材料物理性能(研究生)

1、材料物理性能材料物理性能材料學(xué)院材料學(xué)院 王希靖王希靖緒緒 論論 作為一門學(xué)科，材料科學(xué)與工程的形成是金屬材作為一門學(xué)科，材料科學(xué)與工程的形成是金屬材料、無機(jī)材料、有機(jī)高分子材料各學(xué)科發(fā)展過程料、無機(jī)材料、有機(jī)高分子材料各學(xué)科發(fā)展過程的殊途同歸。如果說以往機(jī)械工業(yè)的發(fā)展長期來的殊途同歸。如果說以往機(jī)械工業(yè)的發(fā)展長期來追求材料的高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕等追求材料的高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕等主要后材料結(jié)構(gòu)抗力的話，在人類進(jìn)入主要后材料結(jié)構(gòu)抗力的話，在人類進(jìn)入“信息社信息社會(huì)會(huì)”的今天，許多新興企業(yè)正在替代原有的傳統(tǒng)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(huì)生活的各

2、個(gè)角落，工業(yè)，音像市場已滲透到社會(huì)生活的各個(gè)角落，電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人正在努力實(shí)現(xiàn)智能化，人類電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人正在努力實(shí)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(biāo)切對材料提出的則是更高的功能性指標(biāo)。 工程材料可以粗略地劃分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。工程材料可以粗略地劃分為結(jié)構(gòu)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(xué)功能材料涉及的范圍很廣，通常指那些具有特定物理、化學(xué)或生物學(xué)特性的材料。它可以作為一種將輸入能量傳遞或轉(zhuǎn)或生物學(xué)特性的材料。它可以作為一種將輸入能量傳遞或轉(zhuǎn)換成其他能量

3、的功能元件。換成其他能量的功能元件。 材料的結(jié)構(gòu)性以原子尺度內(nèi)部不發(fā)生變化為特征，材料的結(jié)構(gòu)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。用而表現(xiàn)出來的特性。 譬如，電子能帶結(jié)構(gòu)的不同性質(zhì)決定了材料的導(dǎo)電性差異，譬如，電子能帶結(jié)構(gòu)的不同性質(zhì)決定了材料的導(dǎo)電性差異，因而有良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)和超導(dǎo)體之分。因而有良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)和超導(dǎo)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間因“交換作用交換作用”產(chǎn)生

4、不同原子取向的結(jié)果，因而有抗磁體、產(chǎn)生不同原子取向的結(jié)果，因而有抗磁體、順磁體和鐵磁體之別。由于微觀結(jié)構(gòu)的差異，材料的鐵磁性順磁體和鐵磁體之別。由于微觀結(jié)構(gòu)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。中又可區(qū)分為水磁、軟磁、短磁和旋磁等。 材料在材料在“非平衡非平衡”的情況下能夠發(fā)光的情況下能夠發(fā)光(如彩色顯像管中那樣的如彩色顯像管中那樣的熒光熒光)，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，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(yīng)用中需要有綜合性能，但其中某一項(xiàng)性能往毫無疑問，材料在

5、工程應(yīng)用中需要有綜合性能，但其中某一項(xiàng)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(guān)注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(guān)注的領(lǐng)域之一。它的進(jìn)展凝聚著物理、化學(xué)、冶金、陶瓷和聚合物等領(lǐng)的領(lǐng)域之一。它的進(jìn)展凝聚著物理、化學(xué)、冶金、陶瓷和聚合物等領(lǐng)域科學(xué)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。譬域科學(xué)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(tái)播放時(shí)，曾經(jīng)使英美的諜報(bào)人員迷惑不解，而今錄音、帶深夜里在電臺(tái)

6、播放時(shí)，曾經(jīng)使英美的諜報(bào)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。錄像的磁帶或光盤己成為全世界普通人日常的生活用品。在在40年代半導(dǎo)體材科尚未問世之前，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)曾經(jīng)是年代半導(dǎo)體材科尚未問世之前，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)曾經(jīng)是一座兩層樓高的龐然大物，而今功能比它強(qiáng)得多的一臺(tái)一座兩層樓高的龐然大物，而今功能比它強(qiáng)得多的一臺(tái)“nlinkpaid600筆記本電腦全都集成在一個(gè)厚度僅筆記本電腦全都集成在一個(gè)厚度僅35mm的盒子里，整機(jī)重量僅的盒子里，整機(jī)重量僅25kg。由于磁記錄材料的進(jìn)步，今天可以把聯(lián)邦百科全書都貯存在。由于磁記錄材料的進(jìn)步，今天可以把聯(lián)邦百

7、科全書都貯存在計(jì)算機(jī)中一個(gè)小小的硬盤里，供全世界的讀者通過計(jì)算機(jī)國際互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)中一個(gè)小小的硬盤里，供全世界的讀者通過計(jì)算機(jī)國際互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)查閱。隨時(shí)查閱。人們曾經(jīng)幻想過能實(shí)現(xiàn)大功率的光發(fā)射，如今釹玻璃的成功應(yīng)用使得人們曾經(jīng)幻想過能實(shí)現(xiàn)大功率的光發(fā)射，如今釹玻璃的成功應(yīng)用使得激光器可以輸出激光器可以輸出1012-1014w的脈沖功率。同樣，正是由于高透明光導(dǎo)的脈沖功率。同樣，正是由于高透明光導(dǎo)纖維玻璃的研制成功，才使遠(yuǎn)距離光通信成為現(xiàn)實(shí)。纖維玻璃的研制成功，才使遠(yuǎn)距離光通信成為現(xiàn)實(shí)。 今天，科技的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高從各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芏继峤裉欤萍嫉陌l(fā)展和生活質(zhì)量的提高從各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅?/p>

8、都提出了新需求。譬如，隨著機(jī)械功率的增大和速度的提高，有害的振動(dòng)出了新需求。譬如，隨著機(jī)械功率的增大和速度的提高，有害的振動(dòng)和噪聲不可避免地隨之增長，人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)賴以生活的環(huán)境，就有必和噪聲不可避免地隨之增長，人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)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要研制高阻尼和消聲材料以防止噪聲的污染?？梢栽O(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，港口、機(jī)場、泵房、機(jī)械加工和鑄鍛車間可以設(shè)想，在不遠(yuǎn)的將來，港口、機(jī)場、泵房、機(jī)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(shí)，其前沿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(shí)，其前沿局部表面耍達(dá)到數(shù)千攝氏度高溫，為了進(jìn)行

9、太空探索就需要研制更優(yōu)局部表面耍達(dá)到數(shù)千攝氏度高溫，為了進(jìn)行太空探索就需要研制更優(yōu)良的隔熱材料和熱防護(hù)材料。總之，人們需要更多具有電、磁、光、良的隔熱材料和熱防護(hù)材料。總之，人們需要更多具有電、磁、光、熱和聲學(xué)特殊性能的金屬、陶瓷、半導(dǎo)體和聚合物材料。熱和聲學(xué)特殊性能的金屬、陶瓷、半導(dǎo)體和聚合物材料。 在探索功能材料的同時(shí)，人們研究材料物理性能的另一個(gè)感興趣領(lǐng)在探索功能材料的同時(shí)，人們研究材料物理性能的另一個(gè)感興趣領(lǐng)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(jié)構(gòu)組態(tài)的信息，以闡明材料的

10、測得的材料參數(shù)，取得固體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)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(dú)特的效果，稱為方法在許多方面有獨(dú)特的效果，稱為“材料物理性能分析材料物理性能分析”。與金相。與金相分析、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(diǎn)是：射線分析和電子顯微分析相比，物理性能分析的特點(diǎn)是： (1)可以有效地進(jìn)行材料試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程研究，較精確地判斷材科中發(fā)可以有效地進(jìn)行材料試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程研究，較精確地判斷材科中發(fā)生相變的溫度、時(shí)間、數(shù)量和限度；生相變的溫度、時(shí)間、數(shù)量和限度；

11、(2)可以靈敏地確定一些微量元素對材料結(jié)構(gòu)與性能的影響；可以靈敏地確定一些微量元素對材料結(jié)構(gòu)與性能的影響； (3)所得結(jié)果反映材料的整體效應(yīng)，可以避免局部微觀區(qū)域觀察或測量所得結(jié)果反映材料的整體效應(yīng)，可以避免局部微觀區(qū)域觀察或測量可能造成的錯(cuò)覺?？赡茉斐傻腻e(cuò)覺。 應(yīng)當(dāng)看到，合理地選用物理性能參數(shù)是取得預(yù)期分析結(jié)果的前提。在應(yīng)當(dāng)看到，合理地選用物理性能參數(shù)是取得預(yù)期分析結(jié)果的前提。在材料研究中，針對所研究的問題有時(shí)可以選用不同參數(shù)進(jìn)行綜合分析，材料研究中，針對所研究的問題有時(shí)可以選用不同參數(shù)進(jìn)行綜合分析，并用其他方法的研究結(jié)果予以補(bǔ)充和左證。只有合理地采用不同的研并用其他方法的研究結(jié)果予以補(bǔ)充和

12、左證。只有合理地采用不同的研究方法，互相補(bǔ)充，才能有效地解決材料科學(xué)研究中提出的問題。究方法，互相補(bǔ)充，才能有效地解決材料科學(xué)研究中提出的問題。第1章 材料磁學(xué)性能1基本磁性參數(shù)基本磁性參數(shù) 磁性現(xiàn)象是帶電粒子的量子效應(yīng)，磁性是一切物質(zhì)的基本磁性現(xiàn)象是帶電粒子的量子效應(yīng)，磁性是一切物質(zhì)的基本屬性之一。按照現(xiàn)代科學(xué)的觀點(diǎn)，所有物質(zhì)屬性之一。按照現(xiàn)代科學(xué)的觀點(diǎn)，所有物質(zhì)(從微小的微從微小的微觀粒子到宏觀物質(zhì)，以至于宇宙天體觀粒子到宏觀物質(zhì)，以至于宇宙天體)無論其處于什么樣無論其處于什么樣的狀態(tài)的狀態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài))，也無論處于怎樣的溫度、壓，也無論處于怎樣的溫度、壓力下都顯現(xiàn)某

13、種磁性狀態(tài)。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)物質(zhì)宏觀磁性是組成物質(zhì)的基本質(zhì)點(diǎn)磁性的集體表現(xiàn)，應(yīng)用磁性材科可以實(shí)現(xiàn)能量的基本質(zhì)點(diǎn)磁性的集體表現(xiàn)，應(yīng)用磁性材科可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、存貯，信息傳遞與存貯等功能磁性材料的應(yīng)用遍轉(zhuǎn)換、存貯，信息傳遞與存貯等功能磁性材料的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域，各行各業(yè)。磁性是磁性材料的重要物理參數(shù)，及各個(gè)領(lǐng)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(xué)密切相關(guān)，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展離不開磁性材磁性與生命科學(xué)密切相關(guān)，現(xiàn)代技術(shù)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(jié)構(gòu)的重要料和磁性理論，磁性分析方法是研究材料組織結(jié)構(gòu)的重要手段之一。手段之一

14、。第一節(jié)第一節(jié) 磁的基本概念磁的基本概念一、磁質(zhì)與磁距一、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)。磁質(zhì)：能被磁場磁化的物質(zhì)?？偞艌觯嚎偞艌觯?：外磁場強(qiáng)度；：外磁場強(qiáng)度； ：附加場強(qiáng)：附加場強(qiáng)依依 的大小與方向，可分為三類：的大小與方向，可分為三類： （1）、）、 抗磁質(zhì)：抗磁質(zhì)： 方向相反方向相反H，且，且 （2 ）、順磁質(zhì)：）、順磁質(zhì)： 方向相同方向相同H，且，且 （3）、鐵磁質(zhì)：）、鐵磁質(zhì)： 方向相同方向相同H，且，且HHH總HHHHHHHHHHHH磁距：磁質(zhì)磁性的表征。磁質(zhì)在外磁場中的磁力磁距：磁質(zhì)

15、磁性的表征。磁質(zhì)在外磁場中的磁力距距。 概念引入：概念引入：M=IsSH 為磁矩。為磁矩。 原子中電子的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)：原子中電子的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)： 自旋運(yùn)動(dòng)：自己圍繞自身軸運(yùn)動(dòng)。自旋運(yùn)動(dòng)：自己圍繞自身軸運(yùn)動(dòng)。 循軌運(yùn)動(dòng)：電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)循軌運(yùn)動(dòng)：電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。 mSPSI 因?yàn)橄喈?dāng)于一個(gè)閉合的電回路，都存在著固定的磁因?yàn)橄喈?dāng)于一個(gè)閉合的電回路，都存在著固定的磁矩，稱為循軌磁矩：矩，稱為循軌磁矩： 玻爾磁子：玻爾磁子： :為軌道角動(dòng)量量子數(shù)。為軌道角動(dòng)量量子數(shù)。 自旋磁矩：自旋磁矩： si為自旋角動(dòng)量量子數(shù)。為自旋角動(dòng)量量子數(shù)。 磁矩的宏觀表現(xiàn)：無外磁場時(shí)，磁矩取向紊亂，磁矩的宏觀表現(xiàn)：無外磁場時(shí)

16、，磁矩取向紊亂，不呈現(xiàn)磁性；不呈現(xiàn)磁性；有外磁場時(shí)磁矩取向性分布，呈現(xiàn)磁性。有外磁場時(shí)磁矩取向性分布，呈現(xiàn)磁性。) 1() 1(4iiBiillllmeeh循2241027. 9mABil) 1(2) 1(2iiBiiSSSSmeh自二、磁化強(qiáng)度與磁化率二、磁化強(qiáng)度與磁化率 磁化強(qiáng)度：單位體積內(nèi)原子磁矩的總和。磁化強(qiáng)度：單位體積內(nèi)原子磁矩的總和。 p該體積磁質(zhì)的磁矩。該體積磁質(zhì)的磁矩。( )磁化強(qiáng)度與外磁場的關(guān)系：磁化強(qiáng)度與外磁場的關(guān)系：M=xH x為磁化率：順磁時(shí)：為磁化率：順磁時(shí)： 逆磁時(shí)：逆磁時(shí)： 鐵磁時(shí)：鐵磁時(shí)： x0VPVMnii112mA251010, 0 xx461010, 0

17、xx三、磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁導(dǎo)率三、磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁導(dǎo)率 磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁質(zhì)被磁化后所處位置的總磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁質(zhì)被磁化后所處位置的總磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度B。 附加磁場強(qiáng)度。附加磁場強(qiáng)度。 帶入上式后帶入上式后00HHBHHHxBr00)1 ( 第二節(jié)第二節(jié) 順磁性和抗磁性順磁性和抗磁性一、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(qiáng)度與外磁場反向。磁矩，即該物質(zhì)的磁化強(qiáng)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，取中，都有附加抗磁矩，但能否呈現(xiàn)于外界，取決于

18、抗磁因素大于順磁因素時(shí)，此時(shí)才成為抗決于抗磁因素大于順磁因素時(shí)，此時(shí)才成為抗磁質(zhì)。磁質(zhì)。 二、順磁性二、順磁性 當(dāng)原子中有未填滿電子的電子層時(shí)，每個(gè)電子當(dāng)原子中有未填滿電子的電子層時(shí)，每個(gè)電子的電子磁矩的總矢量和不為零，形成原子的固有磁矩。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(shí)，原子的熱擾動(dòng)使各原子磁矩混亂分布，在無外磁場時(shí)，原子的熱擾動(dòng)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(zhuǎn)向外磁場方向，從而產(chǎn)生順磁因素。當(dāng)順磁因素步地轉(zhuǎn)向外磁場方向，從而產(chǎn)生順磁因素。當(dāng)順磁因素大于抗磁因素時(shí)，對外顯現(xiàn)

19、順磁性。大于抗磁因素時(shí)，對外顯現(xiàn)順磁性。 與外磁場的關(guān)系：與外磁場的關(guān)系： 外磁場越大，磁化率越大。外磁場越大，磁化率越大。三、金屬的抗磁性三、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。過渡族元素除為抗磁性。過渡族元素除 Fe、Ni、Co外都是順磁性。外都是順磁性。第三節(jié)第三節(jié) 影響磁化率的因素影響磁化率的因素一、溫度一、溫度 溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子磁矩的無序溫度升高，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子磁矩的無序取向增大，使順磁磁化過程變困難，導(dǎo)致順磁磁化率取向增大，使順磁磁化過程變困難，導(dǎo)致順磁磁化率降低。降低。 居里常數(shù)：居里常數(shù)：

20、鐵磁性金屬與溫度的關(guān)系：鐵磁性金屬與溫度的關(guān)系： 為特征溫度，鐵磁物質(zhì)是居里溫度。為特征溫度，鐵磁物質(zhì)是居里溫度。TCHMX測KnCi320TCx二、相變二、相變 晶格的變化影響電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使磁化率變化。晶格的變化影響電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使磁化率變化。三、合金化三、合金化 兩種弱磁化率金屬固溶時(shí)，磁化率與合金成分的兩種弱磁化率金屬固溶時(shí)，磁化率與合金成分的關(guān)系為平滑曲線，抗磁金屬為溶劑，強(qiáng)順磁為溶質(zhì)時(shí)，關(guān)系為平滑曲線，抗磁金屬為溶劑，強(qiáng)順磁為溶質(zhì)時(shí)，情況復(fù)雜。見圖情況復(fù)雜。見圖1-8，1-9。 合金形成金屬化合物時(shí)，磁化率變化突出。如圖合金形成金屬化合物時(shí)，磁化率變化突出。如圖1-10。 這是由于

21、這是由于 相中自由電子數(shù)減少了，幾乎無固有相中自由電子數(shù)減少了，幾乎無固有原子磁矩，故呈現(xiàn)抗磁性。原子磁矩，故呈現(xiàn)抗磁性。 第四節(jié)第四節(jié) 抗磁與順磁磁化率的測量抗磁與順磁磁化率的測量磁秤法：如圖磁秤法：如圖1-12。試樣在不均勻磁場中，沿試樣在不均勻磁場中，沿x方向受力方向受力F: F為正，為順磁；為正，為順磁； F為負(fù)，為逆磁為負(fù)，為逆磁。dxdHxVHF 鐵磁性鐵磁性一、鐵磁質(zhì)的基本特征一、鐵磁質(zhì)的基本特征 高磁化率、磁滯現(xiàn)象、居里點(diǎn)、磁各向異性、磁質(zhì)高磁化率、磁滯現(xiàn)象、居里點(diǎn)、磁各向異性、磁質(zhì)伸縮。前三個(gè)特性已經(jīng)為大家所熟悉。伸縮。前三個(gè)特性已經(jīng)為大家所熟悉。 1、磁各向異性、磁各向異性

22、 鐵磁質(zhì)磁化時(shí)，沿著不同的方向產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度不鐵磁質(zhì)磁化時(shí)，沿著不同的方向產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度不同，即磁化的難易程度不同。具體數(shù)據(jù)見書同，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(yīng)磁致伸縮效應(yīng) 鐵磁物質(zhì)磁化時(shí)，沿著磁化方向發(fā)生長度的變化的鐵磁物質(zhì)磁化時(shí)，沿著磁化方向發(fā)生長度的變化的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。用伸縮系數(shù)表示：用伸縮系數(shù)表示：注意兩點(diǎn)：（注意兩點(diǎn)：（1）飽和磁滯伸縮系數(shù)）飽和磁滯伸縮系數(shù) ，當(dāng)，當(dāng)H=HS時(shí)時(shí)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和值磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和值 時(shí)，時(shí)， （2） 具有各向具有各向異性，見圖異性，見圖1-18。磁化曲線（自學(xué)）。磁化曲線（自學(xué)）。llSSSM二、自發(fā)磁化理論二、自發(fā)磁

23、化理論 磁疇：鐵磁質(zhì)在未被磁化時(shí)，其內(nèi)部已經(jīng)存在一磁疇：鐵磁質(zhì)在未被磁化時(shí)，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(dá)到飽和狀定組織狀態(tài)的自發(fā)磁化小區(qū)域，并且各自達(dá)到飽和狀態(tài) ， 稱 這 些 自 發(fā) 磁 化 區(qū) 域 為 磁 疇 。 其 體 積 約態(tài) ， 稱 這 些 自 發(fā) 磁 化 區(qū) 域 為 磁 疇 。 其 體 積 約為為 ，相當(dāng)于含有，相當(dāng)于含有 個(gè)原子。其寬度約個(gè)原子。其寬度約為為 ，相當(dāng)于，相當(dāng)于 105 個(gè)原子直徑。個(gè)原子直徑。 疇壁：磁疇之間的界面。它約疇壁：磁疇之間的界面。它約 ，相當(dāng)于，相當(dāng)于1000個(gè)原子直徑。個(gè)原子直徑。雖然每個(gè)磁疇已經(jīng)達(dá)到磁飽和，但在多個(gè)磁疇存在

24、時(shí)，雖然每個(gè)磁疇已經(jīng)達(dá)到磁飽和，但在多個(gè)磁疇存在時(shí)，如單晶體，對外不顯示磁性。如圖如單晶體，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(qiáng)的磁性。一致，顯示出很強(qiáng)的磁性。 31510m1510m651010m710磁疇形成的條件磁疇形成的條件 （1）、原子中必須要有未填滿電子內(nèi)層，因而存）、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。在著未被抵消的電子自旋磁矩。 （2）、相鄰原子間距）、相鄰原子間距a與未填滿的內(nèi)電子層半徑與未填滿的內(nèi)電子層半徑r之比大于之比大于3，即，即a/r

25、3。常見鐵磁質(zhì)：常見鐵磁質(zhì)： Fe、Ni、Co。 111 磁與非磁物性的交叉效應(yīng)磁與非磁物性的交叉效應(yīng) 磁性物質(zhì)在磁場作用下或磁化狀態(tài)改變時(shí)磁性與非磁性物問是相互聯(lián)系，磁性物質(zhì)在磁場作用下或磁化狀態(tài)改變時(shí)磁性與非磁性物問是相互聯(lián)系，相互作用，相互影響的，導(dǎo)致各種交叉效應(yīng)，其中以磁電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、相互作用，相互影響的，導(dǎo)致各種交叉效應(yīng)，其中以磁電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、磁熱效應(yīng)在現(xiàn)代科學(xué)和尖端技術(shù)中尤為突出。磁熱效應(yīng)在現(xiàn)代科學(xué)和尖端技術(shù)中尤為突出。 對鐵磁體施加磁場的同時(shí)通以電流，鐵磁體中的電位差將發(fā)生變化，這種現(xiàn)對鐵磁體施加磁場的同時(shí)通以電流，鐵磁體中的電位差將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁象稱為磁電效應(yīng)

26、，即磁場電效應(yīng)。導(dǎo)致磁電效應(yīng)，即磁場電效應(yīng)。導(dǎo)致磁電效應(yīng)的內(nèi)磁場究竟是由外電效應(yīng)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(yīng)強(qiáng)度，這一點(diǎn)還不很清楚。因磁場減擊退磁場以后的有效場，還是磁感應(yīng)強(qiáng)度，這一點(diǎn)還不很清楚。因此一般把磁此一般把磁電效應(yīng)中依賴外磁場強(qiáng)度的效應(yīng)歸為正常效應(yīng)，把依賴磁化電效應(yīng)中依賴外磁場強(qiáng)度的效應(yīng)歸為正常效應(yīng)，把依賴磁化強(qiáng)度的效應(yīng)歸為反常效應(yīng)。強(qiáng)度的效應(yīng)歸為反常效應(yīng)。 鐵磁性的測量鐵磁性的測量一、沖擊測磁法一、沖擊測磁法 （見圖（見圖1-49 P25）。）。在線圈在線圈N1 中產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度中產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度 當(dāng)當(dāng)N1中電流極性突變時(shí)，中電流極性突變時(shí)，+H為為-H，

27、磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度B為為-B， 即即 磁通量磁通量 ，S為試樣截面積。為試樣截面積。在在N2中感生電動(dòng)勢中感生電動(dòng)勢 在測量回路中感生電流：在測量回路中感生電流：在在t秒內(nèi)產(chǎn)生的總電量：秒內(nèi)產(chǎn)生的總電量： )/(1mALINh BB 2BS2dtdNE2dtdRNREi2BSRNRNdtdtdRNidtQt220202若讀得檢流計(jì)角度若讀得檢流計(jì)角度 和沖擊常數(shù)和沖擊常數(shù)Cb：mmbCQ 二、熱磁儀法二、熱磁儀法 通過測定試樣在均勻磁場中所受磁力矩的大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(qiáng)度。如圖小來求得其磁化強(qiáng)度。如圖1-45 P28。 兩個(gè)磁極間勻強(qiáng)磁場兩個(gè)磁極間勻強(qiáng)磁

28、場 ，加熱爐使，加熱爐使試樣試樣A氏體化，等溫爐使其保持一定溫度。磁化氏體化，等溫爐使其保持一定溫度。磁化后試樣受到的磁力矩后試樣受到的磁力矩 為：為： 為初始角度；為初始角度； V為試樣體積。為試樣體積。 mAH/102440sinVHM0試樣偏轉(zhuǎn)試樣偏轉(zhuǎn) 角后，處于平衡狀態(tài)，此時(shí)：角后，處于平衡狀態(tài)，此時(shí)： 彈性反力矩：彈性反力矩： C為彈性系統(tǒng)常數(shù)。為彈性系統(tǒng)常數(shù)。 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?，得：，得： 一般：一般：所以：所以： 則：則： 用途：在不同溫度下的相變過程的磁化強(qiáng)度變化用途：在不同溫度下的相變過程的磁化強(qiáng)度變化三、感應(yīng)式熱磁儀法。（自學(xué)）三、感應(yīng)式熱磁儀法。（自學(xué)） 四、四、 甩脫法。

29、（自學(xué)）甩脫法。（自學(xué)）)sin(01VHM C111)sin(0VNHCM000sin)sin(0sinVHCM第五節(jié)第五節(jié) 順磁與抗磁分析在金屬學(xué)中的應(yīng)用順磁與抗磁分析在金屬學(xué)中的應(yīng)用 金屬的磁化率取決于合金的成分、組織金屬的磁化率取決于合金的成分、組織和結(jié)構(gòu)，因此可以通過測量合金的順磁和結(jié)構(gòu)，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，可以研究或抗磁磁化率及其變化規(guī)律，可以研究合金的相變合金的相變。 一、測量一、測量Al-Cu合金的固溶度曲線。合金的固溶度曲線。 如圖如圖1-13。鋁為順磁，銅為抗磁。鋁為順磁，銅為抗磁。 當(dāng)當(dāng)Cu含量在單相固溶體含量在單相固溶體 相區(qū)時(shí)，磁化率隨

30、相區(qū)時(shí)，磁化率隨Cu的的增大而呈現(xiàn)接近直線的平滑曲線下降；當(dāng)增大而呈現(xiàn)接近直線的平滑曲線下降；當(dāng)Cu含量在含量在 兩相區(qū)時(shí)，磁化率曲線較平坦。兩條曲線的交兩相區(qū)時(shí)，磁化率曲線較平坦。兩條曲線的交點(diǎn)，即為最大溶解度極限點(diǎn)。點(diǎn)，即為最大溶解度極限點(diǎn)。二、測定二、測定A氏體不銹鋼中微量鐵素體氏體不銹鋼中微量鐵素體 鋼中析出微量鋼中析出微量F體時(shí)，使磁化率明顯增加。如圖體時(shí)，使磁化率明顯增加。如圖1-14。 思考題1.按磁性分類，物質(zhì)可分為幾類按磁性分類，物質(zhì)可分為幾類?2.抗磁性的物理本質(zhì)是什么抗磁性的物理本質(zhì)是什么?抗磁性為什么一般顯現(xiàn)不出來抗磁性為什么一般顯現(xiàn)不出來?3.試述物質(zhì)宏觀磁性的來源。

31、居里溫度的物理意義是什么試述物質(zhì)宏觀磁性的來源。居里溫度的物理意義是什么?4.計(jì)算計(jì)算Fe, Co，Ni，孤立原子的磁矩，與測得的宏觀晶體原子磁矩有，孤立原子的磁矩，與測得的宏觀晶體原子磁矩有何異同何異同?為什么為什么5.什么是自發(fā)磁化什么是自發(fā)磁化?分子場理論的內(nèi)容和意義是什么分子場理論的內(nèi)容和意義是什么?6.鐵磁性能帶理論的要點(diǎn)和名義是什么鐵磁性能帶理論的要點(diǎn)和名義是什么?7.什么是磁各向異性什么是磁各向異性?有幾種類型有幾種類型?物理本質(zhì)是什么物理本質(zhì)是什么?8.磁化曲線、磁滯固線的物理意義有何異同磁化曲線、磁滯固線的物理意義有何異同?9.什么是疇壁什么是疇壁?疇壁有哪些類型疇壁有哪些類

32、型?影響疇壁厚度的因素是什么影響疇壁厚度的因素是什么?10.技術(shù)磁化過程的本質(zhì)是什么技術(shù)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磁化過程與反磁化過程有何異同?11.疇壁位移的本質(zhì)是什么疇壁位移的本質(zhì)是什么?影響疇壁位移的因素有哪些影響疇壁位移的因素有哪些?12.不可逆磁化過程對哪些磁性參數(shù)產(chǎn)生影響不可逆磁化過程對哪些磁性參數(shù)產(chǎn)生影響?有哪些機(jī)制有哪些機(jī)制?13.試說明磁性與磁性分析在現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)中的重要意義試說明磁性與磁性分析在現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)中的重要意義。第二章第二章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能3能帶理論 第三節(jié)第三節(jié) 金屬導(dǎo)電性影響因素金屬導(dǎo)電性影響因素 晶體點(diǎn)陣不完整是引起電

33、子散射的原因。因此造成晶體點(diǎn)陣不完整是引起電子散射的原因。因此造成點(diǎn)陣不完整的因素如溫度、形變、合金化等都影響導(dǎo)點(diǎn)陣不完整的因素如溫度、形變、合金化等都影響導(dǎo)電性。電性。一、溫度一、溫度 溫度升高，離子振動(dòng)加劇，熱振動(dòng)振幅加大，原溫度升高，離子振動(dòng)加劇，熱振動(dòng)振幅加大，原子無序度增加，使電子運(yùn)動(dòng)自由程減小，散射幾率增子無序度增加，使電子運(yùn)動(dòng)自由程減小，散射幾率增大，致使大，致使 增大。增大。 一般在室溫以上，一般在室溫以上， 與與t成線形關(guān)系成線形關(guān)系, t= 0(1+t)03/104C二、冷變形二、冷變形 點(diǎn)陣畸變、晶體缺陷、原子間距的改變使電子散點(diǎn)陣畸變、晶體缺陷、原子間距的改變使電子散射

34、增大，射增大， 增加增加 A,p為常數(shù)，為常數(shù)， 為加工度。為加工度。 回復(fù)可以降低點(diǎn)缺陷濃度，回復(fù)可以降低點(diǎn)缺陷濃度， 降低；降低； 再結(jié)晶可以消除點(diǎn)缺陷及畸變，再結(jié)晶可以消除點(diǎn)缺陷及畸變， 降低；降低； 淬火保留了高溫時(shí)的點(diǎn)缺陷，淬火保留了高溫時(shí)的點(diǎn)缺陷， 增大；增大； 靜壓力：靜壓力： p：靜壓力，：靜壓力， ：電阻壓力系數(shù)。：電阻壓力系數(shù)。 在高溫下，原子間距縮小，費(fèi)密能和能帶結(jié)構(gòu)均發(fā)在高溫下，原子間距縮小，費(fèi)密能和能帶結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，在極限壓力下，可以使生變化，在極限壓力下，可以使S，P，鍺、硒、金剛，鍺、硒、金剛石等由半導(dǎo)體、絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。石等由半導(dǎo)體、絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。PA)1(

35、0pP三、合金化三、合金化 一般固溶體：形成固溶體使畸變增加，一般固溶體：形成固溶體使畸變增加， 增加，見圖增加，見圖2-13。 有序固溶體：使點(diǎn)陣規(guī)律性增強(qiáng)，減少了散射，有序固溶體：使點(diǎn)陣規(guī)律性增強(qiáng)，減少了散射， 降低，如圖降低，如圖2-17。P49 m,n點(diǎn)是有序化成分點(diǎn)，所以可以通過電阻率的測點(diǎn)是有序化成分點(diǎn)，所以可以通過電阻率的測量來得到有序化成分點(diǎn)。量來得到有序化成分點(diǎn)。3、不均勻固溶體的成分反常、不均勻固溶體的成分反常反常態(tài)：（反常態(tài)：（1）、淬火后在某一溫度區(qū)間具有反常高，）、淬火后在某一溫度區(qū)間具有反常高，如圖如圖2-19。 P52； （ 2）、淬火后的）、淬火后的 比退火后的

36、比退火后的 低，回火后低，回火后 反而升高反而升高 ； （3）、退火態(tài)經(jīng)過冷變形后）、退火態(tài)經(jīng)過冷變形后 降低，回火后降低，回火后 升高。升高。 主要原因：固溶體中存在原子的偏聚區(qū)，其成分不主要原因：固溶體中存在原子的偏聚區(qū)，其成分不同。如鋁合金中的同。如鋁合金中的G,P區(qū)。區(qū)。 4、 中間相中間相 其導(dǎo)電性比其組元的導(dǎo)電性低。由于金屬鍵部分其導(dǎo)電性比其組元的導(dǎo)電性低。由于金屬鍵部分地為共價(jià)鍵或離子鍵所代替，減少了有效電子數(shù)。地為共價(jià)鍵或離子鍵所代替，減少了有效電子數(shù)。材料的熱電性材料的熱電性 在金屬導(dǎo)線組成的回路中，存在溫差或者通以電流時(shí)，在金屬導(dǎo)線組成的回路中，存在溫差或者通以電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)

37、生熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)，成為熱電性。會(huì)產(chǎn)生熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)，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。的變化來研究金屬內(nèi)部的變化。 第一節(jié)第一節(jié) 三種熱電效應(yīng)三種熱電效應(yīng)一、塞貝克（一、塞貝克（Seeback）效應(yīng)）效應(yīng)第一熱電效應(yīng)。第一熱電效應(yīng)。 由溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象為由溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象為Seeback效應(yīng)。效應(yīng)。若若 ，回路出現(xiàn)電流，稱其為熱電流。該效應(yīng)實(shí)，回路出現(xiàn)電流，稱其為熱電流。該效應(yīng)實(shí)質(zhì)是：兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢差。質(zhì)是：兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢差。A金屬和金屬和B金屬在接觸處彼此發(fā)

38、生電子的遷移，因?yàn)榻饘僭诮佑|處彼此發(fā)生電子的遷移，因?yàn)锳,B性質(zhì)不性質(zhì)不同，故進(jìn)入對方金屬中的電子數(shù)量不等，使形成了接同，故進(jìn)入對方金屬中的電子數(shù)量不等，使形成了接觸電勢差。觸電勢差。除除A,B材質(zhì)不同外，兩個(gè)接觸端的溫度不同時(shí)，兩者的材質(zhì)不同外，兩個(gè)接觸端的溫度不同時(shí)，兩者的接觸電勢差在回路中形成熱電流。接觸電勢差在回路中形成熱電流。12TT接觸電勢差的決定因素：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)，）、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(guān)。逸出功越小，電子越容易跑出金屬表面。即與材質(zhì)有關(guān)。逸出功越小，電子越容易跑出金屬表面。 （2）、有效電子密

39、度：即也與材質(zhì)有關(guān)，密度高）、有效電子密度：即也與材質(zhì)有關(guān)，密度高者成為正電位，否則為負(fù)電位。者成為正電位，否則為負(fù)電位。溫度越高，自由電子可以獲得更高的能量，電子越容易溫度越高，自由電子可以獲得更高的能量，電子越容易逸出。逸出。 A,B金屬回路的電勢：金屬回路的電勢： K：玻爾茲曼常數(shù)；：玻爾茲曼常數(shù)； e：電子電荷；：電子電荷； NA,NB：兩種金屬的有效電子密度。：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(guān)。式中表明：熱電勢與溫度，有效電子密度有關(guān)。BAABNNeKTTEln)(21二、玻爾貼二、玻爾貼(Peltier)效應(yīng)效應(yīng)第二熱電效應(yīng)第二熱電效應(yīng) 當(dāng)電流通過當(dāng)

40、電流通過A,B兩種金屬組成的接觸點(diǎn)時(shí)，除了產(chǎn)生兩種金屬組成的接觸點(diǎn)時(shí)，除了產(chǎn)生焦耳熱外，焦耳熱外，還會(huì)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生吸熱和放熱反應(yīng)。此為還會(huì)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生吸熱和放熱反應(yīng)。此為Peltier效應(yīng)。效應(yīng)。三、湯姆遜三、湯姆遜(Thomson)效效應(yīng)應(yīng)第三熱電第三熱電效應(yīng)效應(yīng) 當(dāng)一根金屬導(dǎo)當(dāng)一根金屬導(dǎo)線兩端存在溫差時(shí)，線兩端存在溫差時(shí)，通以電流后，則在通以電流后，則在該段導(dǎo)線中產(chǎn)生吸該段導(dǎo)線中產(chǎn)生吸熱或者放熱現(xiàn)象。熱或者放熱現(xiàn)象。此為此為Thomson效效應(yīng)。應(yīng)。三種效應(yīng)可以同時(shí)三種效應(yīng)可以同時(shí)存在于回路中。應(yīng)存在于回路中。應(yīng)用最多的是用最多的是Seeback效應(yīng)。效應(yīng)。 第二節(jié)第二節(jié) 影響熱電勢的因素

41、影響熱電勢的因素一、金屬本質(zhì)影響一、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，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?yàn)椋簾犭妱菀膊煌?。排列次序?yàn)椋?Si,Sb,Fe,Mo,W,Au,Ag,Zn 在研究金屬多型性轉(zhuǎn)變時(shí)，熱電勢發(fā)生變化，如圖在研究金屬多型性轉(zhuǎn)變時(shí)，熱電勢發(fā)生變化，如圖4-5，在，在 點(diǎn)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。點(diǎn)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。A3,A4為突變點(diǎn)。為突變點(diǎn)。二、含碳量影響二、含碳量影響 如表如表4-1，P90,在淬火態(tài)，鋼的含碳量越高，在淬火態(tài)，鋼的含碳量越高，M體體中碳的過飽和度越大，在鐵中碳的過飽和度越大，在鐵鋼熱電偶中鋼的熱電勢鋼熱電偶中鋼的熱電勢

42、越負(fù)。在退火態(tài)，鋼的含碳量越高，鋼的熱電勢越負(fù)。越負(fù)。在退火態(tài)，鋼的含碳量越高，鋼的熱電勢越負(fù)。但是退火態(tài)比淬火態(tài)熱電勢小。但是退火態(tài)比淬火態(tài)熱電勢小。2A超導(dǎo)體的性能 1 完全的導(dǎo)電性完全的導(dǎo)電性 昂尼斯等人曾進(jìn)行過下列實(shí)驗(yàn)，如圖昂尼斯等人曾進(jìn)行過下列實(shí)驗(yàn)，如圖252示。先示。先將超導(dǎo)體做成的環(huán)放入磁場中，此時(shí)將超導(dǎo)體做成的環(huán)放入磁場中，此時(shí)TTc，環(huán)中，環(huán)中無電流，然后再將環(huán)冷卻至無電流，然后再將環(huán)冷卻至Tc以下，使環(huán)變成超導(dǎo)以下，使環(huán)變成超導(dǎo)態(tài)，此時(shí)環(huán)中仍無電流；若突然去掉磁場，則環(huán)內(nèi)態(tài)，此時(shí)環(huán)中仍無電流；若突然去掉磁場，則環(huán)內(nèi)將有感應(yīng)電流產(chǎn)生。這是由于電磁感應(yīng)作用的結(jié)果，將有感應(yīng)電流產(chǎn)生。這是由于電磁感應(yīng)作用的結(jié)果，按楞次定律，該電流應(yīng)沿反抗磁通變化的方向流動(dòng)。按楞次定律，該電流應(yīng)沿反抗磁通變化的方向流動(dòng)。如果此環(huán)的電阻確實(shí)為零，那么這個(gè)電流就應(yīng)長期如果此環(huán)的電阻確實(shí)為零，那么這個(gè)電流就應(yīng)長期無損地流下去。事實(shí)上經(jīng)過長達(dá)幾年的觀察，沒發(fā)無損地流下去。事實(shí)上經(jīng)過長達(dá)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(dǎo)體