材料物理化學2.課件

1、2022/8/51材料物理化學性能 第1頁，共74頁。2022/8/52 金屬及合金的組織發(fā)生變化時，都會產生一定的熱效應，從熱效應可以確定出組織轉變的類型，轉變溫度和進行的情況。熱分析是材料研究中常用的方法之一。近些年來，出現了高度自動化的差熱分析儀，從而使熱分析技術的應用范圍不斷擴大。 由于材料及其制品都是在一定的溫度環(huán)境下使用的，在使用過程中，將對不同的溫度作出反映，表現出不同的熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學性能 第一章 熱學性能分析 材料熱學性能主要有熱容、熱膨脹、熱傳導等本章就熱容的物理概念、物理本質、測量方法及在材料研究中的應用進行討論第2頁，共74頁。2022/8/53

2、 1.1 表征熱學性能的基本參數及熱學性能1.2熱焓及熱容的測量、熱分析法的應用第一章 熱學性能分析 第3頁，共74頁。2022/8/541.1 表征熱學性能的基本參數及熱學性能 不同種類的材料，熱容量不同;同一種材料在不同溫度時的比熱容也往往不同.一.熱容的基本概念 材料在溫度上升或下降時要吸熱或放熱，在沒有相變或化學反應的條件下，材料溫度升高1K時所吸收的熱量(Q)稱做該材料的熱容，單位為JK，所以在溫度T時材料的熱容可表達為（1-1） 單位質量材料的熱容又稱之為“比熱容”或“質量熱容”，單位為J(kgK). 1mol材料的熱容則稱為“摩爾熱容”，單位為J(molK)。第4頁，共74頁。2

3、022/8/55 (1-2) 平均比熱容是比較粗略的，T1-T2的范圍愈大，精確性愈差，應用時還特別要注意到它的適用范圍(T1-T2)當溫度T2無限趨近于T1時，材料的比熱容，即 (1-3) 當加熱過程在恒壓條件下進行時，所測定的比熱容稱為比定壓熱容； 通常工程上所用的平均比熱容是指單位質量的材料從溫度T1到T2所吸收的熱量的平均值： 加熱過程是在保持物體容積不變的條件下進行時，所測定的熱容稱為比定容熱容。第5頁，共74頁。2022/8/56 式中： 為熱量， 為內能， 為焓。（在等壓過程中，將一個質量為 的物體從0K升高到 所需要的熱量稱為該物體的熱焓。） 從實驗的觀點看， 的測定要方便得多

4、，但從理論上講 更有意義,因為它可以直接從系統(tǒng)的能量增量來計算. (1-4) (1-5) 由于恒壓加熱過程中，物體除溫度升高外，還要對外界作功(膨脹功)，所以每提高l K溫度需要吸收更多的熱量，即因此它們可表達為 第6頁，共74頁。2022/8/57 對于固體材料的熱容，在上世紀已發(fā)現了兩個經驗定律： 一是元素的熱容定律杜隆珀替定律：“恒壓下元素的原子熱容等于25J(Kmol)” 另一是化合物熱容定律柯普定律：“化合物分子熱容等于構成此化合物各元素原子熱容之和” .第7頁，共74頁。2022/8/58經典熱容理論 式中： 阿佛加德羅常數，6.023 mol； T 絕對溫度(K)， 波爾茨曼常數

5、，1.381 J/K， 氣體普適常數，8.314J/（Kmo1)。 該理論認為，在固體中可以用諧振子來代表每個原子在一個自由度的振動，按照經典理論能量自由度均分，每一振動自由度的平均動能和平均位能都為(1/2)kT，一個原子有3個振動自由度，平均動能和位能的總和就等于3kT，一個摩爾固體中有NA個原子，總能量為 第8頁，共74頁。2022/8/59 按熱容定義，1mol單原子固體物質的摩爾定容熱容為： 由式(1-8)可知，熱容是與溫度無關的常數，這就是杜隆珀替定律的實質 對于雙原子的固態(tài)化合物，1mol中原子為2NA，故摩爾定容熱容為Cv,m225J(Kmol) （1-8） 三原子固態(tài)化合物的

6、摩爾定容熱容Cv,m325 J(Kmol),余類推 杜隆珀替定律在高溫時與實驗結果是很符合的，但在低溫時卻相差較大 第9頁，共74頁。2022/8/510 實驗結果表明，材料的摩爾熱容如下圖1-1（P139圖8-2）所示，是隨溫度而變化的圖1-1 NaCl的摩爾熱容溫度曲線 在高溫區(qū)，摩爾熱容的變化很平緩；在低溫區(qū)， 、 ，溫度接近0K時， 、 0。 由此可見，經典的熱容理論在低溫下是不適用的，熱容隨溫度的變化只能用量子理論來解釋。 第10頁，共74頁。2022/8/5111.1 表征熱學性能的基本參數及熱學性能1.愛因斯坦模型 愛因斯坦模型認為：晶體中每一個原子都是一個獨立的振子，原子都以相

7、同的頻率振動，這樣就推導出如下的熱容溫度關系式二、固體熱容的量子理論 熱容的量子理論是基于即使在同一溫度下，物質中不同質點的熱振動頻率不盡相同和同一質點其振動所具有的能量也時大時小，并不一致，而且振動能量是量子化的這一假設提出來的在熱容量子理論的數學模型中，愛因斯坦模型和德拜模型與實驗較為相符，下面將作簡要介紹第11頁，共74頁。2022/8/512 式中： NA阿佛加德羅常數； 玻爾茲曼常數； 普朗克常數； 諧振子的振動頻率； T 絕對溫度。 適當的選取頻率 ，可以使理論與實驗吻合。又因為 令 。則式(1-9)可以改寫成 (1-9) (1-10) 式中： 為愛因斯坦特征溫度； 為愛因斯坦比熱

8、函數 第12頁，共74頁。2022/8/513這就是杜隆珀替定律的形式。 當溫度較高時T ，則將 展開成(1-11) 式(1-10)中，當T趨于零時， 逐漸減小，當T=0時， =0，這都是愛因斯坦模型與實驗相符之處。 但是在低溫下，T ,時 1，故式(1-10)得到如下形式：(1-12) 上式表明， 依指數規(guī)律隨溫度而變化，而不是從試驗中得出的按 變化的規(guī)律.導致這一差異的原因是愛因斯坦采用了過于簡化的假設. 忽略振動之間頻率的差別是此模型在低溫時不準確的原因德拜模型在這一方面作了改進，故能得到更好的結果。略去 的高次項，式（1-10）可化為第13頁，共74頁。2022/8/5142德拜模型

9、德拜考慮到了晶體中原子的相互作用， 由于晶體中對熱容的主要貢獻是彈性波的振動，在低溫下占主導地位由于聲頻波的波長遠大于晶體的晶格常數，就可以把晶體近似視為連續(xù)介質，所以聲頻支的振動也近似地看作是連續(xù)的，具有頻率從0到 的譜帶。 由這樣的假設導出的熱容表達式為 ： (1-13) 根據式(1-13)還可以得到如下的結論： (1)當溫度較高時，即TD， 3R這就是杜隆珀替定律。 (2)當溫度很低時，即TD，則經計算： 式中： 為德拜特征溫度； 為德拜比熱函數；。(1-14) 第14頁，共74頁。2022/8/515 隨著科學的發(fā)展、實驗技術和測量儀器的不斷完善，人們發(fā)現德拜理論在低溫下還不能完全符合

10、事實，這顯然還是由于晶體畢竟不是一個連續(xù)體，在一般的場合下，德拜模型已是足夠精確了，但是德拜模型解釋不了超導現象。 這表明當 趨于0 時， 與 成比例地趨于零，這就是著名的德拜T立方定律，它和實驗結果十分符合，溫度越低，近似越好。 第15頁，共74頁。2022/8/516三.影響材料熱容的因素(1)對于固體材料，熱容與材料的組織結構關系不大。(2)相變時，由于熱量的不連續(xù)變化，熱容出現突變。(3)在室溫以上不發(fā)生相變的溫度范圍，合金的熱容與溫度間呈線性關系，一旦發(fā)生相變，熱容偏離直線規(guī)律，向下拐折。第16頁，共74頁。2022/8/5171.2熱焓及熱容的測量、熱分析法的應用 一熱容的測量熱容

11、(或比熱容)的測量方法通常采用混合法和電熱法1混合法測量固體材料的比熱容 混合法測量固體材料的比熱容是在加熱器和量熱器中進行量熱器如圖1-2所示，圖1-2量熱器示意圖C為量熱器筒(銅制)，T為曲管溫度計，P為攪拌器，J為套筒，G為保溫用玻璃棉 第17頁，共74頁。2022/8/518 經精確稱重的待測試樣由細線吊掛在加熱器中加熱加熱后將待測試樣迅速投入量熱器中進行測量 混合法測量固體材料的比熱容是根據以下原理進行的，溫度不同的物體混合之后，熱量將由高溫物體傳給低溫物體如果在混合過程中和外界沒有熱交換，最后達到均勻穩(wěn)定的平衡溫度，在此過程中，高溫物體放出的熱量等于低溫物體所吸收的熱量，稱為熱平衡

12、原理第18頁，共74頁。2022/8/519 測量時將質量為m、溫度為T2的試樣投入量熱器的水中，設量熱器的熱容為q，其中水的質量為m0，比熱容為c0，待測物投入水中之前的水溫為Tl，在待測物投入水中以后，其混合溫度為T3，在忽略量熱器與外界的熱交換的情況下，按照熱平衡原理，待測試祥的比熱容C可用下式表示： (1-15) 第19頁，共74頁。2022/8/5202電熱法測固體的比熱容 電熱法測量固體材料的比熱容是在兩圓柱形待測物的中間夾上加熱器之后，置于量熱器中，如圖1-3所示圖1-3 用電熱法測定熱容的裝置示意圖第20頁，共74頁。2022/8/521(1-18) m為被測量物質量，c為其比

13、熱容，m0為量熱器中水的質量，c0為水的比熱容，ml為量熱器的質量，cl為其比熱容，q1為加熱器熱容，q2為溫度計插入水中部分的熱容，比熱容單位為J(kg)，熱容單位為J。變換式(1-18)可得 ：(1-19) 待測物的周圍(包括上部)注入蒸餾水，插入溫度計并聯(lián)結電路當通以電流強度為I的直流電時，加熱器兩端電壓為V，在秒間加熱器放出熱量為J。這些熱量傳給量熱器及其中各物體，使其溫度從Tl升到T2，這時在假定量熱器與外界無熱交換的條件下，有下式:第21頁，共74頁。2022/8/522二 熱分析方法的應用1熱分析方法 熱分析方法是根據材料在不同溫度下發(fā)生的熱量、質量、體積等物理參數與材料組織結構

14、之間的關系，對材料進行分析研究的一類分析方法根據物質發(fā)生變化的物理參數不同，相應的分析方法有差熱分析及差動分析、熱重分析、熱膨脹分析等 (1)差熱分析(differential thermal analysis，簡稱DTA )測量試樣與參比物之間溫差(T)隨溫度(T)或時間(t)的變化關系 第22頁，共74頁。2022/8/523二 熱分析方法的應用1熱分析方法(2)差示掃描量熱法(differential scanning calarmeutry，簡稱DSC)在試樣和標樣的溫度差保持為零時，所要補充的熱量與溫度和時間的關系的分析技術 (3)熱重法(themogrivimetry，簡稱TG)在

15、程序控制溫度下測量材料的質量與溫度關系的一種分析技術。 第23頁，共74頁。2022/8/5242熱分析的應用 通過物質在加熱或冷卻過程中出現各種的熱效應，如脫水、固態(tài)相變、熔化等過程中產生放熱或吸熱效應來進行物質鑒定，了解物質在不同溫度的熱量、質量等變化規(guī)律。 應用1：例如，淬火鋼在回火過程各階段組織轉變的熱效應不同，可通過對其比熱容的測定，研究各轉變階段的情況圖1-4（P145圖8-7）是用撤克司法測定含w(C)0.74鋼回火時比熱容曲線。 第24頁，共74頁。2022/8/5252熱分析的應用圖1-4 w(C)0.74的碳鋼淬火后加熱時的比熱容曲線1.淬火態(tài)樣品 2. 250回火2h的樣

16、品第25頁，共74頁。2022/8/526 由圖中曲線1可見，若無組織轉變，比熱容應呈直線變化由于加熱過程發(fā)生組織轉變，在不同溫度區(qū)間產生3種不同熱效應 其中熱效應對應于淬火馬氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體，此時馬氏體正方度減小，并從固溶體中析出碳化物相； 熱效應由殘余奧氏體分解引起，即殘余奧氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體并析出碳化鐵；熱效應由碳化鐵轉變?yōu)闈B碳體及位錯大量減少引起。 熱效應由碳化鐵轉變?yōu)闈B碳體及位錯大量減少引起。第26頁，共74頁。2022/8/527 預先將試樣在250回火2h，使殘余奧氏體發(fā)生分解，再用上述方法測量比熱容，則得圖1-4所示的比熱容曲線2 曲線上，熱效應已完全消失，表明馬氏體已轉

17、變?yōu)榛鼗瘃R氏體 熱效應顯著減少，意味250回火已使部分殘余奧氏體產生分解，尚未分解的繼續(xù)分解為鐵素體和碳化鐵。 與曲線1相同的熱效應表明，250回火對碳化鐵轉變?yōu)闈B碳體不產生影響。 第27頁，共74頁。2022/8/5282熱分析的應用 應用2：研究有序-無序轉變 當Cu-Zn合金成分接近CuZn時，形成具有體心立方點陣的固溶體，它在低溫時為有序狀態(tài)，銅原子在每個單胞的結點上，鋅原子在中心，隨溫度升高便逐漸轉變?yōu)闊o序。這樣的轉變?yōu)槲鼰徇^程，屬于二級相變，用比熱容測量對CuZn合金的有序-無序轉變進行研究，測得的比熱容曲線見下圖。第28頁，共74頁。2022/8/5292熱分析的應用第29頁，共

18、74頁。2022/8/530 若這種合金在加熱過程中不發(fā)生相變，則比熱容隨溫度變化應沿著AE呈直線增大，但是，由于CuZn合金在加熱時產生了有序-無序轉變，故其真實熱容不是沿著AE，而是沿著AB曲線增大，隨后再沿著BC下降到C點，溫度再升高，CD曲線則沿著稍高于AE的平行線增大。 比熱容沿著AB線上升的過程是有序減少和無序增大的共存狀態(tài)，曲線上升得越劇烈，轉變?yōu)闊o序狀態(tài)的數量愈多。第30頁，共74頁。2022/8/531第一章作業(yè)1.概念 熱容 比熱容（質量熱容） 摩爾熱容 平均比熱容 比定壓熱容 比定容熱容2.兩個經驗定律及其內容：杜隆珀替定律、柯普定律3.兩個熱容模型：愛因斯坦模型、德拜模

19、型4.熱容的測量方法：混合法、電熱法5.說明下列符號含義？ 、D、 、 并寫出 、 D的表達式。6.熱分析的應用：如何利用比熱研究有序、無序轉變？7.影響材料熱容的因素有哪些？第31頁，共74頁。2022/8/532 第二章電阻分析2.1金屬的導電性及其物理本質、合金的導電性2.2 電阻的測量、電阻分析的應用 第32頁，共74頁。2022/8/533 材料的電學性能，首先是材料的導電性，它與材料的結構、組織、成分等因素有關 研究材料的導電性，既有助于對導電材料的了解，也可以通過電阻分析研究材料的相變及組織轉變等 第二章電阻分析第33頁，共74頁。2022/8/534一、電阻與導電的基本概念 當

20、在材料的兩端施加電壓V時，材料中有電流I流過，這種現象稱為導電 電流I值可用歐姆定律表示，即 :I=V/R 式中：R為材料電阻，其值不僅與材料的性質有關而且還與試驗材料的長度L及截面積S有關， 是比例系數，稱為電阻率。電阻率在數值上等于單位長度和單位面積上導電體的電阻值，可寫為: 在研究材料的導電性時，還常用電導率,電導率為電阻率的倒數，即 （2-1）（2-2）（2-3）（2-4）因此第34頁，共74頁。2022/8/535 根據導電性能的好壞，常把材料分為導體、絕緣體和半導體導體的 值小于 m；絕緣體的 值大于 m；半導體的 值介于 m之間。 不同材料的導電能力相差很大，這是由于它們的結構與

21、導電本質所決定的。 第35頁，共74頁。2022/8/536二.金屬導電機理 對材料導電性物理本質的認識是從金屬開始的，首先提出了經典自由電子導電理論，后來隨著量子力學的發(fā)展，又提出了量子自由電子理論和能帶理論(1)經典電子理論 該理論認為，在金屬晶體中，離子構成了晶格點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，稱為自由電子，他們彌散分布于整個點陣之中，就像氣體分子充滿整個容器一樣，因此稱為“電子氣”它們的運動遵循經典力學氣體分子的運動規(guī)律，自由電子之間及它們與正離子之間的相互作用僅僅是類似于機械碰撞而已 在沒有外加電場作用時，金屬中的自由電子沿各個方向運動的幾率相同，因此不產生電流 第3

22、6頁，共74頁。2022/8/537 當對金屬施加外電場時，自由電子沿電場方向作加速運動，從而形成了電流 在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離了發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是產生電阻的原因 從這種認識出發(fā)，設電子兩次碰撞之間運動的平均距離(自由程)為 ，電子平均運動的速度為 ，單位體積內的自由電子數為 ，則電導率為 式中： m電子質量； e 電子電荷； 兩次碰撞之間的平均時間。（2-5）第37頁，共74頁。2022/8/538 從式中可以看到，金屬的導電性取決于自由電子的數量、平均自由程和平均運動速度自由電子數量越多導電性應當越好但事實卻是二、三價金屬的價電子雖然比一價金屬的多，但導電性反而比

23、一價金屬還差這說明這一理論還不完善此外，這一理論也不能解釋超導現象的產生。 第38頁，共74頁。2022/8/539(2)量子自由電子理論 量子自由電子理論同樣認為金屬中正離子形成的電場是均勻的，價電子與離子間沒有相互作用,且為整個金屬所有，可以在整個金屬中自由運動 但這一理論認為，金屬中每個原子的內層電子基本保持著單個原子時的能量狀態(tài)，而所有價電子卻按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)，即具有不同的能級。 這一理論認為，電子具有波粒二象性運動著的電子作為物質波，其頻率和波長與電子的運動速度或動量之間有如下關系： 第39頁，共74頁。2022/8/540(2)量子自由電子理論 式中: m電子質量；

24、v 電子速度； 波長； P電子動量； h普朗克常數。（2-6）第40頁，共74頁。2022/8/541 在一價金屬中，自由電子的動能 ，由（2-6）式可得到 式中： 常數， 波數頻率，它是表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數。 （2-7） 式(2-7)表明，E-K關系曲線為拋物線，如圖2-1（P182圖10-1）所示，圖中的“+”和“”表示自由電子運動的方向。 圖2-1 自出電子的 E-K曲線 第41頁，共74頁。2022/8/542 從粒子的觀點看，曲線表示自由電子的能量與速度(或動量)之間的關系， 而從波動的觀點看，E-K曲線表示電子的能量和波數之間的關系電子的波數越大，則能量越高

25、曲線清楚地表明金屬中的價電子具有不同的能量狀態(tài)，有的處于低能態(tài)，有的處于高能態(tài) 根據泡利不相容原理，每一個能態(tài)只能存在沿正反方向運動的一對電子，自由電子從低能態(tài)一直排到高能態(tài)， 這是沒有加外加電場時金屬中自由電子的能量狀態(tài)，曲線對稱分布說明：沿正、反方向運動的電子數量相同，沒有電流產生 第42頁，共74頁。2022/8/543 在外加電場的作用下，情況就不同了外電場使向著其正向運動的電子能量降低，反向運動的電子能量升高，如圖2-2（P182圖10-2）所示 圖2-2 電場對EK曲線的影響 可以看出，由于能量的變化，使部分能量較高的電子轉向電場正向運動的能級，從而使正反向運動的電子數不等，使金屬

26、導電 也就是說，不是所有的自由電子都參與了導電，而是只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導電 第43頁，共74頁。2022/8/544 量子力學證明，對于一個絕對純的理想的完整晶體，0K時，電子波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零，導致所謂的超導現象 電磁波在傳播過程中由于金屬內部存在著缺陷和雜質產生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起的動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射，然后相互干涉而形成電阻 第44頁，共74頁。2022/8/545由此導出的電導率為 (2-8) 電阻率為(2-9) 式中： 為單位體積內參與導電的電子數，稱為有效自由電子數一價金屬的 比二、三價金屬多，因此它們的導電性較好 t兩次反射之間的

27、平均時間； P單位時間內散射的次數，稱為散射幾率 量子自由電子理論較好地解釋了金屬導電的本質，但它假定金屬中的離子所產生的勢場是均勻的顯然這與實際情況有一定差異 第45頁，共74頁。2022/8/546(3)能帶理論 由于晶體中電子能級間的間隙很小，所以能級的分布可以看成是準連續(xù)的，或稱為能帶 能帶理論與自由電子理論一樣，也認為金屬中的價電子是公有化和能量是量子化的 不同的是，它認為金屬中由離子所造成的勢場不是均勻的，而是呈周期變化的 能帶理論就是研究金屬中的價電子在周期勢場作用下的能量分布問題的 電子在周期勢場中運動時，隨著位置的變化，它的能量也呈周期變化，即接近正離子時勢能降低，離開時勢能

28、增高 這樣價電子在金屬中的運動就不能看成是完全自由的，而是要受到周期場的作用 第46頁，共74頁。2022/8/547 由于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)是電子不能取值的，如圖2-3(a) （P183圖10-3）所示， 圖2-3周期場中電子運動的E-K曲線及能帶-K1KK1時，E-K曲線按照拋物線規(guī)律連續(xù)變化 當KK1時，只要波數稍有增大，能量便從A跳到B，A和B之間存在著一個能隙El ；同理存在能隙E2 。 能隙的存在意味著禁止電子具有A和B與C和D之間的能量，能隙所對應的能帶稱為禁帶。 第47頁，共74頁。2022/8/548 將電子可以具有

29、的能級所組成的能帶稱為允帶。 電子可以具有允帶中各能級的能量，但允帶中每個能級只能允許有兩個自旋反向的電子存在 允帶與禁帶相互交替，形成了材料的能帶結構如圖2-3(b)所示 在外電場的作用下電子有沒有活動的余地，即能不能轉向電場正端運動的能級上去而產生電流，這要取決于物質的能帶結構 而能帶結構與價電子數、禁帶的寬窄以及允帶的空能級等因素有關所謂空能級是指允帶中未被填滿電子的能級. 具有空能級允帶中的電子是自由的在外電場的作用下參與導電，所以這樣的允帶稱為導帶 第48頁，共74頁。2022/8/549 能帶理論不僅能夠很好地解釋金屬的導電性，還能夠很好地解釋其他物質如絕緣體、半導體等的導電性。

30、如果允帶內的能級未被填滿，允帶之間沒有禁帶或允帶相互重疊，如圖2-4(a)(b)(c) （P183圖10-4）所示，在外電場的作用下電子很容易從一個能級轉到另一個能級上去而產生電流有這種能帶結構的材料就是導體所有金屬都屬于導體 圖2-4能帶填充情況示意圖（a)(b)(c)金屬 (d)絕緣體 (e)半導體 一個允帶所有的能級都被電子填滿，這種能帶稱為滿帶 第49頁，共74頁。2022/8/550 若一個滿帶上面相鄰的是一個較寬的禁帶，如圖2-4(d)所示：由于滿帶中的電子沒有活動的余地，即使禁帶上面的能帶完全是空的，在外電場的作用下電子也很難跳過禁帶也就是說，電子不能趨向于一個擇優(yōu)方向運動，即不

31、能產生電流有這種能帶結構的材料是絕緣體 半導體的能帶結構與絕緣體相同，所不同的是它的禁帶比較窄如圖2-4(e)所示，電子跳過禁帶不像絕緣體那么困難如果存在外界作用(加熱、光輻射等)，則滿帶中的電子就有能量可能躍遷到導帶中去在外電場作用下， 空帶中的自由電子便產生電流。第50頁，共74頁。2022/8/551三、超導電性 卡茂林昂內斯1911年在實驗中發(fā)現：在4.2K溫度附近，水銀的電阻突然下降到無法測量的程度，或者說電阻為零 在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現象稱為超導電性超導態(tài)的電阻小于目前所能檢測的最小電阻，可以認為超導態(tài)沒有電阻 材料由正常狀態(tài)轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度稱為臨界溫度，并以T

32、c表示。 超導體有兩個基本特性： 1.完全導電性 例如：在室溫下把超導體做成圓環(huán)放在磁場中，并冷卻到低溫使其轉入超導態(tài)。這時把原來的外磁場突然去掉，則通過磁感應作用，沿著圓環(huán)將產生感生電流。由于圓環(huán)的電阻為零，感生電流將永不衰竭，稱為永久電流。環(huán)內感應電流使環(huán)內的磁通保持不變，稱做凍結磁通。第51頁，共74頁。2022/8/5522.完全抗磁性 邁斯納和奧克森弗爾德1933年發(fā)現，不僅是外加磁場不能進入超導體的內部，而且原來處于磁場中的正常態(tài)樣品，當溫度下降使其變成超導體時，也會把原來在體內的磁場完全排出去。完全抗磁性通常稱為邁斯納效應。 超導體是一個完全抗磁體,具有屏蔽磁場和排除磁通的性能，

33、當用超導體制成球體并處在常導態(tài)時，磁通通過球體，如圖2-5(a)所示，當它處于超導態(tài)時，進入球體內部的磁通將被排出球外，使內部磁場為零，如圖2-5(b) 所示。 圖2-5超導態(tài)對磁通的排斥 (a)常導態(tài) (b)超導態(tài)第52頁，共74頁。2022/8/553超導體的3個重要性能指標 1.臨界轉變溫度 超導體溫度低于臨界轉變溫度時，便出現完全導電和邁斯納效應等基本特征超導材料的臨界轉變溫度越高越好，越有利于應用 2.臨界磁場 當TTC時，將超導體放入磁場中，如果磁場強度高于臨界磁場強度，則磁力線穿入超導體，超導體被破壞而成為正常態(tài)。 值隨溫度降低而增加不少超導體的這個關系是拋物線關系，即 (2-1

34、1) 式中： 是溫度為0K時超導體的臨界磁場臨界磁場就是能破壞超導態(tài)的最小磁場 第53頁，共74頁。2022/8/554臨界電流密度Jc 如果輸入電流所產生的磁場與外磁場之和超過臨界磁場，則超導態(tài)被破壞這時輸入的電流為臨界電流Ic，相應的電流密度稱為臨界電流密度Jc，隨著外磁場的增加，Jc必須相應地減小，以使它們磁場的總和不超過Hc值而保持超導態(tài)，故臨界電流就是材料保持超導態(tài)的最大輸入電流 1.溫度的影響 金屬電阻率隨溫度而。 2.冷塑性變形和應力的影響 冷塑性變形使金屬的電阻率 拉應力使金屬電阻率；壓應力使金屬電阻率。 3.合金化對導電性的影響 一般情況下，形成固溶體時合金的電導率。 金屬化

35、合物的導電能力較差，比各組元的導電能力要小得多。 多相合金的電阻率為各相電阻率的加權平均值。四.影響金屬材料導電性的因素第54頁，共74頁。2022/8/5552.2 電阻的測量、電阻分析的應用 1電阻測量方法 （1）雙電橋法 雙電橋法是測量小電阻的常用方法其測量原理如圖2-6（P189圖10-7）所示。圖中Rn與Rx為標準電阻與待測電阻。 介紹幾種在材料研究中常用的精密測量方法。 圖2-6雙電橋原理示意圖 測量時，首先將開關S接通，調整好工作電流，然后調整R1和R2、R3和R4，使橋路中f和c點的電位相等。這時檢流計指零，電橋處于平衡狀態(tài)。此時，由電勢平衡可得: （2-12） 第55頁，共7

36、4頁。2022/8/5562.2 電阻的測量、電阻分析的應用 (2)電位差計法 電位差計用于測量小電阻也有很高的精度，它的測量原理如圖2-7（P190圖10-8）所示為了測量被測試樣的電阻Rx，選擇一個標準電阻Rn與Rx組成一個串聯(lián)回路，測量時先調整好回路中的工作電流，然后接通開關S，用電位差計分別測出Rx和Rn所引起的電壓降Ux和Un。由于通過Rx和Rn的電流相同， 圖2-7 電位差計測電阻原理圖 因此 （2-12） 第56頁，共74頁。2022/8/5572.2 電阻的測量、電阻分析的應用 (3)安培伏特計法 安培伏特計法的測量原理如圖2-8（P190圖10-9）所示 , Rx是待測電阻

37、.圖2-8安培-伏特計法測電阻原理 這種測量方法所產生的誤差取決于毫伏計和試樣的電阻值，毫伏計的阻值越高，試樣的阻值越小，誤差越小因此，應采用大阻值毫伏計或選用輸入阻抗很大的測量記錄裝置取代毫伏計。 （2-12） RU/I 第57頁，共74頁。2022/8/5582.2 電阻的測量、電阻分析的應用 (4)直流四端電極法 對于具有中、高電導率的材料，為消除電極非歐姆接觸對測量結果的影響，通常還采用直流四端電極法測量樣品的電導率，測量原理如圖2-9（P190圖10-10）所示。各樣品內側兩電極間的電壓為V，電極間距離為 ，樣品截面為S，通過的電流為I，則其電導率為 圖2-9 四端電極法（2-12）

38、 第58頁，共74頁。2022/8/5592.2 電阻的測量、電阻分析的應用 四探針法 在室溫下測量電導率通常采用簡單的四探針法，如圖2-10（P191圖10-11）所示。圖2-10 四探針法（2-12） 四根探針直線排列，并以一定的載荷壓附于樣品表面若流經l、4探針間的電流為I，探針2、3間的測量電壓為V，探針間的距離分別為 、，則樣品電導率為第59頁，共74頁。2022/8/560 2電阻分析的應用 由于電阻率是材料組織敏感參量，因此常用測量電阻率的變化來研究金屬與合金的組織結構變化。 (1)測量固溶體的溶解度曲線 建立合金狀態(tài)圖時，常常要確定溶解度曲線，測量電阻率是一種很有效的方法。 固

39、溶體的電阻率隨溶質原子的增多而增大，而形成兩相混合物時的電阻大約是兩相電阻率的加權平均值這樣如果我們在某一溫度測定合金的電阻率與成分的關系曲線，在臨界點處就會產生一個轉折，得到在某一溫度下的溶解度點，我們在一系列溫度下測出這些點就可得到溶解度曲線。圖2-11不同溫度下電阻率隨合金成分變化及與狀態(tài)圖的對應關系第60頁，共74頁。2022/8/561 2電阻分析的應用 具體實驗時，先制成一組不同成分的試樣，在 溫度加熱保溫，使組織成分均勻，再淬火，以保留其在 溫度時的組織。 然后分別測定每個試樣的電阻，算出電阻率，由此作出在溫度 下加熱淬火的 曲線，即電阻率與成分的關系 再分別在 、 等一系列溫度

40、下加熱淬火，用上面同樣的方法得到各個溫度下 的曲線，圖2-11(b) （P191圖10-12）每個曲線上都有一個轉折點 ， ，每個點都對應著一個成分 ， ，將這些點在狀態(tài)圖中連成一條曲線，就得到了溶解度曲線，圖2-11(a)。第61頁，共74頁。2022/8/562(2)測定形狀記憶合金中的相變溫度 形狀記憶合金是一種新型功能材料，其記憶機理與熱彈性馬氏體可逆轉變有關形狀記憶合金的幾個重要參數: 馬氏體母相母相馬氏體 利用母相與馬氏體的電阻不同變化，用電阻法測這些參數。 測試時，將形狀記憶合金試樣連續(xù)加熱和冷卻，同時測量其電阻隨溫度變化曲線。曲線如圖212（P191圖10-13）所示，圖2-1

41、2形狀記憶合金電阻溫度曲線 轉變 開始轉變溫度 終了轉變溫度 第62頁，共74頁。2022/8/563 而后隨著溫度繼續(xù)升高，轉變量增多，電阻繼續(xù)下降 當轉變結束時電阻恢復隨溫度線性增加，這就是 點 冷卻時與加熱相反，電阻先隨溫度線性下降，當母相向馬氏體轉變時上升，轉變終了時繼續(xù)下降，由此可得 及 點。 電阻分析還可以研究鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線、回火轉變、回復與再結晶轉變、合金時效、有序無序轉變等?？傊彩寝D變前后或轉變過程中有電阻變化現象，都可利用電阻分析方法進行研究。 室溫時，合金為馬氏體，隨著加熱溫度升高，試樣電阻基本隨溫度線性增大。 當達到 點時馬氏體開始向母相轉變，電阻向下偏離直

42、線變化 第63頁，共74頁。2022/8/5641.概念： 能帶 禁帶 允帶 空能級 導帶 滿帶 超導電性 邁斯納效應 有效自由電子數2.導電的物理本質：經典自由電子導電理論、量子自由電子理論、能帶理論3.超導體的兩個基本特性：完全導電性、完全抗磁性4.超導體的3個性能指標：臨界轉變溫度Tc、臨界磁場Hc、臨界電流密度Jc5.電阻分析的應用： 1）測量固溶體的溶解度曲線 2）測定形狀記憶合金中的相變溫度6. 用量子自由電子理論解釋金屬導電現象。第二章作業(yè)第64頁，共74頁。2022/8/565 金屬與合金的熱電勢是一個組織和結構敏感的物理量因此熱電勢對于研究金屬與合金的成分及組織變化規(guī)律，是一

43、種很有效的分析方法。一.金屬的熱電現象可以概括為3個基本熱電效應。1帕爾帖效應不同金屬中，自由電子具有不同的能量狀態(tài)，如圖3-1（P192圖10-14） 第三章 熱電性分析3-1 金屬的熱電現象及物理本質 圖3-1帕爾帖效應示意圖第65頁，共74頁。2022/8/566 由于接觸電勢的存在，若沿AB方向通以電流，則接觸點處要吸收熱量；若從反方向通以電流，則接觸點處要放出熱量，這種現象稱為帕耳帖效應。 在某一溫度下，當兩種金屬A和B相互接觸時，若金屬A的電子能量高，則電子要從A流向B，使A的電子減少，而B的電子增多，由此導致金屬A的電位變正，B的電位變負于是在金屬A與B之間產生一個靜電勢VAB，

44、通常稱為接觸電勢， 吸收或放出的熱量 稱為帕爾帖熱 (31) 帕爾帖系數或帕爾帖電勢 電流 電流通過的時間 帕爾帖熱可以用實驗法確定，通常帕爾帖熱和焦耳熱總是疊加在一起的，由于焦耳熱與電流方向無關，帕爾帖熱與電流方向有關，利用這一特點可用正反通電法將其測出為此，可先從一個方向通入電流，測得熱量 ，這里 表示焦耳熱而后再從另一個方向通入電流，測得熱量應為 。二者之差為 。根據這一特性，即可確定出 。第66頁，共74頁。2022/8/567 金屬中自由電子的能量還與溫度有關，當一根金屬導線兩端溫度不同時，電子也要發(fā)生遷移，于是在導體的M與M 兩點之間產生一個靜電勢V，見圖3-22湯姆遜效應圖3-2 湯姆遜效應示意圖(3-2) 電流方向與導線中熱流方向一致時產生放熱效應，反之產生吸熱效應吸收或放出的熱量稱為湯姆遜熱 。 也可用正反通電法測出。 湯姆遜系數 由于導體中存在V，若通以電流，則在導線中除產生焦爾熱外，還要產生額外的吸放熱現象這種熱電現象稱為湯姆遜效應 電