金属物理学

学科名称

金属物理学（metals, physics of）是研究金属和合金的结构与性能关系的科学。亦即从电子、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分支。

简史

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，则始于19世纪：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，建立了和生产实验密切相关的金属学。20世纪初，X射线衍射方法的应用，使金属研究深入到原子的水平；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，成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段；多种能谱技术、包括电磁波谱和机械振动谱（内耗与超声衰减）的应用，对于澄清金属中的电子结构、缺陷性质和探测化学成分起重要作用；中子的非弹性散射又提供有关点阵振动的信息。这些实验方法为金属物理学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学）的进展，提供了处理金属中电子结构和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。

学科性质

固体物理学的一个分支。固体物理学是讨论原子、分子等在晶体内的结合和周期性排列所呈现的显著性质。这些性质可由固体的简单模型加以解释。金属物理学是应用物理学的理论（如能带理论、铁磁理论、晶体缺陷等）和方法，研究金属及合金的物理性能、机械性能、扩散、相变等，并为适应工业和现代新技术的需要，寻求具有特殊性能的新型合金。

金属电子论

金属电子论是研究金属的电子的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世纪20年代A.索末菲提出了自由电子的量子理论，后来F.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（见能带）。N.莫脱与H.琼斯所著的《金属与合金性质的理论》（1936）就是金属电子论的早期总结，主要讨论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：费米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极重要的。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。进一步的金属电子理论就需要考虑电子之间的相互作用（即关联性），如果这种相互作用是适度的（即所谓中等电子关联系统），朗道所提出的费米液体理论给予了合适的描述；而巡游电子理论给予金属铁磁性以理论解释；BCS超导微观理论，则对予金属与合金的超导问题给予了成功的理论解释。至于强关联电子系统一般表现为不良金属。氧化物由于掺杂而获得导电性，处于金属－绝缘体转变的边界，往往出现反常的电子行为。如铜氧化物的高温超导电性、锰氧化物的庞磁电阻，理论的解释相当困难，问题尚有待解决。

晶体缺陷理论

晶体缺陷理论是关于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。实用金属材料的塑性与强度就是一个例子。20世纪20年代起，对于金属单晶的塑性形变开展了系统的研究。到30年代中期，G.泰勒与J.伯格斯等奠定了晶体位错理论的基础。50年代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，澄清了金属塑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（即晶界）结构对金属的性能特别是力学性能有甚大的影响。小角度的晶界可归结为位错的行列与网络，已经基本搞清楚。如今重点在于澄清大角度晶界的结构。晶体缺陷理论还可以推广到不均匀的电磁介质，如朗道与栗夫席兹的铁磁介质的磁畴理论和阿布里科索夫的Ⅱ类超导体的磁通列阵理论，都得到了实验的证实。通常的晶体缺陷对磁畴壁和磁通列阵都会钉扎或产生其他相互作用。前者影响到铁磁体的磁化曲线；后者影响到Ⅱ类超导体的磁化曲线和临界电流。这是硬铁磁体和硬超导体具有强烈的结构敏感性的物理根源。

合金理论

合金理论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J.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。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、半定量乃至于定量的理论解释。

相变

金属物理的另一个重要领域就是金属与合金的相变（见固体相变），它和金属热处理及铸造工艺有密切关系。20世纪20年代建立了相变的成核生长的形式理论。到20世纪中期，马氏体相变与固溶体的脱溶分解被人们关注，澄清了与晶体学的关系，求出了动力学规律，探讨了晶体缺陷在这些相变中的作用。这方面的工作全面总结在J.克里斯琴的专著《金属与合金的相变理论》之中。一些值得注意的发展动向为：脱溶的拐点分解规律的阐明，这是不经成核的相变过程；将软膜理论应用于马氏体相变，有可能揭示其原子过程；将形态稳定性理论应用于合金的凝固和相变，有可能阐明实际合金中所出现的复杂的显微组织（见晶体生长理论）。

物理性能分析

选择适当的物理参量进行测定，以研究金属内部组织结构变化规律。通常包括：热分析、电阻分析、磁性分析、膨胀分析、热电分析、内耗分析、弹性分析和穆斯堡尔谱分析等。这些方法的一般特点是：速度快，既可研究测定一定的组织状态，也可综观组织变化的动态全貌。几种常用的物理性能分析法，其中热分析金属和合金的组织变化过程常伴有明显的吸热或放热，利用热效应分析金属及合金组织状态转变（见固态相变）。

热分析曲线是在一定的加热或冷却速率下测定试样的温度升高和加热时间或温度降低和冷却时间的关系曲线。为了准确测定温度，提高测量的灵敏度及精确度，可以测定一定温度间隔变化所需要的时间；也可以采用在测定的温度范围内不发生相变的标准试样作为参考，将被测试样和标准试样放在同一加热或冷却过程的环境中，测定试样与标准试样的温度差与时间的关系，即建立示差热分析曲线。热分析方法是测定合金相图的基本方法之一，也用于研究钢中过冷奥氏体的转变过程。利用热效应还可用以研究有序无序转变、淬火钢的回火、合金时效（见脱溶）以及冷变形金属加热时形变能的释放等过程。

新兴研究领域

另外，还有三个新兴的研究领域：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（见非晶态材料）；二是金属表面的研究，它是表面物理的一个组成部分，也和吸氧化、催化、腐蚀及磨损等实际问题密切相关；三是金属纳米结构与纳米材料，从电子性质而言，最重要的是纳米多层膜的巨磁电阻效应与巨隧道磁电阻效应的应用，开创了自旋电子学这一新科技领域。从力学性质而言，可能获得高温度和良好塑性的新型纳米颗粒材料。