1、2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,1,第一讲 金属物理性能简介 及固体的能量结构引论,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,2,绪 论,长期以来材料研究者所追求的是：材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等主要属材料结构抗力指标。在人类进入“信息社会”的今天，人类对太空、海洋和人体自身的探索日益深入，这一切对材料提出的则是更高的功能性指标。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and allo
2、ys,3,图1 人类、科技和技术的演变史,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,4,结构材料和功能材料。 功能材料涉及的范围很广，通常指那些具有特定物理、化学或生物学特性的材料。 它可以作为一种将输入能量传递或转换成其他能量的功能元件。,工程材料可以粗略地划分为,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,5,功能材料,一般说来，材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征，而材料的功能性通常为原子内部的电子以至原子核间的交互作用而表现出来的特性。譬如，电
3、子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异，因而有良导体、半导体、电介质和超导体之分 。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,6,功能材料受到特别关注,材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之间因“交换作用”产生不同原子取向的结果，因而有：抗磁体顺磁体和铁磁体之别。 材料物理性能是功能材料发展中受到特别关注的领域之一。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,7,功能材料的发展,它的进展凝聚着物理、化学、冶金、陶瓷和聚合物等领域科学工作
4、者的成果，在人类科技发展史上已作出了醒目的记载。 磁性材料 半导体材料 光电材料 超导材料,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,8,磁性材料的分类和应用,铁磁性材料：硬磁性材料和软磁性材料。 硬磁性材料应用：永磁体、磁盘、磁条等。 软磁性材料应用：电磁铁铁芯、录音机磁头线圈的铁芯等。,钕铁硼永磁体,电磁铁在电铃上的应用,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,9,半导体材料的应用,半导体材料的应用都是非常重要和广泛的，比如：移动通讯、计算机、汽车、
5、航空航天、石油提炼、核能利用等民用高科技领域也有着广阔的应用或应用前景。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,10,光电材料的应用,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,11,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,12,超导材料的应用,图2 超导材料应用的树状图,钇基高温超导电缆,核磁共振检查机,磁悬浮列车,超导电机，储能飞轮,2019年2月20日2时5分,Physical
6、 properties of metals and alloys,13,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,14,功能材料制备的新方法：快淬快凝技术、镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶凝胶、极限（极高温、高压、高真空、失重等）条件下的制备方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等快淬快凝技术,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,15,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,16,
7、探索材料内部微观结构组态的信息 更深层次的认识材料开发新型材料,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,17,另一个感兴趣领域,是把物理性能测试作为材料研究的一种方法即通过各种状态下所测得的材料参数，取得固体内部微观结构组态的信息，以阐明材料的纯度、状态、相组成，精确判断相变过程的性质、数量和限度。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,18,0.02/s B+F,0.03/s B,0.1/s B,0.3/s B+M,0.5/s M,10/s M,不
8、同冷速下的金相组织,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,19,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,20,3DAP,（8nm10 nm45nm）,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,21,DM钢回火稳定性组织TEM观察,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,22,DM,1.2367,3Cr2W8V,
9、DM钢淬回火组织SEM观察,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,23,电阻温度曲线 Al-Si-Cu-Mg合金的时效,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,24,高温弹性模量,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,25,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,26,PM1钢CCT曲线测定,2019年2月
10、20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,27,PM1钢的连续加热转变研究,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,28,“材料物理性能分析” 与金相分析、X一射线分析和电子显微分析相比，特点是： （1）可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材料中发生相变的温度、时间、数量和限度； （2）可以灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响； （3）所得结果反映材料的整体效应，可以避免局部微观区域观察或测量可能造成的错觉。,物理性能分析的特点,2019年2月2
11、0日2时5分,Physical properties of metals and alloys,29,合理地选用物理性能参数是取得预期分析结果的前提,在材料研究中，针对所研究的问题有时可以选用不同参数进行综合分析，并用其他方法的研究结果予以补充和佐证。只有合理地采用不同的研究方法，互相补充，才能有效地解决材料科学研究中提出的问题。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,30,首选教材：,材料物理性能，陈树川，陈凌冰，上海交通大学出版社，1999年6月 二选教材：金属物理性能分析，宋学孟，机械工业出版社，1989年7月 金
12、属材料物理性能，王润主编，冶金工业出版社，1985年11月 参考书目：金属物理（1-4卷），冯端，科学出版社，1998年6月,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,31,小结,重要性 内容 结合专业特点的要求 结合自身基础的学习方法 注重应用和实践,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,32,第一章 固体的能量结构引论,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,33,金属电子理论
13、 凝聚态（包括液态和固态）的理论基础 原子物理、统计物理、量子力学,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,34,电子的波粒二象性,为普朗克常数，是频率为 的电磁场能量的最小单位。,光子具有的能量：,E=hv,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,35,自发辐射、共振吸收、受激辐射或诱发辐射,图1-1 光子和二能级原子的作用过程,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,36,德国
14、物理学家德布罗意：,；为角频率,由于波长决定于量子的动量p,两者有如下关系：,结合 的量子关系,k=2/ 称为波数，考虑方向，亦称波矢。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,37,当加速电压V150V时， 1相当于晶体的点阵常数,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,38,Davisson and Germer 1927,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,39,Davi
15、sson and Germer 1927,图1-1 电子衍射,（a）电子衍射实验装置示意图；（b）相邻原子散射电子波相干示意图,（a）,（b）,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,40,当加速电压V150V时，1相当于晶体的点阵常数,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,41,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,42,已知电子质量 ，电子能量E=54ev,则电子动量,20
16、19年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,43,海森堡（Heisenberg）测不准原理,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,44,定义,指在一个量子力学系统中，一个粒子的位置和它的动量不可被同时确定。位置的不确定性x和动量的不确定性p是不可避免的： x ph/2 其中h是约化普朗克常数。,海森堡不确定性原理的纪念邮票,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,45,设有一束电子以速度
17、v沿OY轴射向AB屏上的宽度为d的狭缝,式中表示电子束德布罗意波长；d、如图中所示。,设电子用位置x和动量p描述，在X方向上位置不准量为,在同一瞬时粒子速度方向也发生变化，动量在OX轴方向上的分量 将界乎下述范围之间,动量测不准量为,应用德布罗意关系式，,图1-2 电子单缝衍射,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,46,如果把次级最大也计算在内，,我们将有,将上述关系推广，适合于Y、Z坐标，,能量与时间也存在测不准关系如下,图1-2 电子单缝衍射,2019年2月20日2时5分,Physical properties o
18、f metals and alloys,47,测不准原理德意义在于它划分了古典力学和量子力学应用的范围、界限。 在处理具体问题上， 不可忽略时，必须用量子力学处理。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,48,例一： 质量为一克的宏观物体，当中心位置不准量为 ；求动量不准量，速度不准量 例二： 对于一个微观粒子电子，当中心位置不准量为 ；求动量不准量 ，速度不准量,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,49,质量为一克的宏观运动的物体确定其重心位置
19、的不准量 此时，,设动量不准量 ，由测不准关系,，则,而对于微观粒子，电子质量,，电子位置,的测不准量为 （因为原子尺寸在 ）,取,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,50,用统计的规律，根据粒子出现的几率，描述微观粒子运动。,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,51,波函数 薛定谔方程 核外电子的运动状态 原子的壳层结构与元素周期律 经典自由电子论,2019年2月20日2时5分,Physical properties of metals and alloys,52,习 题,1，举例说明结构材料和功能材料。2，试述物理性能测试方法与传统的金相、XRD及电镜分析的区别。3，解释自发辐射、共振吸收、受激辐射或诱发辐射。,
