基本介紹
- 中文名：金屬物理學
- 外文名：metals, physics of
- 內容：研究金屬和合金的結構與性能關係
- 特徵：金屬在微觀領域的運動和相互作用
- 對象：金屬和合金
- 學科：固體物理學的分支
簡史,學科性質,金屬電子論,晶體缺陷理論,合金理論,相變,物理性能分析,新興研究領域,相關學科,
簡史
人類在生產實踐中套用金屬與合金材料已經有幾千年的歷史。但以金屬與合金為對象進行認真的科學研究，則始於19世紀：初步研究了金屬與合金的力學、電學和磁學等性質，並以金相顯微鏡觀察金屬的顯微組織，取得了對合金的凝固、固態相變及再結晶等現象的初步認識，建立了和生產實驗密切相關的金屬學。20世紀初，X射線衍射方法的套用，使金屬研究深入到原子的水平；50年代以後，電子顯微鏡的使用，將顯微組織和晶體結構之間的空白區域填補起來，成為研究晶體缺陷和探明金屬實際結構的主要手段；多種能譜技術、包括電磁波譜和機械振動譜（內耗與超聲衰減）的套用，對於澄清金屬中的電子結構、缺陷性質和探測化學成分起重要作用；中子的非彈性散射又提供有關點陣振動的信息。這些實驗方法為金屬物理學的發展作出重要貢獻。另一方面，理論物理（特別是量子力學和統計物理學）的進展，提供了處理金屬中電子結構和原子過程的理論方法，對於形成和發展金屬物理這一學科也起了關鍵作用。
金屬物理學
金屬物理學學科性質
固體物理學的一個分支。固體物理學是討論原子、分子等在晶體內的結合和周期性排列所呈現的顯著性質。這些性質可由固體的簡單模型加以解釋。金屬物理學是套用物理學的理論（如能帶理論、鐵磁理論、晶體缺陷等）和方法，研究金屬及合金的物理性能、機械性能、擴散、相變等，並為適應工業和現代新技術的需要，尋求具有特殊性能的新型合金。
金屬電子論
金屬電子論是研究金屬的電子的結構與電子性能的理論，是金屬物理基礎理論的重要的一環。金屬具有良好的導電性能是區別於其他材料的主要標誌。20世紀20年代A.索末菲提出了自由電子的量子理論，後來F.布洛赫等用量子力學方法處理了周期勢場中的電子，奠定了單電子能帶理論的基礎（見能帶）。N.莫脫與H.瓊斯所著的《金屬與合金性質的理論》（1936）就是金屬電子論的早期總結，主要討論簡單金屬的單電子理論，並用以解釋金屬的許多性能。隨後金屬電子論在多方面迅速發展：費米面的探測技術使金屬的電子結構能夠實驗測定；提出了多種計算能帶結構的方法，並能夠較現實地計算金屬的能帶結構；發展了過渡金屬與稀土金屬的電子結構的理論，這對於理解結合能和磁性都是極重要的。第二類超導體的特性的闡明和約瑟夫森效應的發現，為超導體的技術套用開拓了新的領域。進一步的金屬電子理論就需要考慮電子之間的相互作用（即關聯性），如果這種相互作用是適度的（即所謂中等電子關聯繫統），朗道所提出的費米液體理論給予了合適的描述；而巡遊電子理論給予金屬鐵磁性以理論解釋；BCS超導微觀理論，則對予金屬與合金的超導問題給予了成功的理論解釋。至於強關聯電子系統一般表現為不良金屬。氧化物由於摻雜而獲得導電性，處於金屬－絕緣體轉變的邊界，往往出現反常的電子行為。如銅氧化物的高溫超導電性、錳氧化物的龐磁電阻，理論的解釋相當困難，問題尚有待解決。
電子顯微鏡
電子顯微鏡晶體缺陷理論
晶體缺陷理論是關於晶體缺陷的基本規律及結構敏感性能的理論解釋，是金屬物理基礎理論的另一支柱。金屬的許多重要技術性能是結構敏感的，即受到晶體缺陷的制約。實用金屬材料的塑性與強度就是一個例子。20世紀20年代起，對於金屬單晶的塑性形變開展了系統的研究。到30年代中期，G.泰勒與J.伯格斯等奠定了晶體位錯理論的基礎。50年代位錯得到有力的實驗觀測證實，隨即開展了大量的研究工作，澄清了金屬塑性形變的微觀機制和強化效應的物理本質。點缺陷的基礎研究澄清了擴散與輻照損傷的機制。晶粒間界（即晶界）結構對金屬的性能特別是力學性能有甚大的影響。小角度的晶界可歸結為位錯的行列與網路，已經基本搞清楚。如今重點在於澄清大角度晶界的結構。晶體缺陷理論還可以推廣到不均勻的電磁介質，如朗道與栗夫席茲的鐵磁介質的磁疇理論和阿布里科索夫的Ⅱ類超導體的磁通列陣理論，都得到了實驗的證實。通常的晶體缺陷對磁疇壁和磁通列陣都會釘扎或產生其他相互作用。前者影響到鐵磁體的磁化曲線；後者影響到Ⅱ類超導體的磁化曲線和臨界電流。這是硬鐵磁體和硬超導體具有強烈的結構敏感性的物理根源。
合金理論
合金理論是金屬物理的重要領域之一，是開發新合金材料所需要的理論基礎。20世紀初在J.吉布斯的復相平衡理論的基礎上建立了合金的熱力學。隨後對於合金相圖、合金結構及其經驗規律等方面進行了廣泛的研究，積累了大量的資料。30年代以後，合金電子理論和統計理論都有所發展，對於許多問題可以提出定性、半定量乃至於定量的理論解釋。
相變
金屬物理的另一個重要領域就是金屬與合金的相變（見固體相變），它和金屬熱處理及鑄造工藝有密切關係。20世紀20年代建立了相變的成核生長的形式理論。到20世紀中期，馬氏體相變與固溶體的脫溶分解被人們關注，澄清了與晶體學的關係，求出了動力學規律，探討了晶體缺陷在這些相變中的作用。這方面的工作全面總結在J.克里斯琴的專著《金屬與合金的相變理論》之中。一些值得注意的發展動向為：脫溶的拐點分解規律的闡明 ，這是不經成核的相變過程；將軟膜理論套用於馬氏體相變，有可能揭示其原子過程；將形態穩定性理論套用於合金的凝固和相變，有可能闡明實際合金中所出現的複雜的顯微組織（見晶體生長理論）。
物理性能分析
選擇適當的物理參量進行測定，以研究金屬內部組織結構變化規律。通常包括：熱分析、電阻分析、磁性分析、膨脹分析、熱電分析、內耗分析、彈性分析和穆斯堡爾譜分析等。這些方法的一般特點是：速度快，既可研究測定一定的組織狀態，也可綜觀組織變化的動態全貌。幾種常用的物理性能分析法，其中熱分析金屬和合金的組織變化過程常伴有明顯的吸熱或放熱，利用熱效應分析金屬及合金組織狀態轉變（見固態相變）。
金屬物理學儀器
金屬物理學儀器熱分析曲線是在一定的加熱或冷卻速率下測定試樣的溫度升高和加熱時間或溫度降低和冷卻時間的關係曲線。為了準確測定溫度，提高測量的靈敏度及精確度，可以測定一定溫度間隔變化所需要的時間；也可以採用在測定的溫度範圍內不發生相變的標準試樣作為參考，將被測試樣和標準試樣放在同一加熱或冷卻過程的環境中，測定試樣與標準試樣的溫度差與時間的關係，即建立示差熱分析曲線。熱分析方法是測定合金相圖的基本方法之一，也用於研究鋼中過冷奧氏體的轉變過程。利用熱效應還可用以研究有序無序轉變、淬火鋼的回火、合金時效（見脫溶）以及冷變形金屬加熱時形變能的釋放等過程。
新興研究領域
另外，還有三個新興的研究領域：一是關於液態和非晶態金屬的研究，它是無序體系物理學的一個組成部分，促進了金屬玻璃材料的開發工作（見非晶態材料）；二是金屬表面的研究，它是表面物理的一個組成部分，也和吸氧化、催化、腐蝕及磨損等實際問題密切相關；三是金屬納米結構與納米材料，從電子性質而言，最重要的是納米多層膜的巨磁電阻效應與巨隧道磁電阻效應的套用，開創了自旋電子學這一新科技領域。從力學性質而言，可能獲得高溫度和良好塑性的新型納米顆粒材料。
