《金属物理李占峰》课件

金属物理导论课程概述课程目标学习内容掌握金属材料基本理论金属结构、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导热性延展性自由电子流动传导高热传导效率可锻造成薄片或拉电流伸成丝光泽表面反射可见光金属的原子结构原子核核外电子带正电荷的质子和中性中子12填充在电子轨道上的负电荷电子云价电子43金属中自由移动的电子形成海洋最外层易失去的电子金属键金属阳离子1失去价电子形成规则排列的阳离子自由电子气2价电子形成的电子海库仑力3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面心立方结构六方密堆结构BCC FCCHCP如铁、钨如铝、铜如镁、钛配位数8配位数12配位数12空间利用率68%空间利用率74%空间利用率74%晶格缺陷体缺陷晶界、亚晶界1面缺陷2堆垛层错、孪晶界线缺陷3位错（刃位错、螺位错）点缺陷4空位、间隙原子、替代原子金属的电子理论经典自由电子理论1德鲁德模型，视电子为理想气体量子自由电子理论2索末菲模型，考虑量子效应能带理论3布洛赫定理，电子在周期势场中运动密度泛函理论4现代计算方法，精确描述电子行为金属的热学性质热膨胀热容温度升高导致原子振动幅度增升高单位温度所需能量大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抗磁性铁磁性原子有未配对电子原子电子全部配对电子自旋平行排列被磁场吸引，磁化率小被磁场排斥，磁化率为负强磁化率，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孪晶变形晶面沿特定方向错动晶格镜面对称重排晶界滑移位错运动晶粒边界相对位移线缺陷在晶体中移动金属的强化方法4200%主要强化方法强度提升通过阻碍位错运动提高强度综合应用多种方法可提高⁹50nm10/m²晶粒尺寸位错密度细晶强化的理想晶粒大小加工硬化后典型位错密度金属的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防护方法•电化学腐蚀•表面涂层•化学腐蚀•阴极保护•应力腐蚀•合金化•晶间腐蚀•钝化处理常见金属元素铁基本特性晶体结构磁性强，熔点1538℃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电学性质红色金属，良好延展性导电率仅次于银12化学性质热学性质43稳定性好，易形成铜绿导热性优异常见金属元素钛密度与强度耐腐蚀性低密度高强度耐海水、酸碱等腐蚀生物相容性高温稳定性医疗植入材料首选维持高温强度常见金属元素镁°

1.74650C密度熔点g/cm³结构金属中最轻相对较低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白银铂族金属Au Ag化学稳定性极佳最佳导电导热性催化性能优异合金的定义与分类特种合金形状记忆、非晶态1功能合金2电子、磁性、超导工业合金3钢铁、铝铜钛镁合金合金的性质特点基体相1合金中的主要连续相固溶体2溶质原子溶入溶剂晶格析出相3独立存在的第二相粒子金属间化合物4具有特定成分比例的相钢铁合金铝合金铸造铝合金变形铝合金主要系列铸件生产，如发动机缸体轧制、挤压产品，如型材•2xxx系Al-Cu•6xxx系Al-Mg-Si•7xxx系Al-Zn铜合金黄铜青铜铜锌合金，装饰性好铜锡合金，耐磨性优白铜铜镍合金，电阻率高钛合金型钛合金α稳定α相，耐热性好型钛合金α+β两相结构，性能均衡型钛合金β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加热低温下形变超过转变温度冷却恢复保持恢复形状回到原始形状非晶态金属制备方法结构特点性能优势快速冷却防止晶核生长无长程有序，短程有序•高强度•高弹性•优异磁性•耐腐蚀纳米金属材料尺寸效应表面效应量子效应纳米尺度特有物理效应表面原子比例显著增加电子能级量子化金属复合材料长纤维增强最高强度和模量1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表面处理•电镀•阳极氧化热处理成形加工•喷涂•退火•镀膜•轧制•正火•挤压•淬火•拉伸•回火•弯曲213金属材料的检测方法力学性能测试金相分析无损检测拉伸、压缩、硬度显微组织观察超声、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%500MPa轻量化高强钢铝合金车身减重效果汽车结构用钢强度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金属在电子领域的应用导电材料屏蔽材料铜、铝导线和散热器钢、铜、铝电磁屏蔽壳1234连接材料结构材料锡铅焊料、金银触点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过滤材料铂族金属转化有害气体金属网格、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计算金属学原位实验技术研究纳米尺度特性多尺度模拟预测实时观察微观行为超导材料研究进展低温超导1NbTi、Nb₃Sn合金高温超导2铜氧化物材料铁基超导3含铁砷化物室温超导4高压氢化物高温合金研究进展°1300C50%使用温度效率提升现代高温合金极限新型合金提高燃气轮机效率代6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耐磨耐蚀高温结构铝基SiC复合材料铜基陶瓷复合材料钛基碳化物复合材料密度低，刚度高电接触材料首选航空发动机材料金属增材制造技术粉末床融合定向能量沉积冷喷涂高精度复杂结构大型构件修复无热影响区沉积计算金属物理学宏观尺度连续介质力学模拟1微观尺度2晶粒尺度有限元分析纳米尺度3分子动力学模拟原子尺度4第一原理计算金属物理实验技术射线衍射X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工艺优化微观结构监测基于理论指导生产失效分析新材料开发4解决实际问题设计定制化性能金属物理学家的研究方法理论研究1建立模型，推导公式计算模拟2预测性能，指导实验实验验证3精确测量，检验理论应用推广4解决实际工程问题金属物理学的发展历程早期阶段经验总结，工艺探索经典理论结晶学、位错理论现代发展电子理论、相变学说前沿研究计算模拟、纳米科学总结与展望课程回顾研究趋势金属物理基础理论与应用计算设计，微观调控应用前景先进制造，绿色冶金。