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(diǎn)；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(shū)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(lèi)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(chēng)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(guó)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(chǔ)量也居世界前列。6金屬元素分類(lèi)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 （?。╂u 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）（小）9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(diǎn)最高的金屬熔點(diǎn)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(dòng)序來(lái)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(yàn)和表中提供的信息，并分析下列問(wèn)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(xiàn)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(huà)，

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(lèi)型結(jié)點(diǎn)粒子種類(lèi)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(diǎn)、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(diǎn) 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(gè)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(yáng)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(jià)電子容易脫離原子的束縛

7、，在陽(yáng)離子之間可以自由運(yùn)動(dòng)，形成離域的自由電子氣。特征: 無(wú)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(gè)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(wú)方向性，無(wú)固定的鍵能，金屬鍵的強(qiáng)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(qiáng)弱可以用金屬原子化熱等來(lái)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(shí)，其熔點(diǎn)低， 質(zhì)地軟；反之則熔點(diǎn)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(jià)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(lái)(自由電子)，為所有金屬原子所共用。金屬鍵金屬離子通過(guò)吸引自由電子聯(lián)系在一起, 形成金屬晶體. 形象說(shuō)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(jià)鍵， 無(wú)方向性和飽和性。自由電子+金屬離子金屬原子位錯(cuò)+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(dòng). 金屬光澤：金屬可以吸收波長(zhǎng)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(shí)通過(guò)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(shí)，金屬陽(yáng)離子及原子間易產(chǎn)生滑動(dòng)而不易斷裂，因此金屬經(jīng)機(jī)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(gè)大分子，用分子軌道理論來(lái)描述金屬晶體內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。假定原子核位于金屬晶體的晶格結(jié)點(diǎn)上，構(gòu)成一個(gè)聯(lián)合核勢(shì)場(chǎng)，電子分布在分子軌道內(nèi)，而價(jià)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(yùn)動(dòng)，不屬于任何一個(gè)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(gè)原子組成，n個(gè)2s原子軌道組成

10、n個(gè)分子軌道，這n個(gè)分子軌道的能級(jí)非常接近，幾乎形成能量連續(xù)的能帶。能帶由n條能級(jí)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(jí)和電子在能帶中的分布不同，能帶有多種：滿(mǎn)帶，導(dǎo)帶和禁帶能帶種類(lèi)滿(mǎn)帶：充滿(mǎn)電子的低能量能帶導(dǎo)帶禁帶滿(mǎn)帶n個(gè)2sn個(gè)1s半滿(mǎn)滿(mǎn)能量原子軌道能帶電子充填情況23導(dǎo)帶禁帶滿(mǎn)帶n個(gè)2sn個(gè)2s半滿(mǎn)滿(mǎn)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(mǎn)帶越過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶; 若禁帶太寬, 躍

11、遷難以進(jìn)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(mǎn)帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體導(dǎo)體:在外電場(chǎng)下，導(dǎo)帶中的電子在能帶中做定向運(yùn)動(dòng)，形成電流而導(dǎo)電絕緣體:電子都在滿(mǎn)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(mǎn)帶中的電子易被激發(fā),越過(guò)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(mǎn)帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體光照時(shí)，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(shí)把吸收的能量又發(fā)射出來(lái)，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(mǎn)帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體局部加熱時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)和核的振動(dòng)，可進(jìn)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(mǎn)帶導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體受力作用時(shí), 原子在導(dǎo)帶中自由電子的潤(rùn)滑下, 可以相互滑動(dòng),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(wú)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、離子和分子等微粒總是趨向于相互配位數(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(shì)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(jiàn)形式 金屬原子的最外層電子在金屬晶體中是自由移動(dòng)的，而金屬離子用等經(jīng)圓球的最密堆積模型來(lái)進(jìn)行堆積，形成金屬晶體的骨架。自由移動(dòng)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(shì)箱模型和電子能帶理論進(jìn)行處理。本節(jié)課我們專(zhuān)門(mén)討論怎樣用等徑圓球的密堆積模型來(lái)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(xiàn)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(gè)球作為一個(gè)結(jié)構(gòu)基元，則可抽象出一直線(xiàn)點(diǎn)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(gè)球都與周?chē)鶄€(gè)球緊密接觸，配位數(shù)為6，三個(gè)球形成一個(gè)三角形空隙，因此每個(gè)球分?jǐn)們蓚€(gè)三角形空隙。 圖2：等徑圓球的密置層 若把每個(gè)球作為一個(gè)結(jié)構(gòu)基元，可由密置層抽出一個(gè)平面六方點(diǎn)陣，正當(dāng)格子為平面六方格子。33 密置雙層： 將兩個(gè)密置層（分別稱(chēng)為A層和B層）疊加起來(lái)作最密堆積稱(chēng)為密置雙層，這也只有一種疊合方式。圖3（a） 疊合過(guò)程為：將第二層球的球心投影到第一層中由三個(gè)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(cuò)開(kāi)。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(gè)相鄰的A球+1個(gè)B球或3B+A）和八面體空隙（由3個(gè)A球和3個(gè)B球結(jié)合而成

15、，兩層球的投影位置相互錯(cuò)開(kāi)60，連接這六個(gè)球的球心得到一個(gè)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(zhǎng)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(chēng)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(gè)球當(dāng)成一個(gè)結(jié)構(gòu)基元，A1型堆積可抽出一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)四面體空隙，4個(gè)八面體空隙，見(jiàn)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(chēng)第層為層。同理第四層為層，依此類(lèi)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(lái)區(qū)分). 一個(gè)淺藍(lán)色球與一個(gè)深藍(lán)色球共同構(gòu)成一個(gè)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(gè)C，

19、屬立方面心點(diǎn)陣， 1 個(gè)結(jié)構(gòu)基元代表 2個(gè)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(duì)角線(xiàn)); A3型: A2型: A4型: 例如: 對(duì)A1型 Cu, a = 361.4 pm(面對(duì)角線(xiàn)); (體對(duì)角線(xiàn)); 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(shí), 實(shí)際上鍵型也由金屬鍵過(guò)渡到共價(jià)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(duì)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(shí)際運(yùn)子的相應(yīng)堆積型式下的半徑, 而并非配位數(shù)為12時(shí)的半徑.一般手冊(cè)中的金屬半徑都以4換算成配位數(shù)為12時(shí)的半徑,與上表會(huì)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(shuō)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(shí)可轉(zhuǎn)