金屬性能與結(jié)構(gòu)

1、Metallic Materials1本章內(nèi)容1金屬材料概述2 金屬單質(zhì)結(jié)構(gòu)3 合金結(jié)構(gòu)4 金屬材料及其應(yīng)用4.1 輕質(zhì)金屬材料4.2 鋼鐵結(jié)構(gòu)與性能4.3 非晶態(tài)金屬材料4.4 形狀記憶合金2學(xué)習(xí)目的理解金屬材料結(jié)構(gòu)與性能特點；了解各種新型金屬材料的特殊性能和結(jié)構(gòu)以及其用途。33學(xué)習(xí)參考書目楊興鈺. 材料化學(xué)導(dǎo)論. 武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2003王正品，張路，賈玉宏 主編，金屬功能材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2004李云凱 主編，金屬材料學(xué)，北京理工大學(xué)出版社，200641 1 金屬材料概論 金屬材料(metallic material):由金屬元素或以金屬元素為主的合金形成的具有金屬性質(zhì)的材

2、料。 人類使用金屬已有5000多年的歷史。在已命名的109種化學(xué)元素中，有87種屬于金屬元素。5 化學(xué)元素在地殼(地球表面下16km厚的巖石層)中的含量稱為豐度。豐度可用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，也可用原子分?jǐn)?shù)表示。地殼中某些元素的豐度元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg w% 47.2 27.6 8.80 5.1 3.6 2.64 2.60 2.10 我國鎢、鋅、銻、鋰、稀土元素等含量占世界首位，銅、錫、鉛、汞、鎳、鈦、鉬等儲量也居世界前列。6金屬元素分類金屬黑色金屬：Fe，Cr，Mn有色金屬重有色金屬：Cu，Co，Ni，Pb，Zn，Cd， Hg，Sn，Sb，Bi輕有色金屬：Al，Mg，Ca

3、，Ba，K，Na貴金屬：Ag，Au，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt輕稀有金屬：Li，Be，Rb，Cs，Sr難熔金屬：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta， Mo， W，Re稀土金屬：Y，Ln ，Sc （鑭系元素）稀散金屬：Ga，In，Tl，Ge放射性金屬：U，Ra，Ac，Th，Pa，Po稀有金屬7 金屬的物理性質(zhì) 除汞以外,所有金屬都是固體,金屬的晶體結(jié)構(gòu)決定金屬具有以下共性:(1) 不透明，具有金屬光澤;(2) 具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性;(3) 具有良好的延展性。金屬的這些特性都是由金屬內(nèi)部特有的化學(xué)鍵的性質(zhì)所決定的。8銀銅金鋁鋅鐵鉛10099746127177.9（優(yōu)）（良）金 鉛 銀 銅

4、 鐵 鋅 鋁 19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 （大）22.48 （小）鎢 鐵 銅 金 銀 鋁 錫 3410 1535 1083 1064 962 660 232 （高）（低）鉻 鐵 銀 銅 金 鋁 鉛9 45 2.54 2.53 2.53 22.9 1.5 （大）（?。?金屬之最地殼中含量最高的金屬元素目前世界年產(chǎn)量最高的金屬導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最好的金屬人體中含量最高的金屬元素熔點最高的金屬熔點最低的金屬你知道嗎？鋁鈣鐵銀鎢汞10金屬的化學(xué)性質(zhì) 金屬容易與氧、水、酸、堿反應(yīng)，失去電子形成正離子或金屬氧化物,表現(xiàn)為還原性： 與氧作用 mM + O2 MmOn(2)

5、 與水作用 M + nH2O M(OH)n + H2(g)11 與酸作用 金屬與酸的作用通常用金屬活動序來判斷。易鈍化金屬如Al、 Cr 、Fe等在濃酸中也很穩(wěn)定。溶解W用HNO3HF混合酸，溶解Pt、Au需用王水，Nb、Ta、Rh、Os、Ir等王水也不溶。與堿作用 能與堿作用的金屬主要有Zn，Be，Al，Ga，In，Ge，Sn等,如: Zn+2OH-+2H2O Zn(OH)42-+H212根據(jù)你的生活經(jīng)驗和表中提供的信息，并分析下列問題。1、為什么菜刀、鐮刀、錘子等用鐵制而不用鉛制？2、銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么電線一般用銅制而不用銀制？3、為什么燈泡里的燈絲用鎢制而不用錫制？如果用錫制的話，

6、可能出現(xiàn)什么情況？4、為什么有的鐵制品如水龍頭等要鍍鉻？如果鍍金怎么樣？137-4-1金屬晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 金屬晶體的內(nèi)部作用晶體類型結(jié)點粒子種類粒子間作用力一般性質(zhì)物質(zhì)示例金屬晶體金屬原子金屬鍵熔點、硬度差別大導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好,有金屬光澤金屬合金CuCu 原子金屬鍵熔點 Hg -38.87、W 3410 硬度 Na 0.4、Cr 9.0金屬單質(zhì)晶體中，金屬原子采取盡可能緊密堆積方式，所以一般金屬密度較大每個原子被較多的相同原子包圍，一般配位數(shù)較大147-4-2金屬鍵 金屬鍵金屬鍵自由電子氣把金屬陽離子“膠 合”成金屬晶體的結(jié)合力含義金屬原子的電負(fù)性和電離能較小，價電子容易脫離原子的束縛

7、，在陽離子之間可以自由運動，形成離域的自由電子氣。特征: 無飽和性和方向性使金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性15金屬鍵金屬鍵是一種遍布整個晶體的離域化學(xué)鍵。金屬晶體是以金屬鍵為基本作用力的晶體。金屬鍵：金屬晶體中原子之間的化學(xué)作用力。 金屬鍵無方向性，無固定的鍵能，金屬鍵的強弱和自由電子的多少有關(guān)，也和離子半徑、電子層結(jié)構(gòu)等其它許多因素有關(guān)。 金屬鍵的強弱可以用金屬原子化熱等來衡量。 金屬原子化熱是指 1 mol 金屬變成氣態(tài)原子所需要的熱量。金屬原子化熱數(shù)值小時，其熔點低， 質(zhì)地軟；反之則熔點高，硬度大。1617（1）Metallic bond1718金屬鍵示意圖18金屬鍵 理論電子氣理

8、論（自由電子理論）金屬原子半徑比較大、價電子數(shù)目較少、電離能較低、電子容易從金屬原子上脫落下來(自由電子)，為所有金屬原子所共用。金屬鍵金屬離子通過吸引自由電子聯(lián)系在一起, 形成金屬晶體. 形象說法: “失去電子的金屬離子浸在自由電子的海洋中”. “少電子多中心”的鍵即為金屬鍵一種離域的共價鍵， 無方向性和飽和性。自由電子+金屬離子金屬原子位錯+19金屬鍵 理論導(dǎo)電性：在外電壓的作用下, 自由電子可以定向移動. 金屬光澤：金屬可以吸收波長范圍極廣的光, 并重新反射出, 故金屬晶體不透明。導(dǎo)熱：受熱時通過自由電子的碰撞及其與金屬離子之間的碰撞, 傳遞能量. 延展性：由于在結(jié)構(gòu)上自由電子只有膠合作

9、用，當(dāng)金屬晶體受外力作用時，金屬陽離子及原子間易產(chǎn)生滑動而不易斷裂，因此金屬經(jīng)機械加工可加工成薄片或拉成金屬紉絲，表現(xiàn)出良好的延展性。電子氣理論（自由電子理論）207-4-3 金屬的能帶理論金屬的能帶理論應(yīng)用分子軌道理論研究金屬晶體中原子間的結(jié)合力，逐漸發(fā)展成金屬鍵的能帶理論。把一塊金屬看作一個大分子，用分子軌道理論來描述金屬晶體內(nèi)電子的運動狀態(tài)。假定原子核位于金屬晶體的晶格結(jié)點上，構(gòu)成一個聯(lián)合核勢場，電子分布在分子軌道內(nèi)，而價電子作為自由電子 ( 即離域電子 )，可在晶體內(nèi)金屬原子間運動，不屬于任何一個原子。金屬晶體塊的大分子概念21能帶概念假如一塊鋰金屬有n個原子組成，n個2s原子軌道組成

10、n個分子軌道，這n個分子軌道的能級非常接近，幾乎形成能量連續(xù)的能帶。能帶由n條能級相同的原子軌道組成能量幾乎連續(xù)的n條分子軌道2s 能帶由2s 原子軌道組成的能帶22如Li 1s22s1 1s分子軌道能帶按能帶的能級和電子在能帶中的分布不同，能帶有多種：滿帶，導(dǎo)帶和禁帶能帶種類滿帶：充滿電子的低能量能帶導(dǎo)帶禁帶滿帶n個2sn個1s半滿滿能量原子軌道能帶電子充填情況23導(dǎo)帶禁帶滿帶n個2sn個2s半滿滿能量原子軌道能帶電子充填情況如 Li 1s22s1 1s能帶和2s能帶之間的間隙禁帶是電子的禁區(qū), 電子是不能在此停留的。 若禁帶不太寬, 電子獲能量可從滿帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶; 若禁帶太寬, 躍

11、遷難以進行。禁帶：相鄰的能帶間的間隙24能帶的重疊金屬的緊密堆積結(jié)構(gòu)使金屬原子核間距一般都很小，使形成的能帶之間的間隙一般也都很小，甚至?xí)霈F(xiàn)重疊現(xiàn)象25能帶理論可解釋金屬的某些物理性質(zhì)導(dǎo)電能量導(dǎo)帶禁帶滿帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體導(dǎo)體:在外電場下，導(dǎo)帶中的電子在能帶中做定向運動，形成電流而導(dǎo)電絕緣體:電子都在滿帶上，且禁帶較寬，難以躍遷, 不能導(dǎo)電半導(dǎo)體: 禁帶較窄, 滿帶中的電子易被激發(fā),越過禁帶到導(dǎo)帶上，增加導(dǎo)電能力。26能帶理論可解釋金屬的某些物理性質(zhì)金屬光澤能量導(dǎo)帶禁帶滿帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體光照時，導(dǎo)帶中的電子可吸收光能躍遷到能量較高的能帶上，當(dāng)電子返回時把吸收的能量又發(fā)射出來，使金屬具

12、有金屬光澤。27能帶理論可解釋金屬的某些物理性質(zhì)導(dǎo)熱性能量導(dǎo)帶禁帶滿帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體局部加熱時，電子運動和核的振動，可進行傳熱，使金屬具有導(dǎo)熱性。28能帶理論可解釋金屬的某些物理性質(zhì)延展性能量導(dǎo)帶禁帶滿帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體受力作用時, 原子在導(dǎo)帶中自由電子的潤滑下, 可以相互滑動,而能帶并不被破壞。29一、晶體結(jié)構(gòu)的密堆積原理 密堆積結(jié)構(gòu)： 在由無方向的金屬鍵力、離子鍵力和范德華力等化學(xué)鍵力結(jié)合的晶體中，原子、離子和分子等微?？偸勤呄蛴谙嗷ヅ湮粩?shù)高，能充分利用空間的堆積密度大的那些結(jié)構(gòu)。密堆積方式由于充分利用了空間，從而可使體系的勢能盡可能降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。2 金屬單質(zhì)的結(jié)構(gòu)30二、金屬

13、晶體結(jié)構(gòu)密堆積的幾種常見形式 金屬原子的最外層電子在金屬晶體中是自由移動的，而金屬離子用等經(jīng)圓球的最密堆積模型來進行堆積，形成金屬晶體的骨架。自由移動的電子象一種帶負(fù)電荷的粘合劑將這種堆積粘合在一起。這種自由電子我們用三維勢箱模型和電子能帶理論進行處理。本節(jié)課我們專門討論怎樣用等徑圓球的密堆積模型來形成這種骨架。1、等徑球的最緊密堆積模型312、密置列、密置層和密置雙層 密置列： 沿直線方向?qū)⒌葟綀A球緊密排列成一列叫做密置列，它只有一種排列方式。若把每個球作為一個結(jié)構(gòu)基元，則可抽象出一直線點陣。（如下圖）a32 密置層： 沿二維空間伸展的等徑圓球的最密堆積形式叫密置層，它只有一種排列方式。（如

14、圖2）在密置層中每個球都與周圍六個球緊密接觸，配位數(shù)為6，三個球形成一個三角形空隙，因此每個球分?jǐn)們蓚€三角形空隙。 圖2：等徑圓球的密置層 若把每個球作為一個結(jié)構(gòu)基元，可由密置層抽出一個平面六方點陣，正當(dāng)格子為平面六方格子。33 密置雙層： 將兩個密置層（分別稱為A層和B層）疊加起來作最密堆積稱為密置雙層，這也只有一種疊合方式。圖3（a） 疊合過程為：將第二層球的球心投影到第一層中由三個球所圍成的三角形空隙的中心上，及上、下兩層密置層相互接觸并平行地互相錯開。如下圖：34 在密置雙層中可形成兩種空隙：即四面體空隙（ 3個相鄰的A球+1個B球或3B+A）和八面體空隙（由3個A球和3個B球結(jié)合而成

15、，兩層球的投影位置相互錯開60，連接這六個球的球心得到一個正八面體3A+3B)。 如下圖所示 (c)正八面體空隙(b)正四面體空隙3536A1型最密堆積（面心立方）和A3型最密堆積（六方） A2型密堆積（體心立方）金屬晶體的堆積模型3637bccfcchcp演示3738Coordination NumberAtomic Packing Factor 38金屬晶體的結(jié)構(gòu)3839(1) bcc（1）bcc body-centered cubic structure堿金屬、-Fe 、難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等3940a ：晶格單位長度R ：原子半徑單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc4

16、041(2) fcc（2）fcc face-centered cubic structureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，貴金屬以及奧氏體不銹鋼等 41 a 、 在密置雙層AB的基礎(chǔ)上，第三層球的球心投影到AB層的正八面體空隙的中心上且與B層緊鄰，稱第三層為C層。以后第四、五、六層的投影位置分別與第一、二、三層重合。ABCABC型堆積面心立方最密堆積（A1)型42 b、 把每個球當(dāng)成一個結(jié)構(gòu)基元，A1型堆積可抽出一個立方面心晶胞。（如圖5b）ABC(b) 面心立方晶胞ABBBBBCCCCC43(c) 配位情況4ra（d）晶胞參數(shù)與圓球半徑的關(guān)系 晶胞中含有四個球，其分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為（0、0、0）、（

17、1/2、1/2、0）、（1/2、0、1/2）、（0、1/2、1/2）。8個四面體空隙分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為（1/4、 1/4 、 1/4 ）、（3/4、3/4、1/4）、（3/4、1/4、3/4）、（1/4、3/4、3/4） （3/4、 3/4 、 3/4 ）、（1/4、1/4、3/4）、（1/4、3/4、1/4）、（3/4、1/4、1/4）。 4個八面體空隙分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為（1/2、 1/2 、 1/2 ）、（0、0、1/2）、（0、1/2、0）、（1/2、0、0） 44 在立方面心晶胞中，有8個四面體空隙，4個八面體空隙，見圖4546fccn = 44647(3) hcp（3）hcp hexagonal c

18、lose-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等 473、六方最密堆積（A3)型 在密置雙層的基礎(chǔ)上將第3層球堆上去，第層與層接觸，其球心的投影與球的球心重合，稱第層為層。同理第四層為層，依此類推。型堆積記為型堆積。圖4(a)4849hcpn = 649 (4) A4 型堆積(金剛型或四面體型堆積) A4中原子以四面體鍵相連. 晶胞中雖然都是同種原子, 但所處的環(huán)境不同(球棍圖中用兩色顏色來區(qū)分). 一個淺藍色球與一個深藍色球共同構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)基元.C,Ge,灰錫50 A4 型堆積的配位數(shù)為 4，堆積密度只有34.01%，不屬于密堆積結(jié)構(gòu). 晶胞中有 8 個C，

19、屬立方面心點陣， 1 個結(jié)構(gòu)基元代表 2個C。51空間利用率 =堆積系數(shù)52 金屬單質(zhì)的結(jié)構(gòu)情況 絕大多數(shù)單質(zhì)為A1, A3, A2型, 少數(shù)為A4及其它特殊堆積方式, 總結(jié)如下表: 表2 金屬單質(zhì)晶體幾種典型的結(jié)構(gòu)53 金屬原子的半徑 確定金屬單質(zhì)的結(jié)構(gòu)型式與晶胞參數(shù)后, 就可求得金屬原子的半徑 r. 半徑r與晶胞參數(shù)a的關(guān)系如下:A1型: (體對角線); A3型: A2型: A4型: 例如: 對A1型 Cu, a = 361.4 pm(面對角線); (體對角線); 54 配位數(shù)與半徑的關(guān)系: 當(dāng)配位數(shù)由12減小到4時, 實際上鍵型也由金屬鍵過渡到共價鍵. 配位數(shù)降低, 金屬原子的半徑減小. 換算系數(shù)如下：配位數(shù) 12 8 6 4 相對半徑比 1.00 0.97 0.96 0.88 表3-2-2給出的是室溫下穩(wěn)定晶型的實際運子的相應(yīng)堆積型式下的半徑, 而并非配位數(shù)為12時的半徑.一般手冊中的金屬半徑都以4換算成配位數(shù)為12時的半徑,與上表會出現(xiàn)不一致.55 金屬元素中具有面心立方，密集六方和體心立方三種典型結(jié)構(gòu)的金屬占了絕大多數(shù)。許多金屬中存在多種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，這說明三種結(jié)構(gòu)之間能量差異不大。 堿金屬一般具有體心立方結(jié)構(gòu)（A2），但在低溫時可轉(zhuǎn)