán)放入磁場中，此時T＞Tc，環(huán)中無電流，然后再將環(huán)冷卻至Tc以下，使環(huán)變成超導態(tài)，此時環(huán)中仍無電流；若突然去掉磁場，則環(huán)內(nèi)將有感應電流產(chǎn)生。這是由于電磁感應作用的結果，按楞次定律，該電流應沿反抗磁通變化的方向流動。如果此環(huán)的電阻確實為零，那么這個電流就應長期無損地流下去。事實上經(jīng)過長達幾年的觀察，沒發(fā)現(xiàn)電流有任何衰減，這就有力地證明了超導體的電阻確實為零，是完全導電性的。同時也說明了超導體是等電位的，即超導體內(nèi)沒有電場。2完全的抗磁性

邁斯納等人由實驗分析了超導體在外磁場中的特性．如圖入52示。先將超導體冷卻至超導態(tài)（T＜Tc