《金属物理李占峰》课件

金属物理导论课程概述课程目标掌握金属材料基本理论学习内容金属结构、性能、应用考核方式金属的定义与分类金属定义具有金属光泽、导电性、导热性的元素按物理性质分类黑色金属、有色金属按化学活性分类活泼金属、贵金属按用途分类结构金属、功能金属金属的基本特性导电性自由电子流动传导电流导热性高热传导效率延展性可锻造成薄片或拉伸成丝光泽表面反射可见光金属的原子结构原子核带正电荷的质子和中性中子1核外电子填充在电子轨道上的负电荷2价电子最外层易失去的电子3电子云金属中自由移动的电子形成"海洋"4金属键1金属阳离子失去价电子形成规则排列的阳离子2自由电子气价电子形成的"电子海"3库仑力电子气与阳离子间产生的吸引力金属晶体结构体心立方结构(BCC)如铁、钨配位数：8空间利用率：68%面心立方结构(FCC)如铝、铜配位数：12空间利用率：74%六方密堆结构(HCP)如镁、钛配位数：12空间利用率：74%晶格缺陷1体缺陷晶界、亚晶界2面缺陷堆垛层错、孪晶界3线缺陷位错（刃位错、螺位错）4点缺陷空位、间隙原子、替代原子金属的电子理论1经典自由电子理论德鲁德模型，视电子为理想气体2量子自由电子理论索末菲模型，考虑量子效应3能带理论布洛赫定理，电子在周期势场中运动4密度泛函理论现代计算方法，精确描述电子行为金属的热学性质热膨胀温度升高导致原子振动幅度增大热容升高单位温度所需能量热导率自由电子传递热能效率金属的电学性质性质机理影响因素电阻率晶格散射电子温度、缺陷超导现象电子配对温度、磁场接触电势费米能级差异材料种类金属的磁学性质顺磁性原子有未配对电子被磁场吸引，磁化率小抗磁性原子电子全部配对被磁场排斥，磁化率为负铁磁性电子自旋平行排列强磁化率，有剩磁金属的力学性质弹性可恢复变形能力塑性永久变形能力强度抵抗破坏的能力硬度抵抗表面压入的能力金属的变形机制滑移变形晶面沿特定方向错动孪晶变形晶格镜面对称重排位错运动线缺陷在晶体中移动晶界滑移晶粒边界相对位移金属的强化方法4主要强化方法通过阻碍位错运动提高强度200%强度提升综合应用多种方法可提高50nm晶粒尺寸细晶强化的理想晶粒大小10⁹/m²位错密度加工硬化后典型位错密度金属的相图单元素相图二元相图三元相图多元相图金属的相变成核新相形成初始晶核长大晶核吸收原子增大稳定化新相达到平衡状态金属的扩散现象空位扩散原子跳入相邻空位间隙扩散小原子在间隙中移动界面扩散原子沿晶界快速迁移表面扩散原子在表面能垒低处移动金属的腐蚀与防护腐蚀类型电化学腐蚀化学腐蚀应力腐蚀晶间腐蚀防护方法表面涂层阴极保护合金化钝化处理常见金属元素：铁基本特性磁性强，熔点1538℃晶体结构高温FCC，低温BCC主要应用钢铁工业基础材料常见金属元素：铝轻质密度低，仅为铁的1/3导电性导电性仅次于铜耐腐蚀表面自然形成氧化膜常见金属元素：铜物理性质红色金属，良好延展性1电学性质导电率仅次于银2热学性质导热性优异3化学性质稳定性好，易形成铜绿4常见金属元素：钛密度与强度低密度高强度耐腐蚀性耐海水、酸碱等腐蚀生物相容性医疗植入材料首选高温稳定性维持高温强度常见金属元素：镁1.74密度(g/cm³)结构金属中最轻650°C熔点相对较低35%轻量化替代铝可减轻重量稀有金属简介贵金属简介黄金(Au)化学稳定性极佳白银(Ag)最佳导电导热性铂族金属催化性能优异合金的定义与分类1特种合金形状记忆、非晶态2功能合金电子、磁性、超导3工业合金钢铁、铝铜钛镁合金合金的性质特点1基体相合金中的主要连续相2固溶体溶质原子溶入溶剂晶格3析出相独立存在的第二相粒子4金属间化合物具有特定成分比例的相钢铁合金铝合金铸造铝合金铸件生产，如发动机缸体变形铝合金轧制、挤压产品，如型材主要系列2xxx系(Al-Cu)6xxx系(Al-Mg-Si)7xxx系(Al-Zn)铜合金黄铜铜锌合金，装饰性好青铜铜锡合金，耐磨性优白铜铜镍合金，电阻率高钛合金α型钛合金稳定α相，耐热性好α+β型钛合金两相结构，性能均衡β型钛合金稳定β相，强度高镁合金合金系列主要成分典型应用AZ系Mg-Al-Zn汽车部件AM系Mg-Al-Mn压铸件ZK系Mg-Zn-Zr航空结构WE系Mg-Y-RE高温应用形状记忆合金变形低温下形变加热超过转变温度恢复回到原始形状冷却保持恢复形状非晶态金属制备方法快速冷却防止晶核生长结构特点无长程有序，短程有序性能优势高强度高弹性优异磁性耐腐蚀纳米金属材料尺寸效应纳米尺度特有物理效应表面效应表面原子比例显著增加量子效应电子能级量子化金属复合材料1长纤维增强最高强度和模量短纤维增强方向性减弱，成型性好颗粒增强等向性好，成本低金属材料的制备方法冶炼从矿石中提取金属铸造熔融金属浇注成型锻造机械力挤压变形金属材料的加工技术123热处理退火正火淬火回火表面处理电镀阳极氧化喷涂镀膜成形加工轧制挤压拉伸弯曲金属材料的检测方法力学性能测试拉伸、压缩、硬度金相分析显微组织观察无损检测超声、X射线、涡流金属在建筑领域的应用结构用钢高层建筑骨架铝合金型材门窗幕墙框架钛锌板屋面装饰材料不锈钢耐候外饰面板金属在交通运输领域的应用35%轻量化铝合金车身减重效果500MPa高强钢汽车结构用钢强度25%燃油效率轻量化材料提升比例金属在航空航天领域的应用铝合金钛合金高温合金钢材其他金属在电子领域的应用1导电材料铜、铝导线和散热器2连接材料锡铅焊料、金银触点3屏蔽材料钢、铜、铝电磁屏蔽壳4结构材料镁铝合金外壳框架金属在能源领域的应用金属在医疗领域的应用植入材料钛合金人工关节口腔材料金银钯合金、纯钛心血管材料镍钛形状记忆支架金属在环保领域的应用汽车催化剂铂族金属转化有害气体过滤材料金属网格、多孔金属储能材料锂、镍、钴电池材料金属回收与再利用金属材料与可持续发展资源效率减少开采，增加回收能源效率降低冶炼能耗减少排放清洁生产工艺延长寿命材料设计与防护金属物理研究的前沿领域纳米金属学研究纳米尺度特性计算金属学多尺度模拟预测原位实验技术实时观察微观行为超导材料研究进展1低温超导NbTi、Nb₃Sn合金2高温超导铜氧化物材料3铁基超导含铁砷化物4室温超导高压氢化物高温合金研究进展1300°C使用温度现代高温合金极限50%效率提升新型合金提高燃气轮机效率6代发展阶段单晶高温合金已发展代数金属基复合材料研究进展轻质高强铝基SiC复合材料密度低，刚度高耐磨耐蚀铜基陶瓷复合材料电接触材料首选高温结构钛基碳化物复合材料航空发动机材料金属增材制造技术粉末床融合高精度复杂结构定向能量沉积大型构件修复冷喷涂无热影响区沉积计算金属物理学1宏观尺度连续介质力学模拟2微观尺度晶粒尺度有限元分析3纳米尺度分子动力学模拟4原子尺度第一原理计算金属物理实验技术X射线衍射晶体结构分析电子显微镜微观形貌与组成原子力显微镜表面原子排列同步辐射原位高能X射线分析金属物理在工业生产中的应用质量控制微观结构监测工艺优化基于理论指导生产新材料开发设计定制化性能失效分析解决实际问题4金属物理学家的研究方法1理论研究建立模型，