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1、绪,论,按材质分类：金属材料、无机非金属材料、高分子材料,按应用领域分：,结构材料：强调力学性能，应力应变、强度、塑性、韧性,功能材料：强调物理性能；,电性能：导电性能，电阻、电阻率、导电率,热性能：热容、热膨胀、热传导,磁性能：软磁、硬磁,声学性能：减震降噪、吸音,光学性能：光的折射、反射、吸收,功能的复合与转换：热电：温度引起电势的变化,压电：力学性能引起极化现象,电光：光学特性受电场影响而发生变化,磁光：光学性能受磁场影响而变化,声光：,材料的力,电,热之间功能转换关系,连接这些顶角的对角线表示三个,主要效应：,(1),在可逆变化并考虑单位体积时，温,度的变化引起墒的变化,dS,(C,T
2、)dT,式中，标量,c,是单位体积的热容，而,T,为绝对温度,(2),电场的小变动,dEj,引起电位移变化,dD,i,，且有如下关系式：,dD,i,K,ij,dE,j,式中，,K,ij,为电容率张量,(3),应力的小变化,d,kl,会引起应变的,小变化,d,ij,，具体关系为,d,ij,S,ijkl,d,ij,式中,S,ijkl,为弹件柔度,连接不同顶角的线段代表不同的,藕合效应：下部表示材料的热弹效应，,两条对角线中的一条代表由温度变化,引起应变的热膨胀，表示由应力引起,熵,(,热,),的压热效应；两条平行线，上,条线表示由应变引起熵,(,热,),的形变热，,下条线代表由温度变化而形状不变时
3、,引起的热压力。,内容：系统地阐明金属材料物理性能,(,热、电、磁、弹性,与内耗）的变化本质、变化规律、影响因素、测试方法及其,在金属材料研究中的应用,目的：在掌握必要的物理性能本质的基础上，着重掌握金属物理,性能与金属成分、组织、结构之间的关系和金属物理性能的主要测,试原理、方法，以期达到在金属研究中能合理选择物理性能分析方,法及确定实验方法的初步能力，并为应用和发展特殊物理性能的金,属材料打基础。,参考书目：,宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社：,1991,徐京娟，金属物理性能分析，上海科技出版社，,1987,陈述川，材料物理性能，上海交通大学出版社，,1999,第一章,电性能,1.
4、1,金属的导电性,一、表征参数,电阻,R,（,）、电阻率,（,m,）、导电率,（,S/m,）,电,阻温度系数：,导体：,：,10,-8,10,-4, m,半导体：,：,10,-4,10,+7, m,绝缘体：,：,10,+8,10,+18, m,二、金属导电理论,1,、经典电子理论,假设：金属晶体中原子失去价电子成为正离子，正离子构成晶体,点阵，价电子成为公有化电子，电子间无相互作用。自由电子与正离,子间的作用仅类似于机械碰撞；无外场作用时，自由电子沿各向运动,的机率相同，不产生电流；施加外电场后电子获得加速度，发生定向,迁移，从而产生电流。,mt,Ee,at,V,/,?,?,mt,Ee,at,
5、V,2,/,?,?,设单位体积金属中的自由电子数为,n,，则电流密度,导电率,=J/E,m,Et,ne,V,ne,J,2,2,?,?,V,m,l,ne,m,t,ne,2,2,2,2,?,?,l,ne,V,m,2,2,?,?,单位体积中自由电子数越多，电子运动自由程越大，金属导电性越好。,缺陷：忽略了电子间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用。,2,、量子理论,假设：在金属中点阵所产生的势场各处均匀，即离子与价电子没,有相互作用，且价电子为整个金属所共有，但明确指出：金属中每个,原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子按量,子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级,第二章,热学性能
6、,热学性能包括热容、热膨胀和热传导，,其共同特点是这些性能和金属中原子的热,振动密切相关，即热学性能直接取决于晶,格振动；,由于金属及合金在发生相变时伴随热的,吸收或释放，因此可根据热焓、热容等参,数变化来判断相变类型，利用对热或温度,的测量，确定相变的临界点，从而研究相,的析出、固溶、冷加工后的回复与再结晶,等过程。,2.1,热容,2.2,热膨胀,一、热膨胀及其物理本质,定义：材料在加热或冷却的过程中，其体积发生热胀冷缩的,现象；（,无,相变：正常热膨胀,）,组织转变、相变过程也能产生明显的体积效应（,异常,）表征参数：,平均线膨胀系数：,平均体胀系数：,真实线胀系数：,对立方晶系、各向同性
7、材料：,1,2,1,1,2,1,*,T,T,L,L,L,l,?,?,?,?,1,2,1,1,2,1,*,T,T,V,V,V,v,?,?,?,?,dT,L,dL,T,l,1,?,?,l,v,?,?,3,?,特殊膨胀合金：,因瓦合金：低膨胀系数，,=1.8,10,-6,可伐合金（定胀合金）：在某一温度范围内，其,接近于一,恒定值（,4.8,10,-6,）,高膨胀合金：具有较高的膨胀系数（,2328,10,-6,）,热膨胀的,物理本质,：金属受热时体积膨胀,与离子振动有关,，,温度升高，导致原子间距增大，产生膨胀，其根本原因在,于原子热振动时原子间的作用力成,非线性,，形成的,势能呈,非对称性,，由
8、于势能曲线的非对称性导致原子中心右移，,从而使原子间距增大，出现膨胀,二、热膨胀与其它物理性能的关系,1,、,热容,：均为原子热振动增加而引起的振幅增大和振动能量增大的结果,式中：,r,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,r,在,1,5,2,5,，,K,为体积弹性模量，,V,为体积，,C,为等容热容,v,v,C,KV,r,?,?,2,、,原子间结合力,A,：,熔点,：原子间结合力越大，金属熔点（,Tm,）越高，升高相同温度使原子,间距增量减小，膨胀系数越小，满足极限方程：,T,m,v,=,（,V,Tm,-V,0,）,/ V,0,=Const,对于立方、六方金属，,C0.06
9、0.076,，,正方金属：,C0.0276,B,：,Deby,特征温度,：原子间结合力与,Deby,特征温度的平方成正比，故,Deby,特,征温度越高，膨胀系数越小,C,：,硬度,：原子间结合力越大，切变模量,G,越大，位错运动阻力越大，塑性抗力,越大，硬度越高，因而膨胀系数越小,3,、,原子序数,：热胀系数是原子序数的,周期性函数,；,同一族,IA,族元素原子序数增加，线胀系数增大；,其它,A,族元素随原子序数的增大，线胀系数下降；,同一周期中过渡族金属膨胀系数最小，碱金属膨胀系数最大，原因在于碱,金属原子间结合力小，熔点低，而过渡族元数熔点高，同时存在未排满的,d,、,f,层电子，结合力大
10、，从膨胀系数小。,三、热膨胀的影响因素,（一）、相变的影响,1,、,多晶型转变（同素异构,）：由于点阵结构重排，金属比容,突变,，导致,膨胀系数不连续变化，具备,一级相变,的特征；,2,、,有序无序转变,：,二级相变,，相变时体积,无突变,，但膨胀系数在相变温,度区间有改变，从而在膨胀曲线上出现拐折,C,v,3,、,磁性转变,：居里点,T,处，随温度的升高，由铁磁,-,顺磁，从而产生,磁致伸缩的逆效应，即出现一附加的伸长或缩短（由相变引起），体,现在膨胀系数与温度的关系上，则出现反常：,Ni,、,Co,的热膨胀峰向上，,为正反常；,Fe,热膨胀峰向下，为负反常,（二）、,合金成分和组织的影响,
11、1,、,固溶体,：绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间，,溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时，固溶体膨胀系数降低，反之升高；随溶质浓度,的增加，其变化规律稍低于按算术相加规律的计算值，成,凹曲线,例：,一般情况,：在,Al,中溶入,Cu,、,Si,、,Ni,、,Fe,、,Be,；,Cu,中加,Pd,、,Ni,、,Au,均降低其热,膨胀系数；,Cu,中溶入,Zn,、,Sn,使其热膨胀系数增大,特殊情况,：,Sb,Cu,，但,Sb,加入,Cu,中，增大,Cu,的膨胀系数，与,Sb,的半金属性有关,形成有序固溶体时：随有序度的增加，原子间结合力增大，故其膨胀系数小于无序,固溶体,
12、。,2,、,多相合金,：主要取决于,组成相的膨胀系数及其体积百分比,合金组织为两相机械混合时，其膨胀系数介于两组成相的膨胀系数之间，,近似符合直线规律,alloy,=,1,*V,1,%+ ,2,*V,2,%,多相合金的热胀系数,对各相大小、分布及形状不敏感，主要取决于组成,相的性质与数量,。,3,、化合物：两元素形成化合物时，因原子间呈严格的规则排列，其元素,间相互作用比固溶体原子间的作用大，故其膨胀系数较之固溶体，将,较大幅度的下降。,（三）、,晶体结构的影响,1,、,对称性（点阵类型）,：对立方、各向同性材料：,对六方、正方晶系：由于,11,=,22,33,2,、,晶体缺陷,：金属经,（核
13、）辐照或高温淬火,后，在室温下可保留,过饱和,的点缺陷浓度,，尤其是过饱和的空位浓度增大，使空位附近的原子间,距增大，金属体积增大，膨胀系数上升。,l,v,?,?,3,?,（四）、,钢的膨胀特性,钢的显微组织与热处理有关：常见的有,M,，,F+Fe,3,C,（构成,P,、索氏,体、屈氏体、,B,）、,A,，其密度依次增大,；因此在,淬火得到,M,时，其,体积增大,；,比容,从大到小,的顺序为：,M,、,Fe,3,C,、,F,、,P,、,A,热胀系数,从小到大,的顺序为：,M,、,Fe,3,C,、,F,、,P,、,A,四、热膨胀的测量：机械式、光学式、电测式,（一）、,机械式,（千分表指示测试法
14、）,（二）、,光学式测试法,1,、,普通光学测量法,：,水平位移,：为,标样的伸长量,；由此伸长量可换算为,加热温度,垂直位移,：,试样的伸长量,得到试样伸长量,L-T,2,、,示差光学测试法,：如以,OB,代表试样伸长，,OA,代表标准样伸长，若试样,和标准样同时受热膨胀，由于标准样和试样在纵坐标上引起的光点位移相,反，光点的位置在,C,点。并且,光点实际位移代表试样和标准样在纵坐标上的投影差，故称为示差。,（三）、,电学测试方法,1,、,电感式膨胀仪,（依靠试样的膨胀导致电感中铁芯位移，产生差动变压）,2,、,电容式膨胀仪,（依赖试样膨胀导致电容器极板距离发生位移，使电容变化）,五、热膨胀
15、分析的应用,由于组织转变都伴随有明显的体积效应，根据这一特性，膨胀法对分析钢,的加热、等温、连续冷却和回火过程中的转变非常有利。,（一）、确定钢的组织转变温度,1,、,临界转变点（相变点的测定）,试样在加热或冷却过程中长度的变化由,温度变化（正常热胀冷缩,）,与,组织转变产生的体积效应（异常热胀冷缩）,引起；,组织转变前与组织完全转变后，,试样体积或长度的变化单纯由温度引,起，呈线性变化,，在组织转变温度范围内，附加了由组织转变引起的异,常热胀冷缩，导致膨胀曲线偏离一般规律，拐折点对应组织转变的临界,点；,2,、,碳钢的膨胀曲线分析,（,二）、研究钢的等温转变,1,、,等温转变的动力学曲线测试
16、,2,、,等温转变产物数量的确定与,C,曲线的绘制,（三）、建立钢的连续冷却转变图与淬火膨胀曲线分析,淬火膨胀曲线分析：,可确定,M,s,、,M,f,、转变产物百分比的确定,（四）、,研究淬火钢的回火,淬火钢的原始组织：淬火,M+,残余,A,回火过程中的,三大效应,：淬火,M-,回火,M,；残余,A,分解；碳化物的聚集与长大,80,一,160,温度区间发生了体积收缩，冷却膨,胀曲线,1,表明温度降低时，曲线不沿原加热曲,线回升，此时析出了碳化物相，体积收缩是由,于碳化物析出，导致了马氏体的正方度下降。,230,一,280,温度区间发生了体积膨胀，它表,明淬火组织中残余奥氏体发生了分解。,260
17、,一,360,温度范围出现了体积收缩。它说明马氏,体继续分解为铁索体和碳化铁的混合物。加热,到,535,后，再缓慢地冷却至室温，冷却膨胀,曲线在,200,附近出现了明显的拐折。它表明,525,回火钢的组织已完全转变为铁素体和渗,碳体，在以后的冷却过程中,渗碳体,于,200,附,近转变为弱铁磁相,。,（五）、研究热循环对材料的影响,热循环在材料内部将产生缺陷和内应,力，,随热循环次数的增加，由于相变,引起的膨胀幅度有规律地减小，最终,完全消失，这是由于材料内部未松弛,应力的作用使,M,体和,A,体都趋于亚稳,定状态，在更高温度下加热，则这种,亚稳定状态可得到缓解或消除。,图中曲线,(4),表示在
18、第,19,次热循环过程,中，由于加热到,750,，使得由从前,的多次热循环稳定下来的马氏体在较,高的,A,s,点开始转变，在随后的冷却过,程中，还可以观察到标准的马氏体相,变与第,1,次循环所观察到的完全相同。,（六）、研究晶体缺陷,晶体缺陷的存在或消失引起的晶体相对体积变化为,10,-4,数量级,。,利用这种性质可以确定形变试件或高温淬火零件的空位或位错密度。,（七）、研究快速升温时金属相变及合金时效动力学,在焊接、电加热,(,高频,),、热疲劳及高速连续热处理工艺中，由于升温速,度极快，所以研究钢和合金快速加热的相变非常重要。用快速膨胀仪测,得的,Fe-8,Co(,质量分数,),合金的不同
19、升温速度对,-,相变温度的影响结果,表明：,随升温速度加快，相变温度也向高温推移,，因为其相变机制是以,扩散方式进行的。,燃气轮机叶片用钢,(0.06,C,、,10,Cr,、,20,Ni,、,3,Ti,、,0.4,A1,、,0.015,B,，余为,Fe),的加热膨胀曲线和时效等温膨胀曲线。,经高温退火的固溶体，其加热膨胀曲线于,750,出现一拐折,，根据,X,射线相分析表明，这个拐点,(,体收缩,),是金属间化合物,Ni,3,（,Ti,，,Al),析,出所引起的。时效等温膨胀曲线实际上表明了,Ni,3,（,Ti,，,Al),相析出的动力学过程，,700,等温时效时，,Ni,3,（,Ti,，,A
20、l),相析出最剧烈。,2.3,热传导,定义：,由于材料相邻两部分间的温差而发生的能量迁移与传递,；,Fourier,定律：,比例系数,k,称为热导率,(,亦称导热系数,),，反映了该材料的导热能力。,假设热传导过程中无辐射，传热速度很慢，密度不变，则结合热力学第,一定律（能量守恒）,：,将,Fourier,定律代入：,得到导热微分方程：,0,?,?,?,?,?,?,i,i,x,q,t,u,?,0,2,2,?,?,?,?,?,?,?,?,i,i,x,q,k,t,T,T,u,?,v,C,T,u,?,?,?,2,2,2,2,i,i,v,x,T,x,T,C,k,t,T,?,?,?,?,?,?,?,?,
21、?,?,?,?,称为热扩散率，亦称导温系数,。,它的物理意义是与不稳定导热过程,相联系的。不稳定导热过程是物体,一方面有热量传导变化，同时又有,温度变化，热扩散率正是把二者联,系起来的物理量。,它标志温度变化,的速度。在相同加热和冷却条件下,愈大，物体各处温差愈小。例如淬,火时，钢件的温度是外部低、内部,高，若钢的导温系数大，则温度梯,度小，试样温度比较均匀；反之，,则试样温差大,。由于各种钢的密度,和比热容相差不大，因此，对于钢,材可以认为导热系数愈高，导温系,数也愈高。,一、,导热微观机制,:,固体组成质点只能在其平衡位置附近作微小振动，不能如同气体,分子那样杂乱的自由运动，因此不能像气体
22、靠分子直接碰撞来传递热,量。,固体中的导热主要是靠晶格振动的格波,(,也就是声子,),、自由电子,的运动、光子（电磁辐射）来,实现的。通常不考虑光子导热，,因为只,有在其高温下才可能存在光子导热，如果固体的热导率为,k,，则,k,k,Ph,十,k,e,式中：,k,ph,为声子热导率，,k,e,为电子热导率,金属的热传导：,纯金属：导热主要靠自由电子,合金：声子导热作用增强（电子导热为主）,半金属、半导体：声子导热、电子导热作用相当；,绝缘体：声子导热,F,e,e,e,e,m,T,nk,l,v,c,?,?,?,3,3,1,2,2,?,?,也可引入,热阻率：其大小表征材料对热传导的,阻隔,能力,则
23、合金固溶体的热阻也可分为两部分：,基本热阻（本征热阻,）：为基质纯组元的热阻，与温度有关；,残余热阻,：与温度无关，与溶质浓度有关,电子的平均自由程,由金属中,自由电子的散射,过程决定：,如果点阵完整，电子运,动不受阻碍，平均自由程为无穷大，导热系数也无限大；实际晶体点阵则由,于热运动引起阵点上原子的偏移，杂质原子引起弹性畸变，位错和晶界引起,的点阵缺陷对电子导热影响较大；,金属中电子导热率和声子导热率之比约为,30,；,金属导热率和绝缘体导热率之比约为,30,：金属阵点上正离子导热与绝缘体导热,情况类似；,低温下金属中,电子对声子的散射,起主导作用，限制了声子的平均自由程，使金,属的,k,i
24、,小于相同弹性性能的绝缘体的,k,i,由于“电子,电子”间的散射对于能态密度很高的金属相当重要，因此在许多,场合下对于过渡族金属必须考虑其影响。,在极低温度下，,位错通常是散射声子最重要的因素，在高温和高点缺陷浓度的,情况下，点缺陷引起的热阻与点阵的非谐振动相联系,。实验表明：,点缺陷对,声子的散射有一个初略的规则：大区域缺陷主要在最低温度下显示对热阻的,贡献；点、面缺陷则主要在中等温度下显示出来。,),(,/,1,0,T,W,W,W,?,?,?,?,热导率和电导率的关系：自由电子为主要载体,研究结果：,在不太低的温度下,，,金属热导率与电导率之比正比于温度，,其比例常数不依赖于具体金属,，满
25、足,Widemann,Franz,定律：,L,0,为洛伦兹数,当温度高于,Debye,温度,，且金属导电率较高时，,L,0,=2.45,10,-8,V,2,/K,2,（,W/K,2,）,在较低温度下，且金属导电率较低时,，,L,0,为一变数，则对,Widemann,Franz,定律进行修正：,当温度高于,Debye,温度，金属导热主要为自由电子，,L,0,为常数，当温度,较多地低于,Debye,温度时，声子参与导电，随温度的升高，,L,0,下降。,T,L,e,0,/,?,?,?,T,L,T,T,T,ph,ph,e,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,),/(,二、热导率的影响因
26、素,1,、温度,由于在费米能,E,F,kT,的情况下，电子热容,C,e,与温度,T,成正比，一般情况,下电子速度,V,e,为一常数,，则根据：,由于物理、化学缺陷与点阵振动对电子的散射，限制了电子的平均自由,程,。克勒蒙斯指出：在低温情况下缺陷对电子散射同样满足魏德曼,弗朗兹定律，则,：,令：,则,由于,低温下基本热阻,：,则,e,e,e,e,l,v,c,3,1,?,?,e,e,l,T,?,?,e,e,L,T,W,T,?,?,0,0,?,?,?,?,?,?,e,L,/,0,T,W,/,0,?,?,2,),(,T,T,W,?,),/,/(,1,2,T,T,e,?,?,?,?,?,T,T,W,e,
27、?,?,?,?,2,在,Debye,温度以上的高温下，由于基本电阻,则,T,?,?,Const,T,L,T,W,?,?,0,),(,?,一般说来，,纯金属由于温度升高而使平均自由程减小的作用超过温度,的直接作用,，因而,纯金属的导热系数一般随温度升高而降低,。,合金的导热,系数则不同，由于异类原子的存在，平均自由程受温度的影响相对减小，,温度本身的影响起主导作用，因此,随温度的升高而升高,2,、,原子结构对热传导的影响,：,自由电子起主要作用，与导电率密切相关,由图可见：,具有一个价电子的,Au,、,Ag,、,Cu,的导热系数最高；导电性能良好的,Al,、,W,等导热系数也比较高；德拜温度较高
28、的单质，如,Be,和金刚石也都具有较高的,导热系数,。,3,、,合金成分和晶体结构,（,1,）,合金中加入杂质元素，使残余热阻增大，导热系数降低,；,合金元素与基体金属结构差异大，则晶格畸变大，对电子、声子散射大，导热,系数降幅大；,合金元素与基体金属结构差异小，则晶格畸变小，对电子、声子散射小，导热系,数降幅不大；,如基体热传导系数大，合金元素影响较大；,（,2,）合金发生,无序,-,有序转变,时，由于,点阵的周期性增强，使传导电子的平均,自由程增大,，使其,导热系数比无序时明显增大,；,对液、固态下无限互溶的固溶体，其变化规律与电阻率变化规律相反,（,3,）、,晶粒大小,：晶粒越粗大，热导
29、率越高，晶粒越细小，热导率越低；,（,4,）、立方晶系、各向同性材料，热导率与晶向无关；其他晶系，则出现,各向异性,；,三、,热导率的测量,：利用稳态传热方法,控制加热功率，使半无限大试样在,Y,轴方向实现稳态传热，,即加热与传出热量,始终相等,，满足：,则,T=AY+B,代入边界条件：,y=0 T=T,1,y=H T=T,2,温度场,：,根据,Fourier,定律：,式中,q,与加热功率有关（,W/S),，,H,、,T,1,、,T,2,可测，故,可求。,X,轴,Y,轴,0,2,2,?,?,?,?,?,?,y,T,t,T,?,1,1,2,T,y,H,T,T,T,?,?,?,H,T,T,y,T,
30、q,1,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2.4,热电性,定义：,在金属导体组成的回路中，存在温差或通以电流时，会产生热与电的转换,效应,；热电性为,组织敏感参量,，可通过热电势的变化研究金属内部组织结构,的变化；,一、三大热电效应,1,、,Seeback,效应,（温差电现象、第一热效应，,1821,年发现）,现象：,在两种不同材料（导体或半导体）组成的回路中，当两个接触点处于不同,温度时，回路中就有电流通过，产生这种电流的电动势称为热电势,。,如果两种材料,A,和,B,完全均匀，则回路中热电势,E,AB,的大小仅与两个接触点,的温度,T,1,和,T,2,有关，由于,两种金属中电子密度不
31、同和逸出功不同,，电子从一,种金属越过界面向另一种金属迁移，故,在接点处形成与温度有关的接触电势,。,倘若回路的两接触点温度不同，接触电势的代数和不等于零，所产生的接触,电势差就是热电势。当两接点的温差不大时，热电势与温差成正比，即：,S,AB,不仅取决于两种材料的特性，且与温度有关，称为塞贝克系数，其,物理意义,为两种材料的相对热电势率,。,2,、,Peltier,效应（第二热效应，,1834,年发现）,现象：,当两种不同金属组成一回路并有电流在回路中通过时，将使两种,金属的其中一接头处放热，另一接头处吸热（除了因电流流经电路而,产生的焦耳热外，还会在接触点额外产生吸热或放热效应）,。电流方
32、,向相反，则吸、放热接头改变，这种效应称为,Peltier,效应，它满足：,经过一段时间后，在放热端会上升,T,1,，吸热端下降一,T,2,（,即热端更,热、冷端更冷,）,3,、,Thomson,效应（第三热电效应，,1851,年发现,）,现象：,当一根金属导线两端存在温差时，若通以电流，则在该段导线中,将产生吸热或放热反应；当电流方向与导线中热电流方向一致时产生,放热反应，方向相反时产生吸热反应,。热效应大小与材质、温度梯度,有关，满足：,放热,吸热,Seeback,效应,=,Peltier,效应,+ Thomson,效应,热电转换，广泛应用于加热、制冷（半导体、电制冷）、温差发电,T,1,
33、T,2,I,T,1,T,2,I,二、影响热电势因素,由接触电位差引起的热电势依赖于离子热振动（声子）和电子的,扩散，由于声子热流的定向运动挟带传导电子，从而使热电势随温度,升高而增大；热电势取决于金属或合金的成分、组织状态，同时磁场、,有序化过程、冷加工、电子浓度等也有影响。,1,、,材料本性的影响,由于材料,电子逸出功、电子密度的不同,，导致热电势差异，纯金,属热电势按以下顺序排列，任一后者的热电势相对于前者为负；,Si,、,Sb,、,Fe,、,Mo,、,Cd,、,W,、,Au,、,Ag,、,Zn,、,Rh,、,Ir,、,Tl,、,Cs,、,Ta,、,Sn,、,Pb,、,Mg,、,Al,、,
34、Hg,、,Pt,、,Na,、,Pd,、,K,、,Ni,、,Co,、,Bi,2,、,合金元素的影响,（,绝对热电势指金属与超导体成偶是在临界温度以下,测得的热电势,）,由非过渡族元素所组成的固溶体，其热电势主要与合金元素的含,量与性质有关，其绝对热电势：,),(,0,i,b,a,i,a,e,e,e,e,?,?,?,?,?,e,b,为基体热电势、,e,i,为合金元素溶入,后产生的附加热电势,多相合金的热电势介于组成相之间，若两相电导率相近，则热电势,与体积百分比呈线性关系；若形成化合物，热电势发生突变，若化合物,成半导体性质，由于,共价结合的加强，其热电势显著增加,。,3,、组织转变的影响,A,：
35、,同素异构转变,从图可以看到，随着加热温度的升高，铁的,dE/dT,曲线,在,A,2,点由于磁性转变发生拐折，而在,A,3,和,A,4,点由于发生同素异构转变，,曲线产生明显跃变。,B,：,M,体转变,：虽然成份不变，但,M,体与,A,体结构不同，,M,体热电势,A,体热电势,C,：,亚稳固溶体合金的析出,：过饱和固溶体的时效、回火均导致固溶体基体中,合金元素的贫化、第二相的生成与析出，热电势下降；,D,：,有序无序转变,：合金有序化，导致热电势下降。,4,、,塑性形变的影响,形变金属（负）与退火金属成偶时，随加工程度增加，热电势值升高；,5,、,压力影响,：,原子间距减小，改变了声速、声子极
36、化及电子与声子的,交互作用，从而使热电势下降,；,6,、,磁场,：既有增大，也有减小，视温度范围而定。,1,、,研究铝合金的时效,（,Al-4Mg-8Zn,）,从电阻和温度的关系曲线可以看出：在,50,以下时效，随着时效温度的升高电阻率增大。这是,由于,Mg,和,Zn,原子发生偏聚引起的，即相当于合金,中形成了,G.P.,区,的阶段；在,50-275,之间，电阻率,下降是由,固溶体析出,了,Al,2,Mg,2,Zn,8,引起的，它对应,于固溶体的正常分解阶段，这个过程称为温时效。,在,300,时，由于多余的,析出相重新回溶,，固溶体,中合金元素增多导致了电阻率增大。,275,时，电,阻率下降到
37、最低值,。,将合金进行淬火，得到过饱和的固溶体组织，,然后在不同温度进行时效，时效态的试样与该合金,经,275,完全退火状态的,G1,和,G2,成偶，,如果时效,只发生简单的析出过程，则热电势应当随时效温度,的升高，单调下降到零值,。但,实测曲线却出现了两,个反常变化：一是在,75,到,125,之间热电势上升；,二是随着温度的增高热电势于,150,经过零值，并,变为负值，于,225,达到极小值，随后于,275,上,升,。,三、,热电性分析的应用,（分析,金属材料组织结构的转变；利用,Seeback,效应用,于热电偶测温；温差发电；电制冷,）,2,、,研究淬火,M,体的回火,钢的,淬火,M,体比
38、其退火态组织具有较负的热电势，钢的淬火,M,体在回火,过程中随碳饱和度的降低，热电势增高，总热电偶差值减小,；,从曲线的走向和变化特征可以看出：在回火等温的最初阶段热电势值下,降得十分急烈，这说明马氏体中碳的析出速度很快。此后随着停留时间的增,长，热电势的变化逐渐变缓并趋于停止。它反应出马氏体中的含碳量缓慢降,低；而逐渐达到一个稳定状态。,不同温度回火的曲线表明：回火温度愈高，,碳的析出速度愈快，析出的数量愈大，并且愈容易达到稳定状态。,2.5,材料的热稳定性,热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致坡坏的能力,；,主要指标：高温强度、蠕变抗力、抗热冲击性,组织稳定；,第三章,磁性能,3.1,
39、磁性基本概念与表征参量,磁化：物质在磁场中，由于受磁场作用而呈现一定磁性的现象；,磁介质：能被磁化的物质；,磁化后使外磁场减弱的物质，抗磁质：,Cu,、,Ag,、,Au,、,Zn,磁化后使外磁场略有增强的物质，顺磁质：,Pt,、,Pd,、奥氏体不锈钢、碱金属,磁化后使外磁场急剧增强的物质，铁磁质：,Fe,、,Ni,、,Co,、（,Gd,）,表征参量：,H,：磁场强度,M,：磁化强度，单位体积内的磁矩；,M=,m,H ,m,为磁化率（系数）,B,：磁感应强度，通过磁场中某点、垂直于磁场方向单位面积的磁,力线数，反应外加磁场,H,和磁介质磁化后,M,的综合作用效应；,B=,0,（,H+M,）,=,
40、0,（,1+,m,）,H=,0,r,H=H,0,：真空磁导率,r,：相对磁导率,：绝对（真实）磁导率,?,?,V,m,M,/,磁介质的分类与特征：,1,抗磁体：,磁化率,m,0,，大约在,10,-6,数量级。它们在磁场中受微弱斥,力。根据,m,与温度的关系，抗磁体又可分为：“经典”抗磁体，它,的,m,不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体，它的,m,随温度变化，且其大小是前者的,10100,倍,如铋、镓、锑、锡、铟,等。,2,顺磁体：磁化率,m,0,，约为,10,-6,10,-3,。它在磁场中受微弱吸力。根,据,m,与温度的关系，可分为：正常顺磁体，其,m,随温度变化符合,m,1/T
41、,关系。金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等；,m,与温,度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属（反常顺磁体）。,3,、铁磁性：在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。,m,是很大,的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钻、镍等。,铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度林为居里温,度或居里点，常用,T,c,表示。,4,亚铁磁体：与铁磁体类似，但,m,值没有铁磁体那样大：如磁铁矿,(Fe,3,O,4,),、铁氧体等属于亚铁磁体。,5,反铁磁体：,m,是小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率同磁场,的取向有关；高于这个温度，其行为象顺磁体。具体材料有,-Mn,、铬，
42、,还有如氧化镍、氧化锰等。,磁介质的磁化过程实质上是内部原子磁矩的取,向过程，原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁,矩、原子核磁矩；,电子的循轨运动（公转）可以看成是一个闭合,的环形电流，由此产生的磁矩成为轨道磁矩，垂直,于电子运动的轨道平面；在外加磁场上的分量为：,m,ez,=m,l,B,（,m,l,=0,、,+1,、,+2,、,+,l,）,电子绕自身的轴旋转，产生一个自旋磁矩，其,方向平行于自旋轴；在外加磁场上的分量为：,m,sz,=+,B,原子核磁矩约为电子磁矩的,1/2000,，可忽略；,电子轨道磁矩与电子自旋磁矩之和构成原子的,固有磁矩：原子本征磁矩,如原子中所有电子壳层都是填满的，
43、由于形成,一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旅磁矩,各自相抵消，此时原子本征磁矩,m,0,抗磁性及产生原因：金属被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相反，,原因在于电子的循轨运动受外加磁场作用产生的抗磁矩（与外加磁场,方向相反），故抗磁不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生，,而是在外加磁场作用下电子的绕核运动所产生的附加磁矩所产生的,顺磁性及产生原因：主要来源于原子,(,离子,),的固有磁矩，在没有外加磁场时，原子的固有磁,矩呈无序状态分布，在宏观上并不呈现出磁性；,若施加一定的外磁场时，由于磁矩与磁场相互作,用，磁矩具有较高的静磁能。所谓静磁能是指原,子磁矩与外加磁场的相互作用能用,E
44、H,表示，其,大小等于：,为了降低静磁能，磁矩改变与磁场之间的夹角，,于是便产生了磁化；随着磁场的增强，磁矩的矢,量和在磁场方向上的投影不断地增大，磁化不断,地增强。在常温下，要使原子磁矩转向磁场方向，,除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之,外，还必须克服由原子热运动所造成的严重干扰，,故通常顺磁磁化进行得十分困难。,自由电子在磁场的作用下同时产生抗磁矩和,顺磁矩，不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，,故自由电子的主要贡献是顺磁性,产生顺磁性的条件：原子的固有磁矩不为零,A,：具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；,B,：内壳层未被填满的原子或离子：过渡族元素、稀土金属,根据金属离子核外电子层结
45、构不同，分为以下两类：,1,）电子壳层已全部被填满，即固有磁矩为零。在外加磁场的作,用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩，抗磁矩的强弱取决于核外电,子的数量。如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩，则金属,为抗磁金属，如铜、金和银等。锑、铋和铅等金属也属于这种情况，,所不同的是它们的自由电子向共价键过渡，因而呈现出异常大的抗磁,性。,碱金属和碱土金属，它们的离子也是填满的电子结构，但它们的,自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性，呈现顺磁性，如铝、,镁、锂、钠和钾等。,2,）离子有未被填满的电子层，即离子具有较强的固有磁矩。在,外磁场的作用下，这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨
46、,运动所产生的抗磁矩。具有这种离子的金属部有较强的顺磁性，它们,属于强顺磁性金属。如,3d,金属中钒等；,4d,金属中的铌、锆、钼,5d,金属中的铪、钽、钨和铂等,从元素周期表来看：每一周期前面的元素都是顺磁的，后面一些,元素多为抗磁的；过渡族元素除,Fe,、,Ni,、,Co,（,Gd,）外，几乎都具有,较强的顺磁性。,3.2,抗磁、顺磁的影响因素,1,、温度,随温度升高，原子热运动加剧，原子磁矩无序度增加，磁矩趋向,一致困难，使顺磁磁化过程困难，降低顺磁磁化率；（锂、钠、钾、,铷等金属，顺磁性由价电子产生，,m,与温度无关）,对一般顺磁质，其磁化率随温度的变化服从居里定律：,m,=C/T,强
47、顺磁金属，如铁磁性金属成顺磁态，则磁化率随温度变化遵循,居里,外斯定律：,m,=C/,（,T-,）,反铁磁性物质各有一个特定的温度,T,N,（尼尔点）：,当,TT,N,时：,随温度升高，磁化率下降；当,TT,N,时：,随温度升高，磁化率升高,原子或离子的抗,磁磁化率与温度无关，,或者随温度变化发生,微弱的改变。但当金,属熔化、凝固以及发,生同素异构转变时，,抗磁磁化率将发生突,变。,2,、同素异构转变：由于晶格类型及原子间距发生变化，从而影响电子运,动状态，导致磁导率的变化；,白锡是很弱的顺磁体，不但在熔化时转变为抗磁体，而且在低温,发生同素异构转变，成为灰锡的同时也成为抗磁体。这是因为原子间
48、,距增大引起自由电子减少和结合电子增多，从而导致金属性的损失，,顺磁性下降、抗磁性增加。,加热时锰发生一系列同素异构转变，但无论是,-,，还是,-,都,是使顺磁磁化率增加原因在于原子间距减小，塑性和导电性增加。,Fe,在,A2,点,(678,),以上变为顺磁状,态，在,910,和,1410,发生,-,和,-,转,变时顺磁磁化率发生突变：,Fe,的磁化率,比顺磁的,Fe,和,Fe,的都低，且,Fe,的磁,化率几乎与温度无关，而,Fe,和,Fe,的磁,化率在温度升高时急剧下降，且,Fe,和的,磁化率曲线处于,Fe,的延长线上。,3,、加工硬化：范性形变使铜和锌的抗磁性减小，经高度加工硬化后的铜,变
49、为顺磁体，但退火可以返回其抗磁性质。一般认为这是因为加工硬化时原,子间距增大、密度减小所引起的变化。,4,、晶粒细化可以使,Bi,，,Sb,，,Sc,，,Te,的抗磁性降低，而,Se,和,Te,在高度细,化时甚至成为顺磁体。显然，无论是加工硬化还是晶粒细化都引起点阵畸变,从而影响磁化率，它们影响的趋势和熔化一样使抗磁性降低。可以设想，在,熔化、加工硬化或晶粒细化时，金属晶体都趋于非晶化，因而导致了类似的,变化。,5,、合金化的影响：合金化对抗磁或顺磁磁化率的影响比较复杂,当,Cu,，,Ag,，,Al,，,Au,等低磁化率金属形成固溶体时。其磁化率以平滑的曲,线随成分变化，但不成直线，表明形成固
50、溶体时结合键发生了变化。,如果将强顺磁的过渡族金属,(,如,Pd),溶入抗磁金属,Cu,，,Ag,，,Au,中，固溶体,磁性发生复杂变化：在,30,Pd,以下使合金固溶体,),抗磁性增强，只有在,Pd,的,浓度更高时，磁化率才变为正值并急剧上升到,Pd,所固有的高顺磁值。外推开,始曲线到,100,Pd,表明，进入固溶体的,Pd,在,30,以下是抗磁性的；这是由于,d,电子壳层被自由电子所填充使,Pd,在固溶体中没有离子化所造成的。,Pd,的,同族元素,Ni,和,Pt,溶入,Cu,中也使自己的磁化率减小，但保持微弱的顺磁性。,Cr,和,Mn,与,Pd,有显著的不同，它们溶入,Cu,中使固溶体的磁
