第一章金屬材料電學(xué)性能

第一章金屬材料電學(xué)性能金屬材料顯微結(jié)構(gòu)與物理性能總學(xué)時(shí)48金屬材料顯微結(jié)構(gòu)32物理性能16考試所占比例金屬材料顯微結(jié)構(gòu)~67%物理性能~33%30%考試成績(jī)70%教材及參考資料教材陳騑騢，材料物理性能，機(jī)械工業(yè)出版社，2006參考書吳雪梅，材料物理性能與檢測(cè)，科學(xué)出版社，2012宋學(xué)孟，金屬物理性能分析，機(jī)械工業(yè)出版社，1981劉強(qiáng)，材料物理性能，化學(xué)工業(yè)出版社，2009陳登明，材料物理性能及表征，化學(xué)工業(yè)出版社，2013鄭冀，材料物理性能，天津大學(xué)出版社，2008①材料技術(shù)②信息技術(shù)③能源技術(shù)④生物技術(shù)⑤先進(jìn)制造技術(shù)⑥航空航天技術(shù)⑦環(huán)境保護(hù)技術(shù)等已經(jīng)成為影響人類進(jìn)步的重要技術(shù)。其中材料技術(shù)是重中之重的技術(shù)。其他任何技術(shù)的發(fā)展都離不開材料的發(fā)展。沒有高性能的材料作為基礎(chǔ)，現(xiàn)代社會(huì)的文明很難再上一層樓！二十一世紀(jì)世界各國(guó)重點(diǎn)和優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)是什么？緒論緒論性能成分結(jié)構(gòu)性質(zhì)用途金屬鐵強(qiáng)度、硬度高結(jié)構(gòu)件金屬銅導(dǎo)電性能好電線、電纜半導(dǎo)體Si半導(dǎo)體特性大規(guī)模集成電路鋁合金比強(qiáng)度高航空航天AlN等無機(jī)壓電性超聲波元件，濾波器緒論緒論材料的性能指在給定的外界環(huán)境中，材料受到某種作用時(shí)，其狀態(tài)所發(fā)生的變化。作用于材料上的作用因素通?？梢苑譃閼?yīng)力、溫度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、化學(xué)介質(zhì)、輻照等。材料的物理性能指材料受到外部作用時(shí)，電、磁、光、熱、聲學(xué)方面的物理狀態(tài)量、以及一些特殊變化量所發(fā)生的變化。作用因素通常也以這些相應(yīng)的物理量為主。材料性能的劃分復(fù)雜性能

①?gòu)?fù)合性能②工藝性能③使用性能

①抗氧化性②耐腐蝕性③抗?jié)B入性①?gòu)?qiáng)度②延性③韌性④剛性⑤摩擦磨損①熱學(xué)性能②聲學(xué)性能③光學(xué)性能④電學(xué)性能⑤磁學(xué)性能⑥輻照性能化學(xué)性能

物理性能力學(xué)性能本課程講授內(nèi)容第一章、電學(xué)性能第二章、磁學(xué)性能第三章、光學(xué)性能第四章、熱學(xué)性質(zhì)第五章、彈性與滯彈性第一章電學(xué)性能主要內(nèi)容材料的導(dǎo)電性影響金屬導(dǎo)電性的因素電阻分析應(yīng)用第一節(jié)材料的導(dǎo)電性一、電阻率和電導(dǎo)率歐姆定律：R表示導(dǎo)體的電阻：電導(dǎo)率：?jiǎn)挝唬?m)(-1m-1,S/m)一些材料室溫下的電導(dǎo)率材料電導(dǎo)率(-1m-1)材料電導(dǎo)率(-1m-1)Ag6.3107Ge2.2Cu6.0107SiC10Au4.3107Si4.310-4Al3.8107耐火磚10-6Zn1.69107滑石10-12Ni1.38107云母10-11Fe1.02107尼龍10-12~10-10304不銹鋼1.4106石蠟10-1570Cu-30Zn1.6107聚乙烯<10-14二、金屬導(dǎo)電理論量子自由電子理論經(jīng)典自由電子理論能帶理論（一）經(jīng)典自由電子理論經(jīng)典自由電子理論認(rèn)為，在金屬晶體中，離子構(gòu)成了晶格點(diǎn)陣，并形成一個(gè)均勻電場(chǎng)，價(jià)電子是完全自由的，可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)，就像氣體分子充滿整個(gè)容器一樣，因此可以把價(jià)電子看成“電子氣”。E在自由電子做定向運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)不斷與正離子發(fā)生碰撞妨礙電子加速運(yùn)動(dòng)，形成電阻。從這種認(rèn)識(shí)出發(fā)，設(shè)電子兩次碰撞之間運(yùn)動(dòng)的平均距離（自由程）為

l，電子平均運(yùn)動(dòng)的速度為?v，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，則電導(dǎo)率為m:電子質(zhì)量e:電子電荷

:兩次碰撞之間的平均時(shí)間經(jīng)典自由電子理論的不足之處不能解釋二、三價(jià)金屬的價(jià)電子雖然比一價(jià)金屬多，但導(dǎo)電性比一價(jià)金屬差的原因?qū)嶋H測(cè)量到的電子平均自由程比經(jīng)典理論估計(jì)的大很多不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生經(jīng)典自由電子理論的問題根源忽略了電子之間的排斥作用忽略正離子點(diǎn)陣周期場(chǎng)的作用立足于牛頓力學(xué)的宏觀運(yùn)動(dòng)對(duì)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)問題，需要利用量子力學(xué)的概念來解決。（二）量子自由電子理論相同點(diǎn)：金屬中正離子形成的電場(chǎng)是均勻的，價(jià)電子與離子間沒有相互作用，且為整個(gè)金屬所共有，可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)。不同點(diǎn)：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)，而所有價(jià)電子按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級(jí)。+11+11電子具有波粒二象性，運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波（德布羅意波），其波長(zhǎng)與電子的運(yùn)動(dòng)速率或動(dòng)量之間的關(guān)系為m:電子質(zhì)量v:電子速度

:波長(zhǎng)p:電子動(dòng)量h:普朗克常量常數(shù)波數(shù)自由電子的E-K曲線粒子的觀點(diǎn)曲線表示自由電子的能量與速度（或動(dòng)量）之間的關(guān)系波動(dòng)的觀點(diǎn)曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系。電子的波數(shù)越大，則能量越高。費(fèi)米能EF

0K時(shí)電子所具有的最高能態(tài)，不同金屬的費(fèi)米能不同電場(chǎng)對(duì)E-K曲線的影響外加電場(chǎng)的作用外電場(chǎng)使向著其正端運(yùn)動(dòng)的電子能量降低，反向運(yùn)動(dòng)的電子能量升高部分能量較高的電子轉(zhuǎn)向電場(chǎng)正向運(yùn)動(dòng)的能級(jí)，從而使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電電阻的形成電子波在傳播過程中被離子點(diǎn)陣散射，然后相互干涉而形成電阻。超導(dǎo)體量子力學(xué)證明，當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無阻礙地傳播，此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體，即所謂的超導(dǎo)體。電阻產(chǎn)生的本質(zhì)晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)使電子波受到散射晶體中的雜質(zhì)原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使電子波受到散射對(duì)電子波產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就是材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)所在。量子經(jīng)典m*:有效電子質(zhì)量neff

:有效自由電子數(shù)?v:費(fèi)米面附近實(shí)際參加導(dǎo)電的電子平均速度

:單位時(shí)間內(nèi)散射的次數(shù)（散射系數(shù)）一價(jià)金屬的neff

比二、三價(jià)金屬多，因此一價(jià)金屬的導(dǎo)電性好馬基申定則聲子散射和電子散射（與溫度成正比）電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射（與溫度無關(guān)）馬基申定則(MatthiessenRule)總的電阻包括金屬的基本電阻（與溫度有關(guān)）和雜質(zhì)濃度引起的電阻（與溫度無關(guān)）（三）能帶理論相同點(diǎn)：金屬中的價(jià)電子是公有化的能級(jí)是量子化的不同點(diǎn)：金屬中由離子點(diǎn)陣所造成的勢(shì)場(chǎng)不均勻，而呈周期變化能帶理論就是研究金屬中的價(jià)電子在周期勢(shì)場(chǎng)作用下的能量分布問題能帶的形成原子結(jié)構(gòu)理論—每個(gè)電子都占有一個(gè)分立的能級(jí)。泡利不相容原理—每個(gè)能級(jí)只能容納2個(gè)電子。例如，一個(gè)原子的2s軌道只能有一個(gè)能級(jí)，可以容納2個(gè)電子。2p軌道則有3個(gè)能級(jí)，一共可以容納6個(gè)電子。電子數(shù)量增加時(shí)能級(jí)擴(kuò)展成能帶能帶結(jié)構(gòu)中的有關(guān)概念允帶電子可以具有的能級(jí)所組成的能帶滿帶一個(gè)能帶中的各能級(jí)都被電子填滿空帶同各個(gè)原子的激發(fā)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶，在未被激發(fā)的正常情況下沒有電子填入能帶結(jié)構(gòu)中的有關(guān)概念價(jià)帶由價(jià)電子能級(jí)分裂而形成的能帶，通常情況下，價(jià)帶為能量最高的能帶。價(jià)帶可能被電子填滿，成為滿帶，也可能未被電子填滿，形成不滿帶或半滿帶導(dǎo)帶一些被充滿的價(jià)帶頂部的電子受到激發(fā)而進(jìn)入空帶，此時(shí)，價(jià)帶和空帶均表現(xiàn)為不滿帶，在外加電場(chǎng)的作用下形成電流，對(duì)于這樣的固體，能帶結(jié)構(gòu)中的空帶又稱為導(dǎo)帶禁帶（帶隙）價(jià)帶與空帶之間存在著一段能量間隔，在這個(gè)區(qū)域永遠(yuǎn)不可能有電子，這個(gè)能量區(qū)域稱為禁帶或帶隙自由電子模型晶體中電子的E-K曲線近自由電子模型充帶充帶充帶禁帶禁帶空帶價(jià)帶帶隙導(dǎo)體如果價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)未被填滿，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間沒有禁帶，或者相互重疊，在外電場(chǎng)作用下電子很容易從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)高能級(jí)去而產(chǎn)生電流絕緣體價(jià)帶是滿帶，且滿帶上面相鄰的是一個(gè)較寬的禁帶，由于滿帶中的電子沒有活動(dòng)的空間，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場(chǎng)作用下電子也很難跳過禁帶半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體類似，所不同的是它的禁帶寬度比較窄，電子可以相對(duì)容易躍過禁帶，如果存在外界作用（如熱、光輻射等），則價(jià)帶中的電子獲得能量就可能躍遷到導(dǎo)帶上去，在價(jià)帶中出現(xiàn)電子留下的空穴，從而具有導(dǎo)電性空帶禁帶滿帶金屬未填滿無禁帶重疊寬禁帶窄禁帶絕緣體半導(dǎo)體三種導(dǎo)電理論的主要特征連續(xù)能量分布的價(jià)電子在均勻勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)不連續(xù)能量分布的價(jià)電子在均勻勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)不連續(xù)能量分布的價(jià)電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第二節(jié)影響金屬導(dǎo)電性的因素一、溫度的影響二、應(yīng)力的影響三、冷加工變形的影響四、合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響一、溫度的影響溫度對(duì)有效電子數(shù)和電子平均速度幾乎沒有影響自由程減小溫度升高周期勢(shì)場(chǎng)的漲落加大離子振動(dòng)加劇熱振動(dòng)振幅增大原子的無序度增加散射幾率增加電阻率增大一、溫度的影響普通非過渡金屬電阻-溫度曲線一、溫度的影響通常對(duì)金屬導(dǎo)電性的研究均在德拜溫度以上，在高于室溫以上溫度金屬的電阻與溫度的關(guān)系為T:溫度,C0:0C下的電阻率T:T溫度下電阻率:電阻溫度系數(shù)大多數(shù)金屬：~10-3過渡金屬，鐵磁性金屬~10-2一、溫度的影響過渡金屬的電阻過渡金屬的電阻與溫度的關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)反常，特別是具有鐵磁性的金屬在發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻率出現(xiàn)反常。研究表明，在接近居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁金屬或合金的電阻率反常降低量與其自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms的平方成正比，即溫度對(duì)鐵磁性金屬比電阻和電阻溫度系數(shù)的影響一般情況金屬鎳二、應(yīng)力的影響拉應(yīng)力使原子間的距離增大，點(diǎn)陣的畸變?cè)龃?，?dǎo)致金屬的電阻增大，電阻率與拉應(yīng)力的關(guān)系：0:未加載荷時(shí)的電阻率:應(yīng)力系數(shù):拉應(yīng)力二、應(yīng)力的影響壓應(yīng)力使原子間的距離減小，點(diǎn)陣的畸變減小，大多數(shù)金屬在三向壓力(高達(dá)1.2GPa)的作用下，電阻率下降，并有如下關(guān)系：0:真空下的電阻率:壓力系數(shù)(為負(fù)值)p:壓力二、應(yīng)力的影響壓力對(duì)過渡金屬的影響最顯著，這些金屬的特點(diǎn)是存在著具有能量差別不大的未填滿電子的殼層，在壓力作用下，有可能使外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填滿的內(nèi)殼層，導(dǎo)致性能的變化。高的壓力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助于從絕緣體半導(dǎo)體金屬超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。三、冷加工變形的影響金屬/合金電阻率增量鐵、銅、銀、鋁等2%~6%鉬15%~20%鎢30%~50%單相固溶體10%~20%有序固溶體100%室溫下部分金屬/合金經(jīng)相當(dāng)大的冷加工變形后電阻率的變化三、冷加工變形的影響電阻率增大的原因晶體點(diǎn)陣畸變?cè)黾泳w缺陷增加空位濃度增加點(diǎn)陣電場(chǎng)不均勻電子散射加劇退火可以顯著降低點(diǎn)缺陷濃度，再結(jié)晶過程可以消除形變時(shí)造成的點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷三、冷加工變形的影響根據(jù)馬基申定則，冷加工金屬的電阻率可寫成(T)

:與溫度有關(guān)的退火金屬電阻率:冷加工變形產(chǎn)生的附加電阻率(與溫度無關(guān))(空位)

:電子在空位處散射所引起的電阻率的增加值(退火溫度足以使空位擴(kuò)散時(shí)，(空位)消失)(位錯(cuò))

:電子在位錯(cuò)處散射所引起的電阻率增加值((位錯(cuò))

保持到再結(jié)晶溫度)四、合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響（一）固溶體的電阻（二）有序固溶體的電阻（三）不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻（四）化合物、中間相、多相合金的電阻四、合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響（一）固溶體的電阻一般情況下，形成固溶體時(shí)合金的電阻率會(huì)增大，即使是在導(dǎo)電性差的金屬溶劑中溶入導(dǎo)電性好的溶質(zhì)金屬時(shí)，也是如此原因（1）溶質(zhì)原子的溶入引起溶劑點(diǎn)陣的畸變，破壞了晶格勢(shì)場(chǎng)的周期性，電子散射增加（2）固溶體組元間化學(xué)相互作用的加強(qiáng)使有效電子數(shù)減?。ㄒ唬┕倘荏w的電阻在連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠(yuǎn)，電阻率超高，在二元合金中最大電阻率常在50%原子分?jǐn)?shù)處鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬組成的固溶體情況有異常，最大電阻率一般不在50%原子分?jǐn)?shù)處Au-Ag合金電阻率與成分關(guān)系Cu-Pd、Ag-Pd、Au-Pd合金電阻率與成分關(guān)系（一）固溶體的電阻根據(jù)馬基申定則，低濃度固溶體電阻率表達(dá)式為:偏離馬基申定則的值，與溫度和溶質(zhì)濃度有關(guān)0:固溶體溶劑組元的電阻率’:殘余電阻率C:溶質(zhì)原子含量:1%溶質(zhì)原子引起的附加電阻率偏離馬基申定則：（一）固溶體的電阻諾伯里-林德(Norbury-Lide)法則除過渡金屬外，在同一溶劑中溶入1%(摩爾分?jǐn)?shù))原子溶質(zhì)金屬所引起的電阻率增加幅度，由溶劑和溶質(zhì)金屬的價(jià)數(shù)而定a,b

:常數(shù)Z:低濃度合金溶劑和溶質(zhì)間的價(jià)數(shù)差（二）有序固溶體的電阻電阻增加合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無序固溶體增強(qiáng)，導(dǎo)致導(dǎo)電電子數(shù)減少電阻降低晶體的離子電場(chǎng)在有序化后更對(duì)稱，從而減少電子的散射通常情況下，第二個(gè)因素占優(yōu)勢(shì)，因此有序化后，合金的電阻總體上是降低的Cu3Au合金有序化對(duì)電阻率的影響Cu-Au合金電阻率曲線（三）不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻冷加工變形對(duì)固溶體電阻的影響如同純金屬一樣，使電阻增大不同的是，形變對(duì)固溶體合金電阻的影響比純金屬大得多含有過渡金屬元素的合金進(jìn)行冷加工變形后，電阻卻降低鎳-鉻鎳-銅-鋅鐵-鉻-鋁鐵-鎳-鉬銀-錳等（三）不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻K狀態(tài)不均勻固溶體，固溶體中有特殊的相變及特殊的結(jié)構(gòu)存在這些不均勻組織是“相內(nèi)分解”的結(jié)果，即這種分解不析出任何具有自己固有點(diǎn)陣的晶體對(duì)電阻率的影響當(dāng)形成不均勻固溶體時(shí)，在固溶體點(diǎn)陣中只形成原子的偏聚，其成分與固溶體的平均成分不同偏聚區(qū)的大小與電子自由程為同一數(shù)量級(jí)，能明顯增加電子散射幾率（四）化合物、中間相、多相合金的電阻（1）化合物和中間相的電阻電阻率變化當(dāng)兩種金屬原子形成化合物時(shí)，其電阻率要比純組元的電阻率高很多原因組成化合物后原子間的金屬鍵部分地轉(zhuǎn)化為共價(jià)鍵或離子鍵，使導(dǎo)電電子數(shù)減少在一些情況下，金屬化合物是半導(dǎo)體一般地，中間相的導(dǎo)電性介于固溶體與化合物之間（四）化合物、中間相、多相合金的電阻（2）多相合金的電阻多相合金的導(dǎo)電性不僅與組成相的導(dǎo)電性及相對(duì)量有關(guān)，還與合金的組織形態(tài)有關(guān)(如晶粒度大小)當(dāng)合金是等軸晶粒組成的兩相機(jī)械混合物，并且兩相的導(dǎo)電率相近(比值為0.75~0.95)時(shí)，電導(dǎo)率與兩相的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系：1、2、

:分別為各相和多相合金的電導(dǎo)率1、2:各相的體積分?jǐn)?shù)，且1+2=1合金電阻率與狀態(tài)圖關(guān)系的示意圖連續(xù)固溶體多相合金化合物間隙相第三節(jié)電阻分析應(yīng)用一、測(cè)定固溶體的溶解度曲線二、研究合金的時(shí)效三、材料疲勞過程的研究四、研究碳鋼的回火五、研究Cu3Au合金的有序-無序轉(zhuǎn)變六、馬氏體相變的研究一、測(cè)定固溶體的溶解度曲線建立合金狀態(tài)圖時(shí)，常要確定固溶體溶解度曲線，采用電阻分析測(cè)定固溶體溶解度是一種很有效的方法例如固態(tài)的二元合金，B在A中只能有限固溶且溶解度隨溫度的升高而增加如右圖中曲線ab即為要測(cè)定的溶解度曲線不同溫度下電阻率隨合金成分變化及與狀態(tài)圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系二、研究合金的時(shí)效合金的時(shí)效往往伴隨著脫溶分解過程，從而使電阻率發(fā)生顯著的變化，所以電阻分析是研究合金時(shí)效最有效的方法之一。（一）研究Fe-Ni-C合金馬氏體的時(shí)效（二）研究Al-Si-Cu-Mg鑄造合金的時(shí)效所用Fe-Ni-C合金wNi=18%、21%、24%wC=0.03%~0.62%試樣處理1200C，24h均勻化處理后，從850C淬火至液氮得到馬氏體時(shí)效和回火將試樣從液氮貯存槽移至規(guī)定溫度溫度的浴槽中，從15s開始按照等比級(jí)數(shù)增加停留的時(shí)間間隔，將不同時(shí)間間隔停留后的試樣及時(shí)返回到液氮槽中，測(cè)量其電阻（一）研究Fe-Ni-C合金馬氏體的時(shí)效電阻率(-196C)與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系Fe-Ni18%-C0.11%板條狀馬氏體Fe-Ni21%-C0.4%片狀馬氏體馬氏體時(shí)效和回火各區(qū)電阻率變化曲線Ⅰ區(qū)：初始下降Ⅱ區(qū)：先減后增，出現(xiàn)峰值Ⅲ區(qū)：緩慢下降