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金属物理性能PhysicalPropertiesofMetals宋练鹏绪言1、金属物理性能研究的对象金属纯金属、合金晶态、非晶态纯金属：易于从理论上探讨其物性的共同规律合金或金属间化合物：可从工程上突出其使用性能使用性能通常包括：力学性能：在外力作用下所表现出的行为。弹性变形、塑性变形、断裂→弹性模量、硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性等。结构材料所注重物理性能：由材料的物理本质所决定的性能，如电子能带结构的不同决定材料导电性的不同等，是材料在热、电、磁、光等作用下通过材料的物理本质所表现出的不同性能。磁性、电性、热性、光性、内耗等功能材料所注重（具有特殊物理性能的材料）化学性能：材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。抗氧化、耐腐蚀等●在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等，即材料力学性能。●当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。学习材料物理性能主要是为功能材料的研究和使用打基础。2、本课程研究的内容●只重点介绍基本的电、热、磁等物性●研究物性与材料成份、组织结构、工艺过程的关系及其变化规律●介绍与物性相关的测试技术与分析方法金属的物性：组成材料的原子及其运动的表现电性：原子集合体中外层电子在运动中呈现的一种现象磁性：电子循轨运动及自旋运动的表现热性：原子间相互作用及热运动的表现3、学习的意义●间接了解材料内部结构变化，为提高力学性能提供思路和途径●为制造和发展金属功能材料提供理论基础成分与组织的关系：非组织敏感性能：主要决定于成分居里点、饱和磁化强度、热膨胀系数组织敏感性能：与成分及组织状态有关电阻率、热导率、磁导材料物性随实验与使用环境条件变化。环境：温度、外力、磁场、电场、辐射、化学介质等材料科学Materialsscienceinvolvesinvestigatingtherelationshipsbetweenthestructuresandthepropertiesofmaterials方法（设备）工艺结构性能器件服役性能材料工程Materialsengineeringisdesigningofthestructureofamaterialtoproduceapredeterminedsetofproperties,onthebasisofthesestructure-propertycorrelations（electricalproperties）第一章金属电性能欧姆定律：J＝σER＝ρσ=lSρ1导体：ρ10－6～10－2Ω·cm半导体：ρ10－3～109Ω·cm绝缘体：ρ1010～1020Ω·cm相对电导率：工程上用来表征导体材料的导电性能IACS%=%σσCuAl：65IACS%Fe：17IACS%第一节金属的导电理论导电理论是电子理论的重要组成部分。金属电子理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子理论量子电子理论能带理论经典电子理论给金属施加外电场后，自由电子获得附加速度，发生定向迁移，从而形成了电流。自由电子在定向迁移过程中，因不断与正离子发生碰撞，而使电子的迁移受阻，这就是产生电阻的原因。电子在自由行程之间所获得的附加速度是从零升至电子定向迁移的平均速度设单位体积金属中的自由电子数为n电流密度：单位体积金属中的自由电子数目愈多，电子运动的自由程愈大，则该金属的导电性就愈好。(1)不能解释一价金属导电性比二、三价金属好(2)实践证明，高温ρ∝T，低温ρ∝T5。(3)自由电子的比热，实验值比理论值小很多。(4)经典理论不能解释超导现象存在的缺陷，可见理论与实际不符经典电子论在一定程度上解释了金属导电的本质用经典力学处理微观质点的运动，不能正确反映微观质点的运动规律，量子电子理论金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。它与经典电子论的根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。根据量子力学导出金属导电率的公式为只有靠近费密能顶部的少数自由电子才参与导电费密—狄拉克分布在热力学温度零度时，自由电子填满了费密能以下的各能级，而费密能以上各能级全部空着。热力学证明，电子热激活允许的平均能量为KT数量级，在室温下KT约为0.025eV。而量子电子理论证明，费密能随温度变化极小，EF约为几个电子伏特，即KT≈10－2EF。在0K以上只有少数能量接近费密能的自由电子才可能跃迁到较高的能级中去。在室温下大约只有1%的自由电子才能实现这个跃迁。这就成功地解释了自由电子对比热容的贡献为何只是经典电子理论计算出来的百分之一。不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。能带理论原子组成晶体时，原子相互靠拢，外电子层能级分裂展宽成能带，形成许多次能级。金属由N个原子组成s能级有N个次能级，形成准连续的s能带p能级分裂成3N个次能级，形成准连续的p能带d能级分裂成5N个次能级，形成准连续的d能带与自由电子理论一样，认为金属中的价电子是公有化、能量是量子化的。能带理论认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的，而是呈周期变化的。能级(EnegyLevel)：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。能带（EnegyBand）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子间最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。禁带(ForbiddenBand)：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。价带(ValenceBand)：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带(ConductionBand)：价带以上能量最低的允许带称为导带。导电性是电子在末填满能带中活动程度的反映绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。第二节金属电阻及其影响因素实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输运过程中的散射：电子—电子(电子散射)电子—声子(声子散射)电子与杂质原子电子与晶体点阵静态缺陷的相互作用理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关，可以看成为基本电阻，基本电阻在绝对零度时为零。电子在杂质和缺陷上的散射发生在有缺陷的晶体中，绝对零度下金属呈现剩余电阻。这个电阻反映了金属纯度和不完整性。剩余电阻率ρ’：金属在绝对零度时的电阻率。实用中常把液氦温度(4.2K)下的电阻率视为剩余电阻率。金属电阻的马西森定则：ρ＝ρ’＋ρ(T)在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。ρ(T):取决于晶格热振动的电阻率（声子电阻率），反映了电子对热振动原子的碰撞ρ’：决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻率。化学缺陷是偶然存在的杂质原子及人工加入的合金化元索的原子；物理缺陷是指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。马西森定则忽略了电子各种散射机制间的交互作用，仅给金属与合金的导电性做了简明的描述，但很好地反映了低浓度固溶体的实验事实从马西森定则可以看出：高温时金属电阻率基本上取决于ρ(T)低温时取决于ρ’ρ’是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，其大小可以用来评定金属的化学纯度。常常采用相对电阻率ρ(300K)／ρ(4.2K)晶体越纯，越完善，相对电阻率越大，许多完整的金属单晶可得到高达2×l04的相对电阻率。1纯金属电阻与温度的关系电阻温度系数ρt=ρ0(1＋αT)αρ=电阻率温度系数ρt－ρ0ρ0T单位：1/℃影响金属导电性的因素电阻是与导体尺寸有关的物理量，温度升高时，不仅导体电阻率变化，尺寸也因热膨胀而变化，因而电阻温度系数必然包含电阻率温度系数和膨胀系数两项因子。纯金属：α≈4×10－3过渡族金属，特别是铁磁性金属α较高Fe：6×10－3Co：6.6×10－3Ni：6.2×10－3温度升高，晶格热振动加剧，声子电阻率升高，而剩余电阻率不变，故总电阻率随温度升高而升高。低温下杂质、晶体缺陷对金属电阻的影响实际上，只有当T＞（2/3）ΘD时，电阻率才正比于温度：ρ∝αTΘD：德拜温度，hυmax/ｋ反映原子间结合力的强弱低温下（T《ΘD），ρ∝T5原因：对电子波的散射随T3减少有效散射系数随T2减少综合这两个因素T3·T2=T5大多数过渡族金属：低温区ρ∝Tn，n=2.0～5.3极低温（2K）时，ρ∝T2一般认为：在整个温度区间电阻产生的机制为电子－声子（离子）散射而在极低温（2K）则是电子－电子散射金属电阻—温度曲线电熔点（Ts）处：（ρ液/ρ固）Ts＝exp（80Ls/Ts）Ls：熔化潜热（kJ/mol）金属熔化时，ρ增大1.5～2倍Sb例外，由共价结合变为金属结合Bi、Ga：熔化后密度增大，改变了原子短程排列，ρ下降半导体Ge：ρ随T升高而下降Pd-5%Ag合金：ρ随T变化很小2电阻率与受力情况的关系（1）拉力在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ，并有（2）压力对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。)1(0)1(0p几乎所有纯元素随温度变化电阻压力系数几乎不变。正常金属元素：电阻率随压力增大而下降；（铁、钴、镍、钯、铂、铱、铜、银、金、锆、铪等）反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第V族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力升高一定值后系数变号，研究表明，这种反常现象和压力作用下的相变有关。高压力还能导致物质的金属化，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。原因：压力作用下金属原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化，引起金属的导电性能变化。尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，这就必然会表现出性能的变化。3冷加工一般，冷加工引起ρ增大纯金属：2%～6%但W：30%～60%，Mo：15%～20%，单相固溶体：10%～20%有序固溶体：100%或更高例外：Ni-Cr，Ni-Cu-Zn，Fe-Cr-Al等形成K状态，冷加工使合金电阻率降低ρ=ρ’＋ρMρ’：由冷加工等因素造成的剩余电阻率，与温度无关，dρ/dt与冷加工程度无关ρM：与温度有关的退火金属电阻率冷加工引起金属晶格畸变，增加电子散射几率；同时也会引起金属晶体原子结合键的改变，导致原子间距变化。用电阻法研究金属冷加工时为什么要在低温？4晶体缺陷对电阻率的影响Δρ＝Δρ空位＋Δρ位错缺陷类型：空位间隙原子晶界位错产生缺陷的原因：幅照冷加工热处理工艺过程使用过程冷加工后退火ρ？退火过程中发生相变，ρ显著变化Δρ＝CεnC常数，与金属纯度有