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1、金属材料显微结构与物理性能物理性能部分,桂林理工大学 材料科学与工程学院,金属材料显微结构与物理性能,总学时 48金属材料显微结构 32物理性能 16考试所占比例金属材料显微结构 67%物理性能 33%成绩构成平时成绩 30%考试成绩 70%,教材及参考资料,教材陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，2006参考书吴雪梅，材料物理性能与检测，科学出版社，2012宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社，1981刘强，材料物理性能，化学工业出版社，2009陈登明，材料物理性能及表征，化学工业出版社，2013郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，2008,材料技术信息技术能源技术生物技术先进制造技术
2、航空航天技术环境保护技术等已经成为影响人类进步的重要技术。其中材料技术是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不开材料的发展。没有高性能的材料作为基础，现代社会的文明很难再上一层楼！,二十一世纪世界各国重点和优先发展的技术是什么？,绪论,绪论,性能,成分,结构,性质,用途,金属铁,强度、硬度高,结构件,金属铜,导电性能好,电线、电缆,半导体Si,半导体特性,大规模集成电路,铝合金,比强度高,航空航天,AlN等无机,压电性,超声波元件，滤波器,绪论,绪论,材料的性能指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时，其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介质、辐
3、照等。材料的物理性能指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生的变化。作用因素通常也以这些相应的物理量为主。,材料性能的划分,复杂性能,复合性能 工艺性能 使用性能,抗氧化性 耐腐蚀性 抗渗入性,强 度 延 性 韧 性 刚 性 摩擦磨损,热学性能 声学性能 光学性能 电学性能 磁学性能 辐照性能,化学性能,物理性能,力学性能,本课程讲授内容,第一章、电学性能 第二章、磁学性能第三章、光学性能第四章、热学性质 第五章、弹性与滞弹性,第一章 电学性能,主要内容材料的导电性 影响金属导电性的因素 电阻分析应用,第一节 材料的导电性,一、电阻率和电导率欧姆定律
4、：,R表示导体的电阻：,电导率：,单位：(m)(-1m-1,S/m),一些材料室温下的电导率,二、金属导电理论,量子自由电子理论,经典自由电子理论,能带理论,（一）经典自由电子理论,经典自由电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀电场，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容器一样，因此可以把价电子看成“电子气”。,E,在自由电子做定向运动过程中，会不断与正离子发生碰撞妨碍电子加速运动，形成电阻。从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平均距离（自由程）为 l，电子平均运动的速度为v，单位体积内的自由电子数为 n，则电导率为,m:电子质量e:电
5、子电荷:两次碰撞之间的平均时间,经典自由电子理论的不足之处不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价金属多，但导电性比一价金属差的原因实际测量到的电子平均自由程比经典理论估计的大很多不能解释超导现象的产生,经典自由电子理论的问题根源忽略了电子之间的排斥作用忽略正离子点阵周期场的作用立足于牛顿力学的宏观运动对于微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的概念来解决。,（二）量子自由电子理论,相同点：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所共有，可以在整个金属中自由运动。,不同点：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，而所有价电子按量子化规律具有不同的能量
6、状态，即具有不同的能级。,电子具有波粒二象性，运动着的电子作为物质波（德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动量之间的关系为,m:电子质量v:电子速度:波长p:电子动量h:普朗克常量,自由电子的E-K曲线,粒子的观点曲线表示自由电子的能量与速度（或动量）之间的关系波动的观点曲线表示电子的能量和波数之间的关系。电子的波数越大，则能量越高。,费米能EF 0K时电子所具有的最高能态，不同金属的费米能不同,电场对E-K曲线的影响,外加电场的作用外电场使向着其正端运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电只有处于较高能态的
7、自由电子参与导电,电阻的形成电子波在传播过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。超导体量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的导体，即所谓的超导体。,电阻产生的本质晶体点阵离子的热振动使电子波受到散射晶体中的杂质原子、位错和点缺陷等使电子波受到散射对电子波产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。,量子,经典,m*:有效电子质量neff:有效自由电子数v:费米面附近实际参加导电的电子平均速度:单位时间内散射的次数（散射系数）,一价金属的neff 比二、三价金属多，因此一价金属的导电性好,马基申定则
8、,声子散射和电子散射（与温度成正比）,电子在杂质和缺陷上的散射（与温度无关）,马基申定则(Matthiessen Rule)总的电阻包括金属的基本电阻（与温度有关）和杂质浓度引起的电阻（与温度无关）,（三）能带理论,相同点：金属中的价电子是公有化的能级是量子化的,不同点：金属中由离子点阵所造成的势场不均匀，而呈周期变化,能带理论就是研究金属中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题,能带的形成原子结构理论每个电子都占有一个分立的能 级。泡利不相容原理每个能级只能容纳2个电子。例如，一个原子的2s轨道只能有一个能级，可以容纳2个电子。2p轨道则有3个能级，一共可以容纳6个电子。,电子数量增加时能级
9、扩展成能带,能带结构中的有关概念,允带电子可以具有的能级所组成的能带满带一个能带中的各能级都被电子填满空带同各个原子的激发能级相对应的能带，在未被激发的正常情况下没有电子填入,能带结构中的有关概念,价带由价电子能级分裂而形成的能带，通常情况下，价带为能量最高的能带。价带可能被电子填满，成为满带，也可能未被电子填满，形成不满带或半满带导带一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带，此时，价带和空带均表现为不满带，在外加电场的作用下形成电流，对于这样的固体，能带结构中的空带又称为导带禁带（带隙）价带与空带之间存在着一段能量间隔，在这个区域永远不可能有电子，这个能量区域称为禁带或带隙,自由电子模型
10、,晶体中电子的E-K曲线,近自由电子模型,充带,充带,充带,禁带,禁带,空带,价带,带隙,导体如果价带内的能级未被填满，价带与导带之间没有禁带，或者相互重叠，在外电场作用下电子很容易从一个能级跃迁到另一个高能级去而产生电流绝缘体价带是满带，且满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的空间，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带半导体半导体的能带结构与绝缘体类似，所不同的是它的禁带宽度比较窄，电子可以相对容易跃过禁带，如果存在外界作用（如热、光辐射等），则价带中的电子获得能量就可能跃迁到导带上去，在价带中出现电子留下的空穴，从而具有导电性,空带,禁带,满带
11、,金属,未填满,无禁带,重叠,宽禁带,窄禁带,绝缘体,半导体,三种导电理论的主要特征,连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动,不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动,不连续能量分布的价电子在周期性势场中的运动,第二节 影响金属导电性的因素,一、温度的影响二、应力的影响三、冷加工变形的影响四、合金元素及相结构的影响,一、温度的影响,温度对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响,自由程减小,温度升高,周期势场的涨落加大,离子振动加剧,热振动振幅增大,原子的无序度增加,散射几率增加,电阻率增大,一、温度的影响,普通非过渡金属电阻-温度曲线,一、温度的影响,通常对金属导电性的研究均在德拜温度以上，在高
12、于室温以上温度金属的电阻与温度的关系为,T:温度,C0:0 C下的电阻率T:T温度下电阻率:电阻温度系数,大多数金属：10-3过渡金属，铁磁性金属10-2,一、温度的影响,过渡金属的电阻过渡金属的电阻与温度的关系经常出现反常，特别是具有铁磁性的金属在发生磁性转变时，电阻率出现反常。研究表明，在接近居里点时，铁磁金属或合金的电阻率反常降低量与其自发磁化强度Ms的平方成正比，即,温度对铁磁性金属比电阻和电阻温度系数的影响,一般情况,金属镍,二、应力的影响,拉应力使原子间的距离增大，点阵的畸变增大，导致金属的电阻增大，电阻率与拉应力的关系：,0:未加载荷时的电阻率:应力系数:拉应力,二、应力的影响,
13、压应力使原子间的距离减小，点阵的畸变减小，大多数金属在三向压力(高达1.2GPa)的作用下，电阻率下降，并有如下关系：,0:真空下的电阻率:压力系数(为负值)p:压力,二、应力的影响,压力对过渡金属的影响最显著，这些金属的特点是存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层，在压力作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，导致性能的变化。高的压力往往导致物质的金属化，引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘体半导体金属超导体的某种转变。,三、冷加工变形的影响,室温下部分金属/合金经相当大的冷加工变形后电阻率的变化,三、冷加工变形的影响,电阻率增大的原因,晶体点阵畸变增加,晶体缺陷增加,空位浓度增加
14、,点阵电场不均匀,电子散射加剧,退火可以显著降低点缺陷浓度，再结晶过程可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷,三、冷加工变形的影响,根据马基申定则，冷加工金属的电阻率可写成,(T):与温度有关的退火金属电阻率:冷加工变形产生的附加电阻率(与温度无关),(空位):电子在空位处散射所引起的电阻率的增加值(退火温度足以使空位扩散时，(空位)消失)(位错):电子在位错处散射所引起的电阻率增加值(位错)保持到再结晶温度),四、合金元素及相结构的影响,（一）固溶体的电阻（二）有序固溶体的电阻（三）不均匀固溶体（K状态）的电阻（四）化合物、中间相、多相合金的电阻,四、合金元素及相结构的影响（一）固溶体的电阻
15、,一般情况下，形成固溶体时合金的电阻率会增大，即使是在导电性差的金属溶剂中溶入导电性好的溶质金属时，也是如此原因（1）溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，破坏了晶格势场的周期性，电子散射增加（2）固溶体组元间化学相互作用的加强使有效电子数减小,（一）固溶体的电阻,在连续固溶体中合金成分距组元越远，电阻率超高，在二元合金中最大电阻率常在50%原子分数处铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常，最大电阻率一般不在50%原子分数处,Au-Ag合金电阻率与成分关系,Cu-Pd、Ag-Pd、Au-Pd合金电阻率与成分关系,（一）固溶体的电阻,根据马基申定则，低浓度固溶体电阻率表达式为,:偏离马基申定则的
16、值，与温度和溶质浓度有关,0:固溶体溶剂组元的电阻率,:残余电阻率,C:溶质原子含量:1%溶质原子引起的附加电阻率,偏离马基申定则：,（一）固溶体的电阻,诺伯里-林德(Norbury-Lide)法则除过渡金属外，在同一溶剂中溶入1%(摩尔分数)原子溶质金属所引起的电阻率增加幅度，由溶剂和溶质金属的价数而定,a,b:常数Z:低浓度合金溶剂和溶质间的价数差,（二）有序固溶体的电阻,电阻增加合金组元化学作用加强，电子结合比无序固溶体增强，导致导电电子数减少电阻降低晶体的离子电场在有序化后更对称，从而减少电子的散射,通常情况下，第二个因素占优势，因此有序化后，合金的电阻总体上是降低的,Cu3Au合金有
17、序化对电阻率的影响,Cu-Au合金电阻率曲线,（三）不均匀固溶体（K状态）的电阻,冷加工变形对固溶体电阻的影响如同纯金属一样，使电阻增大不同的是，形变对固溶体合金电阻的影响比纯金属大得多,含有过渡金属元素的合金进行冷加工变形后，电阻却降低镍-铬镍-铜-锌铁-铬-铝铁-镍-钼银-锰等,（三）不均匀固溶体（K状态）的电阻,K状态不均匀固溶体，固溶体中有特殊的相变及特殊的结构存在这些不均匀组织是“相内分解”的结果，即这种分解不析出任何具有自己固有点阵的晶体对电阻率的影响当形成不均匀固溶体时，在固溶体点阵中只形成原子的偏聚，其成分与固溶体的平均成分不同偏聚区的大小与电子自由程为同一数量级，能明显增加电
18、子散射几率,（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（1）化合物和中间相的电阻,电阻率变化当两种金属原子形成化合物时，其电阻率要比纯组元的电阻率高很多原因组成化合物后原子间的金属键部分地转化为共价键或离子键，使导电电子数减少,在一些情况下，金属化合物是半导体一般地，中间相的导电性介于固溶体与化合物之间,（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（2）多相合金的电阻,多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对量有关，还与合金的组织形态有关(如晶粒度大小),当合金是等轴晶粒组成的两相机械混合物，并且两相的导电率相近(比值为0.75 0.95)时，电导率与两相的体积分数呈线性关系：,1、2、:分别为各相和多相
19、合金的电导率1、2:各相的体积分数，且1+2=1,合金电阻率与状态图关系的示意图,连续固溶体,多相合金,化合物,间隙相,第三节 电阻分析应用,一、测定固溶体的溶解度曲线二、研究合金的时效三、材料疲劳过程的研究四、研究碳钢的回火五、研究Cu3Au合金的有序-无序转变六、马氏体相变的研究,一、测定固溶体的溶解度曲线,建立合金状态图时，常要确定固溶体溶解度曲线，采用电阻分析测定固溶体溶解度是一种很有效的方法例如固态的二元合金，B在A中只能有限固溶且溶解度随温度的升高而增加如右图中曲线ab即为要测定的溶解度曲线,不同温度下电阻率随合金成分变化及与状态图的对应关系,二、研究合金的时效,合金的时效往往伴随
20、着脱溶分解过程，从而使电阻率发生显著的变化，所以电阻分析是研究合金时效最有效的方法之一。,（一）研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效（二）研究Al-Si-Cu-Mg铸造合金的时效,所用Fe-Ni-C合金wNi=18%、21%、24%wC=0.03%0.62%试样处理1200C，24h均匀化处理后，从850C淬火至液氮得到马氏体时效和回火将试样从液氮贮存槽移至规定温度温度的浴槽中，从15s开始按照等比级数增加停留的时间间隔，将不同时间间隔停留后的试样及时返回到液氮槽中，测量其电阻,（一）研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效,电阻率(-196C)与时效时间的关系,Fe-Ni18%-C0.11%板条状马
21、氏体,Fe-Ni21%-C0.4%片状马氏体,马氏体时效和回火各区电阻率变化曲线,区：初始下降区：先减后增，出现峰值区：缓慢下降,时效过程与碳的扩散和马氏体中碳量减少有关时效过程的实质是原子的集团化,（二）研究Al-Si-Cu-Mg铸造合金的时效,试样490C/8h+520C/8h水淬的Al-Si-Cu-Mg铸造合金电阻变化时效初期，固溶体中形成G-P区，使导电电子发生散射，电阻增大当合金开始脱溶析出CuAl2和MgSi时，电阻开始下降最佳时效温度160170C，合金内形成大量的G-P区导致合金强化,三、材料疲劳过程的研究,原理材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的扩展等一系列微观缺陷而导致的
22、宏观缺陷发展过程，将引起电阻的变化方法将试样开好缺口，装在试验机上，对试样施加周期载荷并通恒定直流电流，在试样缺口两端测定电位差,1、2阶段：电阻变化不大 3阶段：电阻缓慢增加，内部缺陷密度不断增高 4阶段：电阻迅速增加，内部裂纹已发展到表面出现微裂纹,镍在低周期应力疲劳时的电阻变化,试样示意图,例子：基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究,杜金强等，基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究，南京航空航天大学学报，(2010)Vol.42 No.3 387-391,传感器示意图,不同裂纹长度时AC之间的电位差,四、研究碳钢的回火,原理通常钢的淬火组织是马氏体与残余奥氏体，碳含量越高，残余
23、奥氏体越多淬火钢回火要发生马氏体的分解和残余奥氏体的转变由于固溶体的电阻比较高，所以分解过程伴随着电阻不断地下降,特点110C以下曲线没有明显变化，说明没有产生组织转变110C时出现拐折，说明马氏体开始发生分解析出相230C时又出现拐折，表明发生了残余奥氏体转变300C之后变化不明显，说明转变已结束碳含量越高，淬火温度越高，电阻率变化越大，说明淬火马氏体和残余奥氏体中固溶的碳越多,五、研究Cu3Au合金的有序-无序转变,Cu3Au合金的电阻与加热温度的关系,曲线1室温下无序，300C出现拐折，表明原子开始向有序排列，之后由于加热温度较高，只能获得部分有序状态，随后转变为无序结构曲线2室温下有序，从高温无序状态缓慢冷却，转变为有序状态曲线3室温下部分有序，将高温无序状态合金冷却至某一有序化温度，使有序化在冷却过程中来不及进行，再缓慢冷却，获得部分有序状化态,六、马氏体相变的研究,马氏体相变和逆相变时的电阻-温度曲线示意图,金属与合金在常温以上，电阻与温度的关系符合线性规律，若发生相变则可能偏离线性规律，故可采用电阻分析来研究马氏体相变。,开始发生马氏体相变,相变完成,逆相变完成,逆相变开始,
