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金属物理学

2012-11-23 21:41:28 来源:

金属物理学是研究金属和合金的结构与性能关系的科学,即从电子、原子和各种晶体缺陷的运动和相互作用,来阐明金属和合金的各种宏观规律与转变过程。它既相当于金属学在微观领域内的进一步深入,也是以金属和合金为对象的固体物理学的一个分支。

人类在生产实践中应用金属与合金材料已经有几千年的历史,但以金属与合金为对象进行认真的科学研究则起步于19世纪。当时初步研究了金属与合金的力学、电学和磁学等性质,并以金相显微镜观察了金属的显微组织,取得了对合金的 凝固、固态相变及再结晶等现象的初步认识,从而建立了和生产实验密切相关的金属学这门学科。

20世纪的初叶,X射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地,使我们的认识深入到原子的水平;50年代以后,电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填补起来了,成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段;而多种能谱技术对于澄清电子结构、缺陷性质和探测化学成分起了重要作用;中子的非弹性散射提供了有关点阵振动的信息。这些实验方法为金属物理的发展作出重要贡献。

另一方面,理论物理特别是量子力学和统计物理的进展,提供了处理金属中电子结构与原子过程的理论方法,对于形成和发展金属物理这一学科也起了关键作用。

金属的电子结构与电子性能的理论,是金属物理基础理论的重要的一环。金属具有良好的导电性能是区别于其他材料的主要标志。20年代中,索末菲提出了自由电子的量子理论,后来布洛赫等用量子力学方法处理了周期势场中的电子,奠定了单电子能带理论的基础。

莫脱与琼斯1936年编著的《金属与合金性质的理论》是金属电子论的早期的总结,主要论述了简单金属的单电子理论,并用以解释金属的许多性能。随后金属电子论在多方面迅速发展,费密面的探测技术使金属的电子结构能够实验测定;提出了多种计算能带结构的方法,并能够较现实地计算金属的能带结构;发展了过渡金属与稀土金属的电子结构的理论,这对于理解结合能和磁性都是至为重要的;在多电子理论的基础上建立了超导微观理论,解决了长期悬而未决的疑难问题;第二类超导体的特性的阐明和约瑟夫森效应的发现,为超导体的技术应用开拓了新的领域。

晶体缺陷的基本规律及结构敏感性能的理论解释,是金属物理基础理论的另一支柱。金属的许多重要技术性能是结构敏感的,即受到晶体缺陷的制约。从20年代起,人们对于金属单晶的范性形变开展了系统的研究;到30年代中,泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础;50年代中,位错得到有力的实验观测证实;随即开展了大量的研究工作,澄清了金属范性形变的微观机制和强化效应的物理本质。

点缺陷的基础研究,澄清了扩散与辐照损伤的机制。晶粒间界结构对金属的性能特别是力学性能,有很大的影响。小角度的晶界可以归结为位错的行列与网络,现已经基本搞清楚,目前重点在于澄清大角度晶界的结构。金属某些电磁性能也具有结构敏感性,缺陷的钉扎效应对于硬超导体的临界电流和硬铁磁体的磁化曲线都有显著的影响。

合金理论也是金属物理的重要领域之一,是开发新合金材料所需要的理论基础。20世纪初,在吉布斯的复相平衡理论的基础上建立了合金的热力学。随后对于合金相图、合金结构,及其经验规律等方面进行了广泛的研究,积累了大量的资料。从30年代以后,合金电子理论和统计理论都有所发展,对于许多问题可以提出定性或半定量的理论解释。

金属物理的另一个重要领域就是金属与合金的相变,它和金属热处理及铸造工艺有密切关系。20年代建立了相变的成核生长的形式理论。到20世纪中叶,马氏体相变与固溶体的脱溶分解被人们关注,澄清了晶体学关系,求出了动力学规律,探讨了晶体缺陷在这些相变中的作用。

另外还有两个新兴的研究领域,值得注意:一是关于液态和非晶态金属的研究,它是无序体系物理学的一个组成部分,促进了金属玻璃材料的开发工作;另一是金属表面的研究,它是表面物理的一个组成部分,也和吸附、氧化、催化、腐蚀及磨损等实际问题密切相关。

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