材料物理性能(研究生)

材料物理性能材料学院王希靖绪论

作为一门学科，材料科学与工程的形成是金属材料、无机材料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。如果说以往机械工业的发展长期来追求材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等主要后材料结构抗力的话，在人类进入“信息社会”的今天，许多新兴企业正在替代原有的传统工业，音像市场已渗透到社会生活的各个角落，电子计算机和机器人正在努力实现智能化，人类对太空、海洋和人体自身的探索日益深入，这一切对材料提出的则是更高的功能性指标。

工程材料可以粗略地划分为结构材料和功能材料。功能材料涉及的范围很广，通常指那些具有特定物理、化学或生物学特性的材料。它可以作为一种将输入能量传递或转换成其他能量的功能元件。材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征，材料的功能性通常为原子内部的电子以至原于核间的交互作用而表现出来的特性。譬如，电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异，因而有良导体、半导体、电介质和超导体之分。材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之间因“交换作用”产生不同原子取向的结果，因而有抗磁体、顺磁体和铁磁体之别。由于微观结构的差异，材料的铁磁性中又可区分为水磁、软磁、短磁和旋磁等。材料在“非平衡”的情况下能够发光(如彩色显像管中那样的荧光)，则是材料的透明基质中渗入微量杂质的电子被激发到高能态，从而成为发光中心的缘故.毫无疑问，材料在工程应用中需要有综合性能，但其中某一项性能往往处于决定性的地位。材料物理性能是功能材料发展中受到特别关注的领域之一。它的进展凝聚着物理、化学、冶金、陶瓷和聚合物等领域科学工作者的成果，在人类科技发展史上已作出了醒目的记载。譬如，在第二次世界大战期间，德国以其首先研制成功的高保真录音磁带深夜里在电台播放时，曾经使英美的谍报人员迷惑不解，而今录音、录像的磁带或光盘己成为全世界普通人日常的生活用品。在40年代半导体材科尚未问世之前，世界上第一台电子计算机曾经是一座两层楼高的庞然大物，而今功能比它强得多的一台“nlinkpaid—600笔记本电脑全都集成在一个厚度仅35mm的盒子里，整机重量仅2．5kg。由于磁记录材料的进步，今天可以把联邦百科全书都贮存在计算机中一个小小的硬盘里，供全世界的读者通过计算机国际互联网随时查阅。人们曾经幻想过能实现大功率的光发射，如今钕玻璃的成功应用使得激光器可以输出1012--1014w的脉冲功率。同样，正是由于高透明光导纤维玻璃的研制成功，才使远距离光通信成为现实。今天，科技的发展和生活质量的提高从各个领域对材料的性能都提出了新需求。譬如，随着机械功率的增大和速度的提高，有害的振动和噪声不可避免地随之增长，人们为了保护赖以生活的环境，就有必要研制高阻尼和消声材料以防止噪声的污染。可以设想，在不远的将来，港口、机场、泵房、机械加工和铸锻车间也将成为低噪声或无噪声环境。宇宙飞行器在返回大气层时，其前沿局部表面耍达到数千摄氏度高温，为了进行太空探索就需要研制更优良的隔热材料和热防护材料。总之，人们需要更多具有电、磁、光、热和声学特殊性能的金属、陶瓷、半导体和聚合物材料。在探索功能材料的同时，人们研究材料物理性能的另一个感兴趣领域是把物理性能测试作为材料研究的一种方法，即通过各种状态下所测得的材料参数，取得固体内部微观结构组态的信息，以阐明材料的纯度、状态、相组成，精确判断相变过程的性质、数量和限度。这种方法在许多方面有独特的效果，称为“材料物理性能分析”。与金相分析、x—射线分析和电子显微分析相比，物理性能分析的特点是：(1)可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材科中发生相变的温度、时间、数量和限度；(2)可以灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响；(3)所得结果反映材料的整体效应，可以避免局部微观区域观察或测量可能造成的错觉。应当看到，合理地选用物理性能参数是取得预期分析结果的前提。在材料研究中，针对所研究的问题有时可以选用不同参数进行综合分析，并用其他方法的研究结果予以补充和左证。只有合理地采用不同的研究方法，互相补充，才能有效地解决材料科学研究中提出的问题。第1章材料磁学性能1基本磁性参数磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是一切物质的基本属性之一。按照现代科学的观点，所有物质(从微小的微观粒子到宏观物质，以至于宇宙天体)无论其处于什么样的状态(气态、液态、固态)，也无论处于怎样的温度、压力下．都显现某种磁性状态。物质宏观磁性是组成物质的基本质点磁性的集体表现，应用磁性材科可以实现能量转换、存贮，信息传递与存贮等功能．磁性材料的应用遍及各个领域，各行各业。磁性是磁性材料的重要物理参数，磁性与生命科学密切相关，现代技术的发展离不开磁性材料和磁性理论，磁性分析方法是研究材料组织结构的重要手段之一。第一节磁的基本概念一、磁质与磁距磁化：物质受到磁场作用而呈现一定磁性的现象。磁质：能被磁场磁化的物质。总磁场：

：外磁场强度；：附加场强依的大小与方向，可分为三类：（1）、抗磁质：方向相反H，且（2）、顺磁质：方向相同H，且（3）、铁磁质：方向相同H，且磁距：磁质磁性的表征。磁质在外磁场中的磁力距。

概念引入：M=Is×S×H为磁矩。原子中电子的两个运动：自旋运动：自己围绕自身轴运动。循轨运动：电子围绕原子核运动。

因为相当于一个闭合的电回路，都存在着固定的磁矩，称为循轨磁矩：

玻尔磁子：

:为轨道角动量量子数。自旋磁矩：

si为自旋角动量量子数。磁矩的宏观表现：无外磁场时，磁矩取向紊乱，不呈现磁性；有外磁场时磁矩取向性分布，呈现磁性。二、磁化强度与磁化率

磁化强度：单位体积内原子磁矩的总和。

p该体积磁质的磁矩。()磁化强度与外磁场的关系：M=xHx为磁化率：顺磁时：逆磁时：铁磁时：x>>0三、磁感应强度与磁导率磁感应强度：磁质被磁化后所处位置的总磁场强度B。附加磁场强度。

带入上式后

第二节顺磁性和抗磁性一、抗磁性循轨电子在外磁场作用下产生的附加抗磁磁矩，即该物质的磁化强度与外磁场反向。由于任何物质都具有循轨电子，在外磁场中，都有附加抗磁矩，但能否呈现于外界，取决于抗磁因素大于顺磁因素时，此时才成为抗磁质。

二、顺磁性当原子中有未填满电子的电子层时，每个电子的电子磁矩的总矢量和不为零，形成原子的固有磁矩。在无外磁场时，原子的热扰动使各原子磁矩混乱分布，物质对外不显现磁性。在外磁场作用下，各原子磁矩逐步地转向外磁场方向，从而产生顺磁因素。当顺磁因素大于抗磁因素时，对外显现顺磁性。与外磁场的关系：外磁场越大，磁化率越大。三、金属的抗磁性每一周期前面的元素都是顺磁性，后面的元素为抗磁性。过渡族元素除Fe、Ni、Co外都是顺磁性。第三节影响磁化率的因素一、温度温度升高，原子热运动加剧，原子磁矩的无序取向增大，使顺磁磁化过程变困难，导致顺磁磁化率降低。

居里常数：

铁磁性金属与温度的关系：为特征温度，铁磁物质是居里温度。二、相变晶格的变化影响电子运动状态，使磁化率变化。三、合金化两种弱磁化率金属固溶时，磁化率与合金成分的关系为平滑曲线，抗磁金属为溶剂，强顺磁为溶质时，情况复杂。见图1-8，1-9。合金形成金属化合物时，磁化率变化突出。如图1-10。这是由于γ相中自由电子数减少了，几乎无固有原子磁矩，故呈现抗磁性。

第四节抗磁与顺磁磁化率的测量磁秤法：如图1-12。试样在不均匀磁场中，沿x方向受力F:F为正，为顺磁；F为负，为逆磁。铁磁性一、铁磁质的基本特征高磁化率、磁滞现象、居里点、磁各向异性、磁质伸缩。前三个特性已经为大家所熟悉。1、磁各向异性铁磁质磁化时，沿着不同的方向产生的磁化强度不同，即磁化的难易程度不同。具体数据见书P12。

2、磁致伸缩效应铁磁物质磁化时，沿着磁化方向发生长度的变化的现象。用伸缩系数表示：注意两点：（1）饱和磁滞伸缩系数，当H=HS时磁化强度达到饱和值时，（2）具有各向异性，见图1-18。磁化曲线（自学）。二、自发磁化理论磁畴：铁磁质在未被磁化时，其内部已经存在一定组织状态的自发磁化小区域，并且各自达到饱和状态，称这些自发磁化区域为磁畴。其体积约为，相当于含有个原子。其宽度约为，相当于105个原子直径。畴壁：磁畴之间的界面。它约，相当于1000个原子直径。虽然每个磁畴已经达到磁饱和，但在多个磁畴存在时，如单晶体，对外不显示磁性。如图1-21，P15。只有在外磁场的作用下，磁畴的磁化方向与外磁场一致，显示出很强的磁性。

磁畴形成的条件（1）、原子中必须要有未填满电子内层，因而存在着未被抵消的电子自旋磁矩。（2）、相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3，即a/r>3。常见铁磁质：Fe、Ni、Co。

1．11磁与非磁物性的交叉效应磁性物质在磁场作用下或磁化状态改变时．磁性与非磁性物问是相互联系，相互作用，相互影响的，导致各种交叉效应，其中以磁电效应、磁光效应、磁热效应在现代科学和尖端技术中尤为突出。对铁磁体施加磁场的同时通以电流，铁磁体中的电位差将发生变化，这种现象称为磁—电效应，即磁场电效应。导致磁—电效应的内磁场究竟是由外磁场减击退磁场以后的有效场，还是磁感应强度，这一点还不很清楚。因此一般把磁—电效应中依赖外磁场强度的效应归为正常效应，把依赖磁化强度的效应归为反常效应。铁磁性的测量一、冲击测磁法（见图1-49P25）。在线圈N1中产生的磁场强度

当N1中电流极性突变时，+H为-H，磁感应强度B为-B，即磁通量，S为试样截面积。在N2中感生电动势在测量回路中感生电流：在t秒内产生的总电量：

若读得检流计角度和冲击常数Cb：

二、热磁仪法通过测定试样在均匀磁场中所受磁力矩的大小来求得其磁化强度。如图1-45P28。两个磁极间匀强磁场，加热炉使试样A氏体化，等温炉使其保持一定温度。磁化后试样受到的磁力矩为：为初始角度；V为试样体积。

试样偏转角后，处于平衡状态，此时：

弹性反力矩：C为弹性系统常数。因为：，得：一般：所以：则：

用途：在不同温度下的相变过程的磁化强度变化三、感应式热磁仪法。（自学）四、甩脱法。（自学）第五节顺磁与抗磁分析在金属学中的应用

金属的磁化率取决于合金的成分、组织和结构，因此可以通过测量合金的顺磁或抗磁磁化率及其变化规律，可以研究合金的相变。

一、测量Al-Cu合金的固溶度曲线。如图1-13。铝为顺磁，铜为抗磁。

当Cu含量在单相固溶体相区时，磁化率随Cu的增大而呈现接近直线的平滑曲线下降；当Cu含量在两相区时，磁化率曲线较平坦。两条曲线的交点，即为最大溶解度极限点。二、测定A氏体不锈钢中微量铁素体钢中析出微量F体时，使磁化率明显增加。如图1-14。

思考题按磁性分类，物质可分为几类?抗磁性的物理本质是什么?抗磁性为什么一般显现不出来?试述物质宏观磁性的来源。居里温度的物理意义是什么?计算Fe,Co，Ni，孤立原子的磁矩，与测得的宏观晶体原子磁矩有何异同?为什么什么是自发磁化?分子场理论的内容和意义是什么?铁磁性能带理论的要点和名义是什么?什么是磁各向异性?有几种类型?物理本质是什么?磁化曲线、磁滞固线的物理意义有何异同?什么是畴壁?畴壁有哪些类型?影响畴壁厚度的因素是什么?技术磁化过程的本质是什么?磁化过程与反磁化过程有何异同?畴壁位移的本质是什么?影响畴壁位移的因素有哪些?不可逆磁化过程对哪些磁性参数产生影响?有哪些机制?试说明磁性与磁性分析在现代科学与技术中的重要意义。第二章材料的电学性能3．能带理论

第三节金属导电性影响因素

晶体点阵不完整是引起电子散射的原因。因此造成点阵不完整的因素如温度、形变、合金化等都影响导电性。一、温度温度升高，离子振动加剧，热振动振幅加大，原子无序度增加，使电子运动自由程减小，散射几率增大，致使增大。一般在室温以上，与t成线形关系,ρt=ρ0(1+αt)二、冷变形点阵畸变、晶体缺陷、原子间距的改变使电子散射增大，增加

A,p为常数，为加工度。回复可以降低点缺陷浓度，降低；再结晶可以消除点缺陷及畸变，降低；淬火保留了高温时的点缺陷，增大；静压力：p：静压力，：电阻压力系数。在高温下，原子间距缩小，费密能和能带结构均发生变化，在极限压力下，可以使S，P，锗、硒、金刚石等由半导体、绝缘体变为导体。三、合金化

一般固溶体：形成固溶体使畸变增加，增加，见图2-13。有序固溶体：使点阵规律性增强，减少了散射，降低，如图2-17。P49m,n点是有序化成分点，所以可以通过电阻率的测量来得到有序化成分点。3、不均匀固溶体的成分反常反常态：（1）、淬火后在某一温度区间具有反常高，如图2-19。P52；（2）、淬火后的比退火后的低，回火后反而升高；（3）、退火态经过冷变形后降低，回火后升高。主要原因：固溶体中存在原子的偏聚区，其成分不同。如铝合金中的G,P区。4、中间相其导电性比其组元的导电性低。由于金属键部分地为共价键或离子键所代替，减少了有效电子数。材料的热电性

在金属导线组成的回路中，存在温差或者通以电流时，会产生热与电的转换效应，成为热电性。由于热电势是组织敏感的物理量，可以通过热电势的变化来研究金属内部的变化。第一节三种热电效应一、塞贝克（Seeback）效应—第一热电效应。由温差而产生的热电现象为Seeback效应。若，回路出现电流，称其为热电流。该效应实质是：两种金属接触时会产生接触电势差。A金属和B金属在接触处彼此发生电子的迁移，因为A,B性质不同，故进入对方金属中的电子数量不等，使形成了接触电势差。除A,B材质不同外，两个接触端的温度不同时，两者的接触电势差在回路中形成热电流。接触电势差的决定因素：（1）、电子逸出功：取决于自由电子的最高能态，即与材质有关。逸出功越小，电子越容易跑出金属表面。（2）、有效电子密度：即也与材质有关，密度高者成为正电位，否则为负电位。温度越高，自由电子可以获得更高的能量，电子越容易逸出。

A,B金属回路的电势：

K：玻尔兹曼常数；e：电子电荷；NA,NB：两种金属的有效电子密度。式中表明：热电势与温度，有效电子密度有关。二、玻尔贴(Peltier)效应——第二热电效应

当电流通过A,B两种金属组成的接触点时，除了产生焦耳热外，还会在接触点产生吸热和放热反应。此为Peltier效应。三、汤姆逊(Thomson)效应——第三热电效应

当一根金属导线两端存在温差时，通以电流后，则在该段导线中产生吸热或者放热现象。此为Thomson效应。三种效应可以同时存在于回路中。应用最多的是Seeback效应。

第二节影响热电势的因素一、金属本质影响根据公式，不同金属的逸出功、自由电子密度不同，热电势也不同。排列次序为：Si,Sb,Fe,Mo,W,Au,Ag,Zn…………在研究金属多型性转变时，热电势发生变化，如图4-5，在点为转折点。A3,A4为突变点。二、含碳量影响如表4-1，P90,在淬火态，钢的含碳量越高，M体中碳的过饱和度越大，在铁—钢热电偶中钢的热电势越负。在退火态，钢的含碳量越高，钢的热电势越负。但是退火态比淬火态热电势小。超导体的性能

1完全的导电性昂尼斯等人曾进行过下列实验，如图252示。先将超导体做成的环放入磁场中，此时T＞Tc，环中无电流，然后再将环冷却至Tc以下，使环变成超导态，此时环中仍无电流；若突然去掉磁场，则环内将有感应电流产生。这是由于电磁感应作用的结果，按楞次定律，该电流应沿反抗磁通变化的方向流动。如果此环的电阻确实为零，那么这个电流就应长期无损地流下去。事实上经过长达几年的观察，没发现电流有任何衰减，这就有力地证明了超导体的电阻确实为零，是完全导电性的。同时也说明了超导体是等电位的，即超导体内没有电场。2完全的抗磁性

迈斯纳等人由实验分析了超导体在外磁场中的特性．如图入52示。先将超导体冷却至超导态（T＜Tc