武汉理工材料物理学8讲解
武汉理工工程材料8第二章
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再结晶退火 （Recrystallization Annealing )
图 退火炉
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2
退火目的
• 调整硬度。 （适合切削加工的硬度为170-250HBS）
• 消除内应力（缓慢冷却）。 • 细化晶粒。 • 均匀成分。 （相对而言，使前面加工过程中造成粗大、不均
匀的组织细化和均匀化）
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退火种类
重结晶 退火 退火
完全退火 扩散退火 球化退火
低温 退火
再结晶退火 去应力退火
定义：将工件加热到Ac3+20~30℃，保温后缓慢 冷却的退火工艺。
• 完全退火又称为重结晶退火(recrystallization annealing)，简称退火，这种退火主要用于亚共 析成分的各种碳钢和合金钢。
• 完全退火常作为某些工件的预先热处理，也可作 为一些不重要工件的最终热处理工艺。
• 完全退火要点：加热温度 Ac3 + 20～30℃，缓冷， 适合亚共析钢。
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球化退火(Soft Annealing)
球化退火是使钢中碳化物（渗碳 体）球状化的退火工艺。
操作：将工件加热到Ac1+ 20~30℃温度， 保温较长时间后 缓冷，或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下等温保持，使二次 渗碳体和珠光体中的渗碳体球状 化，然后出炉空冷。
球化退火主要用于过共析成分的 碳钢及合金工具钢（如制造刃具、 量具、模具所用的钢种）。
武汉理工-材料物理学课件(8)
三者关系：
4.2.1拉伸试验
K=E/2(1-2ν) ; μ=E/2(1+ν) ; E=9Kμ/(3K+μ)
E:弹性模量或杨氏(Yong)模量。 μ:刚性应变或切变模量。 Ｋ:体积弹性模量。
塑性形变
4.2.1拉伸试验
当材料的形变在应力去除之后仍不能完全恢 复时，说明材料发生了塑性形变。材料开始 发生塑性形变时所对应的应力称为屈服强度， 用σs 来表示。
4.2.5断裂韧性
材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关：
（1） 裂纹尺寸a越大，许可应力σ越低。 （2） 材料发生塑性变形的能力非常重要。 （3） 厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。 （4） 增加负载速率，像冲击试验那样，往往 会减小材料的断裂韧性。 （5） 与冲击试验相同，降低温度会减小材料 的断裂韧性。 （6） 减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。
对于那些没有塑性变形的脆性材料，也无法 利用冷加工的方法来进一步强化材料。
4.2力学实验与材料性能
•选择材料的一个基本原则 力学性能
首先必须分析材料使用的环境，以便判断什 么是材料应该具有的最重要的性能。
•研究材料的力学性能，可以了解这些缺陷的 本质。
4.2力学实验与材料性能
表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所 得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用来表 示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程 度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料工作 的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着 材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是 动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示它的 抗断裂性能。
4.9材料的韧性、脆性与料在机械加工、制造过程中可能会出现切口。 这些切口会引起应力集中，降低材料的冲击韧 性。通过比较有切口和无切口的试样的冲击试 验结果，可以得到材料的切口敏感性。如果材 料具有切口敏感性，那意味着这一材料的有切 口试样的吸收能远远低于无切口试样。
武汉理工材料物理性能复习资料
第一章一、基本概念1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。
晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。
2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。
弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。
3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。
4．滞弹性：对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之消除，但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。
二、基本理论1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。
○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。
对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。
晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。
○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。
金属与非金属晶体滑移难易的对比金属非金属由一种离子组成组成复杂金属键物方向性共价键或离子键有方向性结果简单结构复杂滑移系统多滑移系统少2．无机材料高温蠕变的三个理论○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。
当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。
热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。
当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。
如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。
武汉理工-材料物理学课件(3)
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必须指出，压力照例使较为致密的金属相趋
于稳定。例如铁在压力作用下 的转
变被遏制，而 转变被加速。
压力作用下的多晶形转变导致出现各种结构 变体的电学性能。
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5.3.4固溶体的导电性
5.3.4.1电阻与组元浓度的关系
与纯组元相比，金属固溶体的形成总是伴
随着电阻的增大和电阻温度系数的减小，
一般认为在几百千巴(1巴=1.02大气压=105帕 斯卡(Pa))压力下不发生某种相变的物质几乎是 没有的。
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5.3.3压力对材料电阻的影响
在压力的作用下，由于传导电子和声子之间相 互作用的变化，电子结构以及电子间相互作用 发生改变，金属的费米面和能带结构发生变化； 在压力的作用下，金属的声子谱照样也要变化. 这些因素都导致了出现具有新性能的元素变体， 而这些性能是常压下所没有的。
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简单金属固溶体电阻的极大值通常位于二
元系的50(at)％浓度处，但铁磁金属和强顺 磁金属固溶体的最大电阻可能不在50(at)％ 浓度处。
贵金属(Cu，Ag，Au)与过渡族金属组成固溶 体时电阻非常的高。这是因为价电子转移到 过渡族金属内较深而末填满的d-或f-壳层中， 造成导电电子数目减少的缘故。电子的这种 转移应看成固溶体组元化学作用的加强，固 溶体电阻随成分急剧增大可以作为—个证明。
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固5.3-10 Cu-Ag合金的电 阻 a淬火态；b 退火态
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X射线结构分析指出，对于退火的Cu3Au 和CuAu合金，除了代表具有面心立方点 阵无序固溶体的X射线谱外，还出现另外 一些线谱，称为超结构线诺。假设成分为 Cu3Au和CuAu的合金在退火时晶体点阵 中的原子进行了有序排列就可以解释超结 构线谱。
武汉理工大学材料科学基础课件全上
4
材料是当代文明的三大支柱之一
材料、能源、信息是当代社会文明和国民经 济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展 的物质基础和技术先导。
绪论—材料引言
什么是材料?
材料与人类文明
什么是材料科学？
0.1 材料分类
0.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
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什么是材料?
世界万物， 凡于我有用者，皆谓之材料。材料 是具有一定性能，可以用来制作器件、构件工具、 装置等物品的物质。材料存在于我们的周围与我们 的生活我们的生命息息相关材料是人类文明、社会 进步科技发展的物质基础。
按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线 性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料 等。
按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、 耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、 包装材料等。
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0.1.1 按化学组成（或基本组成）分类：
1. 金属材料 2. 无机非金属材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 复合材料
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按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石 质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特 殊耐火材料；
按制造方法分为天然矿石和人造制品； 按形状分为块状制品和不定形耐火材料； 按热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；
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表0-2 中国日用瓷分类标准
类
别
性质及特征
吸水率 （%）
ห้องสมุดไป่ตู้特征
武汉理工大学考研材料科学基础重点 第8章-相变
第七章相变第一节相变概述第二节相变分类第三节相变的条件第三节成核-生长相变⏹第一节相变概述一、相什么是相？--物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。
二、相变1.相变随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变2.相变过程相变过程：物质从一个相转变到另一个相的过程。
⏹第二节相变的分类分类方法有很多，目前有以几种：一、按物质变化划分二、从热力学角度划分三、按动力学分类四、按相变发生的机理来划分一、按物质变化划分：按物态变化及含义不同，相变分为狭义相变和广义相变。
狭义相变仅限于同组成的两固相之间的结构转变，即相变是物理过程，不涉及化学反应。
如单元系统的晶型转变，S1<->S2。
广义相变包括相变前后相组成发生变化的情况，包括多组分系统的反应。
类型很多，S<->L、S<->V、S<->S、L<->V等。
二、从热力学角度划分：（1）按转变方向分类可分为可逆与不可逆相变。
可逆相变在加热和冷却时晶型之间发生互为可逆的变化，反映在相图上的特征是转变温度低于两种晶型的熔点。
不可逆相变是指高能量的介稳相向能量相对较低的物相之间的转变，相图上的特征是转变温度（虚拟）高于两种晶型的熔点。
(2)按化学位偏导数的连续性分类从热力学观点看，两相能够共存的条件是化学位相等。
此时的温度和压力分别称为临界温度和临界压力。
根据临界温度、临界压力时化学位各阶偏导数的连续性，可将相变分为一级相变、二级相变和高级相变1.一级相变：在临界温度、临界压力时，两相化学位相等，化学位的一阶偏导数不相等的相变。
反映在宏观性质上，相变时体系热焓H发生突变，热效应较大，体积膨胀或收缩。
大多数的S<->L、S<->V、S<->S、L<->V相变都属于一级相变，这是最常见的相变类型。
2.二级相变：在临界温度、临界压力时，化学位的一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。
武汉理工大学大学物理课件
d d lim 2 dt t 0 t dt
2
t
P´(t+t) R O θ P(t)
s
O'
dv d a R R dt dt v 2 ( R ) 2 an R 2 R
x
例2.
某发动机工作时，主轴边缘一点作圆周 运动方程为 t 3 4t 3 (SI)
dr v dt
ds τ 速度矢量 v dt
dv dt
加速度矢量
2 dv d r 2 a 2 v 法向加速度 an n dt dt
切向加速度 a
2.圆周运动的角量描述 角位置: 角位移: 角速度: 角加速度: 3. 角量与线量的关系
d dt
d d 2 2 dt dt
dv d a R R dt dt v2 ( R ) 2 an R 2 R
s R ds d v R R dt dt
4.质点运动学中的两类基本问题
由初始条件定积分常量
作业
• 练习一、二
任一时刻运动员下落速度大小
的表达式
解： 由
分离变量求积分得：
( A Bv) ln Bt A
A Bt v(t ) (1 e ) B
例9.
解：
本讲小结
1.不同坐标系中基本物理量的描述
直角坐标系 位置矢量 位移矢量 速度矢量 自然坐标系 位置 S △S
r,
r (t )
位置变化 r r2 r 1
第二讲
1.直角坐标系 2.自然坐标系 3.圆周运动的角量描述 4.两类运动学问题
武汉理工-材料物理学课件(6)
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2
4.5弥 散 强 化
所谓弥散强化，是指将多相组织混合在 一起所获得的材料强化效应
在弥散强化合金中，一定存在着一种以 上的相 ，含量大的连续分布的相称为基 体。而第二相则一般是数量较少的析出物。
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3
4.5弥 散 强 化
基体与析出物之间的关系
1． 基体应该是塑性的，而析出物则应该是 脆性的
2． 脆性的析出物应该是不连续分布的，而 塑性的基体则应该是连续分布的
金属间化合物中，有两个非常重要的材料。
一个是TiAl， 又称为γ合金。另一个是
Ti3Al，又称为α合金。这两种金属间化合 物的用途很广，例如可用于涡轮发电机和
航天飞机。这两种金属间化合物都是有序
化的晶体结构。
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利用共晶反应也能够获得 弥散强化的材料
4.5弥 散 强 化
在共晶反应中，会生成α相和β相两种固 相。这两个固相的化学成分由共晶反应 线的两端来决定。
共析反应
固相之间的反应，所以在热处理时，可以先
将材料加热到形成固相S1的温度，然后在冷 却过程中利用共析反应得到S2和S3两个固相。 作为共析反应产物的两个固相可以使合金实
现弥散强化
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4.6固态相 变强化
图4.30
铁-碳相图
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4.6固态相变强化
在铁-碳相图中，含碳量为0.77%时为共析成分， 这种成分的钢称为共析钢。共析钢加热到 727℃以上时，出现单一的γ相。γ相冷却到 727℃时，发生如下的共析反应：
4.5弥 散 强 化
图4.27 PbSn合金的成 分和强化机
制对抗拉强 度的影响
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13பைடு நூலகம்
共晶反应应用
武汉理工-材料物理学课件(7)
随之增大。这就是加工硬化的原理。
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Frank-Reed位错源
4.3加 工 硬 化
图4.20位错增殖示意图
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6
4.3加 工 硬 化
利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料 的形状的同时，提高材料的强度。尤其是对 于那些不能采用各种热处理强化方法的材料， 如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加 工硬化方法显得更加重要。
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4.4固 溶 强 化
“相”指的是一种结构
在一个相中，结构或者原子排列处处 相同，化学成分处处相同
相与周围环境或其他相之间一定存在明 确的界面
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无限固溶体
4.4固 溶 强 化
没有溶解度限制的固溶 体 ，如镍铜。
有限固溶体
有溶解度限制的固溶体 ， 如铜锌合金（黄铜）。
也有一些完全不能互相溶解的现象。例如，
第4章 材料强化
4.1概述 4.2力学实验与材料性能
2个学时
4.3加 工 硬 化 4.4固 溶 强 化
2个学时
4.5弥 散 强 化
4.6固态相变强化
2个学时
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1
4.3加 工 硬 化
加工硬化主要是与金属和合金等塑性材 料有关的概念。众所周知，金属的性能 可以通过冷加工即在低温下使金属发生 形变的方法来改变。
固溶强化对材料性质的影响
1. 合金的屈服强度，抗拉强度，硬度等会超 过纯金属。
2. 几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但 是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜， 这是一个例外。
3. 合金的导电率大大低于纯金属。所以不应 该用固溶强化的铜合金或铝合金作导线。
4. 固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。高 温环境不会明显损害固溶强化效果。
武汉理工-材料物理学课件
05
材料物理学的挑战与未来 发展
新材料的研发
总结词
新材料的研发是材料物理学领域的重要挑战之一，需 要不断探索新的材料体系和结构，以满足不断发展的 科技需求。
详细描述
随着科技的不断发展，对新型材料的需求日益增加，如 高温超导材料、纳米材料、生物材料等。这些新材料在 能源、环保、医疗等领域具有广泛的应用前景，因此需 要不断加强新材料的研发工作。
总结词
穆斯堡尔谱技术是一种研究材料中核自旋磁矩的实验 技术，用于研究材料的磁学性质和微观结构。
详细描述
穆斯堡尔谱技术利用核自旋磁矩的共振吸收和辐射特 性，测量核自旋磁矩的能级和跃迁频率，从而分析材 料的磁学性质和微观结构。该技术广泛应用于磁学、 物理学、化学等领域，对于研究磁性材料和磁学现象 具有重要意义。
利用高分子材料和纳米材料等实现污染治理，如水处理和 土壤修复等。
04
材料物理学的实验技术
X射线衍射技术
总结词
X射线衍射技术是材料物理学中常用的实验技术之一，用于研究材料的晶体结构和相组 成。
详细描述
X射线衍射技术利用X射线在晶体中的衍射现象，通过测量衍射角度和强度，分析晶体 结构，确定材料的晶格常数、晶面间距等参数。该技术广泛应用于材料科学、物理学、
要应用之一。
燃料电池
02
通过材料电化学反应将化学能转化为电能，具有高效、环保的
优点。
核能利用
03
核能材料能够实现高效、清洁的能源生产，如核聚变和核裂变
。
电子科技领域
集成电路
利用半导体材料制造集成电路，实现电子设备的微型化和高效化 。
显示技术
利用光电材料和液晶材料等实现显示技术，如LED显示器和液晶 显示器。
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
第八章材料科学基础武汉理工大学陆佩文
第八章相变内容提要：本章介绍1、相变的分类。
2、液固相变过程的热力学、动力。
3、液-液相变过程。
重点：1、相变过程的推动力及晶核形成条件。
2、析晶过程难点：液-液相变过程相变过程是物质从一个相庄、转变为另一个相的过程。
一般相变前后相的化学组成不变。
狭义上讲，相变仅限于同组成的两相之间的结构变化。
广义概念，相变应包括过程前后相组成发生变化的情况。
§8-1相变的分类分类方法有很多，目前有以下几种：按热力学分类；按相变方式分类；按质点迁移方式分类。
一、按热力学分类一级相变：相变时两相化学势相等但化学势的一阶偏微商不相等称为一级相变。
发生一级相变时有潜热和体积的变化。
因此，熔化、升华、凝固、气化、晶型转变都属于一级相变。
二级相变：相变时两相化学势相等，其一阶偏微商也相等，但二阶偏微商不相等称为二级相变。
发生二级相变时无潜热和体积变化，只有热容量、膨胀系数和压缩系数的变化。
二、按相变方式分类成核—长大型相变：由组成波动程度大、空间范围小的浓度起伏开始发生的相变。
初期起伏生成新相核心，然后是新相核心长大。
有均匀成核和非均匀成核两类。
连续型相变：由组成波动程度小、空间波动范围广的起伏引起的相变，即起伏连续地生长而形成新相。
三、按质点迁移方式分类扩散型相变:相变过程依靠原子（或离子）的扩散来进行的相变．无扩散型相变：相变过程不存在原子（或离子）的扩散，或虽存在扩散但不是相变所必需的或不是主要过程的相变．马氏体相变马氏体相变的特征是相变时新相和母相之间具有严格的趋向关系，靠切变维持共格晶界，并存在一个习性平面，在相变前后保持既不扭曲变形也不旋转变形的状态。
§8-2液-固相变过程热力学一、相变过程的不平衡状态及亚稳区亚稳区：理论上应发生相变而实际上不能发生相转变的区域由此得出：(1)亚稳区具有不平衡状态的特征，是物相在理论上不能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；(2)在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新相，必然要越过亚稳区，这就是过冷却的原因；(3)在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有外来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。
武汉理工材料物理学8
马基申定则
上面所讨论的都是不合杂质又无缺陷的纯金 属理想晶体。实际上金属与合金中不但含有 杂质和合金元素，而且还存在晶体缺陷。传 导电子的散射发生在电子—声子、电子—杂 质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷碰撞的 时候。在铁磁体和反铁磁体中还要发生磁振 子的附加碰撞。
理想金属的电阻对应着两种散射机制(声子散射 和电子散射)，可以看成为基本电阻。这个电阻 在绝对零度时降为零。 第三种机制(电子在杂质和缺陷上的散射)在 有缺陷的晶体中可以观察到，是绝对零度下 金属残余电阻的实质，这个电阻表示了金属 的纯度和完整性。
D
研究表明，在各自的温区有各 自的电阻变化规律：
(T ) (T / D ) ,当T D时 ( D ) (T / D ),当T D时
5
式中 ( D ) 为金属在德拜温度时的电阻。
实验表明，对于普通的非过渡族金属，德拜温 度一般不超过500k。当 T 2 时，电阻和温度 3 成线性关系，即
5.3.2.1.一般规律
图5.3-2 杂质和晶体缺陷对金属低 温比电阻的影响
在绝对零度下化学上纯净又无缺陷的金属，其 电阻等于零。随着温度的升高，金属电阻也在 增加。无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函 数，如图5.3-2中曲线1所示。 如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那未 电阻与温度的关系曲线将要变化，如图5.3-2 中曲线2和3所示。在低温下微观机制对电阻的 贡献主要由 残 表示。缺陷的数量和类型决定 了与缺陷有关的电阻。
2个学时
2个学时
4个学时 10个学时 4个学时
5.3金属电导I
5.3.1金属导电机制与马基申定则
5.3.2温度对金属电阻的影响
5.3.1金属导电机制与马基申定则
武汉理工材料科学基础考研名词解释
1 材料引言玻璃——玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。
水泥——水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂，石等材料牢固地胶结在一路的细粉状水硬性材料。
耐火材料——耐火材料是指耐火度不低于1580 摄氏度的无机非金属材料。
硅质耐火材料，镁质耐火材料，熔铸耐火材料，轻质耐火材料，不定形耐火材料。
高聚物——高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。
胶粘剂——胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作历时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢恢复状的高聚物。
合金——合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质固溶体——当合金的晶体结构维持溶质组元的晶体结构时，这种合金成为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。
电子化合物——电子化合物是指具有必然（或近似必然）的电子浓度值，且结构相同或密切相关的相。
间隙化合物——由原子半径较大的过渡金属元素（Fe,Cr,Mn,Mo,W,V 等）和原子半径较小的非（准）金属元素（H,B,C,N,Si,等）形成的金属间化合物。
传统无机非金属材料——主如果指由SiO2 及其硅酸盐化合物为主要成份制成的材料，包括陶瓷，玻璃，水泥和耐火材料等。
新型无机非金属材料——是用氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硫化物，硅化物以及各类无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。
2 晶体结构晶体——晶体是离子，原子或分子按必然的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因此，晶体具有规则的外形。
晶胞——晶胞是从晶体结构中掏出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。
晶体结构——晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵+结构基元而组成，晶体结构的形式是无穷多的。
空间点阵——空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点以后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。
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马基申定则
上面所讨论的都是不合杂质又无缺陷的纯金 属理想晶体。实际上金属与合金中不但含有 杂质和合金元素，而且还存在晶体缺陷。传 导电子的散射发生在电子—声子、电子—杂 质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷碰撞的 时候。在铁磁体和反铁磁体中还要发生磁振 子的附加碰撞。
理想金属的电阻对应着两种散射机制(声子散射 和电子散射)，可以看成为基本电阻。这个电阻 在绝对零度时降为零。 第三种机制(电子在杂质和缺陷上的散射)在 有缺陷的晶体中可以观察到，是绝对零度下 金属残余电阻的实质，这个电阻表示了金属 的纯度和完整性。
如果用电阻率 表示晶体点阵完整性破坏 的程度，可写成
2mv 1 2 n有效e l
令 1/ l ,
称为散射系数，则变为
2mv 2 n有效 e
式中 v 应理解为在费米面附近实际参加导电电 子的平均速度。
若电子波的散射系数 与绝对温度成正比，则金 属电阻率也与温度成正比，这是因为导电电子的 数目和速度都与温度无关的缘故。
马基申定则
马基申(Mathhissen)和沃格特(Vogt)早期根 据对金属固溶体中溶质原子的浓度较小，以致 可以略去它们之间的相互影响，把固溶体的电 阻看成由金属的基本电阻 (T ) 和残余电阻 残 组成。这实际上表明，在一级近似下不同散射 机制对电阻的贡献可以加法求和。这—导电规 律称为马基申定则。
图5.3-1波长相同的电子受点阵离子 静电场的调制
电导率
j ne E 2m
2
ne l 或 2m v
2
l
v
为电子的平均自由程 为电子无规运动的总平均速度．
l / v 两次碰撞的时间间隔
n
单位体积电子数
量子电子论的模型表明，只有位于最高能级 为数不多的电子能够为外加场所加速从而具有 附加速度(或能量)。由此可见： 第一，v 应当比总的电子平均速度大得多；
第二，因为金属熔点以下费米分布随温度变化 很小，即 v 实际上不取决于温度。
可见，电导率 (或电阻率 )与温度的关系 决定于 l 的改变。这是因为所有其他量皆与温 度无关。
量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通 过一个完整的晶体点阵时，将不受到散射而无 阻碍地传播，这时电阻率 ＝0，而 和 应为无穷大。只有在晶体点阵的完整性遭到破 坏的地方电子波才受到散射，因而产生电阻。 由温度引起点阵离子的振动、点缺陷和位错的 存在都会使理想晶体的周期性遭到破坏，从而 产生各自的附加电阻。
在超低温下电子平均自由程长度 l 同样可以作为 金属纯度直观的物理特性。晶体越纯、越完善， 自由程长度越长、相对电阻值也越大。反之，金 属中杂质越多，在连续散射之间电于自由程长度 越短，相对电阻也越小。目前可以得到很纯的金 属，在它们当中4.2K时的电了平均自由程长度可 达几个mm。例如，相对电阻为7000，000的超 纯钨，其电子自由程长达12.5mm.
在低温下“电子—电子“散射对电阻的贡献可能 是显著的，但除了最低的温度以外，在所有温度 下大多数金属的电阻都决定于“电子—声子”散 射。必须指出，点阵的热振动在不同温区存在差 异。
根据德拜理论，原子热振动的特征在两个温度区 T D和T D 称 域存在本质的差别，划分这两个区域的温度 为德拜温度或特征温度。在 时 电阻与温度有不同的函数关系，因此，当研制具 有一定电阻值和电阻温度系数值的材料时知道金 属在哪个温区工作，怎样控制和发挥其性能是很 重要的。
i 残 (T )
i
式中 (T ) 为与温度有关的金属基本电阻， 即溶剂金属(纯金属)的电阻；
残 为决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度
无关的残余电阻。化学缺陷为偶然存在的杂 质原子以及人工加人的合金元素原子。物理 缺陷系空位、间隙原子、位错以及它们的复 合体。
从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基 本上决定于 (T ) ，而在低温时则决定于残余电 阻 残 ，既然残余电阻是电子在杂质和缺陷上的 散射引起的，那末 残 的大小可以用来评定金属 的电学纯度。与化学纯度不同，电学纯度考虑了 点阵物理缺陷的影响。考虑到残余电阻测量上的 麻烦，实际上往往采用相对电阻 300 k / 4.2k 的大 小评定金属的电学纯度。许多完整的金属单晶得 到的相对电阻高达2xl04。
第5章 导电物理
5.1概述
5.2材料的导电性能 5.3金属电导 5.4半导体物理 5.5 超导物理
2个学时
2个学时
4个学时 10个学时 4个学时
5.3金属电导I
5.3.1金属导电机制与马基申定则
5.3.定则
根据量子力学的观点，电子在晶体中运动时可 作为一个波来描述．当这种波遇到离子时被后 者的静电影响所调制，畸变为频率较高的振动。 这表明电子经过离子时被加速到的高能态。换 言之，电子在离子附近只需要花费比较短的时 间，所以不会受到离子很大的影响．而只是把 电子波函数有规则地调整了。
5.3.2温度对金属电阻的影响
在很宽的温度范围内研究电阻与温度的关系可 以显示电子散射的不同机制，不同散射形式占 优势的温度区域，金属电阻实际上等于残余电 阻的温度。
研究电阻与温度的关系向样可以显示超导现象 和引起铁磁性反常等的特殊性能。以下先讨论 “简单金属”电阻随温度变化的一般规律，随 后讨论几种反常的情形。
5.3.2温度对金属电阻的影响
温度是强烈影响材料许多物理性能的外部因素。 由于加热时发生点阵振动特征和振幅的变化， 出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金 相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻的 变化显示出重要的影响。从另一方面考虑．测 量电阻与温度的关系乃是研究这此现象和过程 的一个敏感方法。
5.3.2.1.一般规律
图5.3-2 杂质和晶体缺陷对金属低 温比电阻的影响
在绝对零度下化学上纯净又无缺陷的金属，其 电阻等于零。随着温度的升高，金属电阻也在 增加。无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函 数，如图5.3-2中曲线1所示。 如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那未 电阻与温度的关系曲线将要变化，如图5.3-2 中曲线2和3所示。在低温下微观机制对电阻的 贡献主要由 残 表示。缺陷的数量和类型决定 了与缺陷有关的电阻。