金属性能与结构.ppt

金属材料,Metallic Materials,1,Metallic Materials,本章内容,1金属材料概述2 金属单质结构3 合金结构4 金属材料及其应用4.1 轻质金属材料4.2 钢铁结构与性能4.3 非晶态金属材料4.4 形状记忆合金,2,学习目的,理解金属材料结构与性能特点；了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用途。,3,3,Metallic Materials,学习参考书目,杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，2003王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工业出版社，2004李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社，2006,4,Metallic Materials,1 1 金属材料概论 金属材料(metallic material):由金属元素或以金属元素为主的合金形成的具有金属性质的材料。,人类使用金属已有5000多年的历史。在已命名的109种化学元素中，有87种属于金属元素。,化学元素在地壳(地球表面下16km厚的岩石层)中的含量称为丰度。丰度可用质量分数表示，也可用原子分数表示。,地壳中某些元素的丰度,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,我国钨、锌、锑、锂、稀土元素等含量占世界首位，铜、锡、铅、汞、镍、钛、钼等储量也居世界前列。,金属元素分类,金属,黑色金属：Fe，Cr，Mn,有色金属,重有色金属：Cu，Co，Ni，Pb，Zn，Cd，Hg，Sn，Sb，Bi,轻有色金属：Al，Mg，Ca，Ba，K，Na,贵金属：Ag，Au，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt,轻稀有金属：Li，Be，Rb，Cs，Sr,难熔金属：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Mo，W，Re,稀土金属：Y，Ln，Sc（镧系元素）,稀散金属：Ga，In，Tl，Ge,放射性金属：U，Ra，Ac，Th，Pa，Po,稀有金属,金属的物理性质 除汞以外,所有金属都是固体,金属的晶体结构决定金属具有以下共性:,(1)不透明，具有金属光泽;,(2)具有良好的导电性和导热性;,(3)具有良好的延展性。,金属的这些特性都是由金属内部特有的化学键的性质所决定的。,银,铜,金,铝,锌,铁,铅,100,99,74,61,27,17,7.9,（优）,（良）,金 铅 银 铜 铁 锌 铝,19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70,（大）22.48,（小）,钨 铁 铜 金 银 铝 锡,3410 1535 1083 1064 962 660 232,（高）,（低）,铬 铁 银 铜 金 铝 铅,9 45 2.54 2.53 2.53 22.9 1.5,（大）,（小）,金属之最,地壳中含量最高的金属元素,目前世界年产量最高的金属,导电、导热性最好的金属,人体中含量最高的金属元素,熔点最高的金属,熔点最低的金属,你知道吗？,铝,钙,铁,银,钨,汞,金属的化学性质 金属容易与氧、水、酸、碱反应，失去电子形成正离子或金属氧化物,表现为还原性：,与氧作用 mM+O2 MmOn,(2)与水作用 M+nH2O M(OH)n+H2(g),与酸作用 金属与酸的作用通常用金属活动序来判断。易钝化金属如Al、Cr、Fe等在浓酸中也很稳定。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。,与碱作用 能与碱作用的金属主要有Zn，Be，Al，Ga，In，Ge，Sn等,如:Zn+2OH-+2H2O Zn(OH)42-+H2,根据你的生活经验和表中提供的信息，并分析下列问题。,1、为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铅制？,2、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？,3、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能出现什么情况？,4、为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬？如果镀金怎么样？,7-4-1金属晶体的内部结构,金属晶体的内部作用,7-4-2金属键,金属键,金属键自由电子气把金属阳离子“胶 合”成金属晶体的结合力,金属键,金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。金属晶体是以金属键为基本作用力的晶体。,金属键：金属晶体中原子之间的化学作用力。,金属键无方向性，无固定的键能，金属键的强弱和自由电子的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关。,金属键的强弱可以用金属原子化热等来衡量。金属原子化热是指 1 mol 金属变成气态原子所需要的热量。金属原子化热数值小时，其熔点低，质地软；反之则熔点高，硬度大。,17,（1）Metallic bond,18,金属键示意图,金属键 理论,电子气理论（自由电子理论）,金属原子半径比较大、价电子数目较少、电离能较低、电子容易从金属原子上脱落下来(自由电子)，为所有金属原子所共用。,金属键金属离子通过吸引自由电子联系在一起,形成金属晶体.,形象说法:“失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中”.,“少电子多中心”的键即为金属键一种离域的共价键，无方向性和饱和性。,金属键 理论,导电性：在外电压的作用下,自由电子可以定向移动.,金属光泽：金属可以吸收波长范围极广的光,并重新反射出,故金属晶体不透明。,导热：受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞,传递能量.,延展性：由于在结构上自由电子只有胶合作用，当金属晶体受外力作用时，金属阳离子及原子间易产生滑动而不易断裂，因此金属经机械加工可加工成薄片或拉成金属纫丝，表现出良好的延展性。,电子气理论（自由电子理论）,7-4-3 金属的能带理论,金属的能带理论,应用分子轨道理论研究金属晶体中原子间的结合力，逐渐发展成金属键的能带理论。,能带概念,假如一块锂金属有n个原子组成，n个2s原子轨道组成n个分子轨道，这n个分子轨道的能级非常接近，几乎形成能量连续的能带。,能带由n条能级相同的原子轨道组成能量几乎连续的n条分子轨道,2s 能带由2s 原子轨道组成的能带,如Li 1s22s1 1s分子轨道能带,按能带的能级和电子在能带中的分布不同，能带有多种：满带，导带和禁带,能带种类,如 Li 1s22s1 1s能带和2s能带之间的间隙,禁带是电子的禁区,电子是不能在此停留的。,若禁带不太宽,电子获能量可从满带越过禁带跃迁到导带;若禁带太宽,跃迁难以进行。,能带的重叠,金属的紧密堆积结构使金属原子核间距一般都很小，使形成的能带之间的间隙一般也都很小，甚至会出现重叠现象,能带理论可解释金属的某些物理性质,导体:在外电场下，导带中的电子在能带中做定向运动，形成电流而导电,绝缘体:电子都在满带上，且禁带较宽，难以跃迁,不能导电,半导体:禁带较窄,满带中的电子易被激发,越过禁带到导带上，增加导电能力。,能带理论可解释金属的某些物理性质,光照时，导带中的电子可吸收光能跃迁到能量较高的能带上，当电子返回时把吸收的能量又发射出来，使金属具有金属光泽。,能带理论可解释金属的某些物理性质,局部加热时，电子运动和核的振动，可进行传热，使金属具有导热性。,能带理论可解释金属的某些物理性质,受力作用时,原子在导带中自由电子的润滑下,可以相互滑动,而能带并不被破坏。,一、晶体结构的密堆积原理,2 金属单质的结构,二、金属晶体结构密堆积的几种常见形式,1、等径球的最紧密堆积模型,2、密置列、密置层和密置双层,密置列：沿直线方向将等径圆球紧密排列成一列叫做密置列，它只有一种排列方式。若把每个球作为一个结构基元，则可抽象出一直线点阵。（如下图）,密置层：,沿二维空间伸展的等径圆球的最密堆积形式叫密置层，它只有一种排列方式。（如图2）在密置层中每个球都与周围六个球紧密接触，配位数为6，三个球形成一个三角形空隙，因此每个球分摊两个三角形空隙。,若把每个球作为一个结构基元，可由密置层抽出一个平面六方点阵，正当格子为平面六方格子。,密置双层：,将两个密置层（分别称为A层和B层）叠加起来作最密堆积称为密置双层，这也只有一种叠合方式。,图3（a）,叠合过程为：将第二层球的球心投影到第一层中由三个球所围成的三角形空隙的中心上，及上、下两层密置层相互接触并平行地互相错开。如下图：,在密置双层中可形成两种空隙：即四面体空隙（3个相邻的A球+1个B球或3B+A）和八面体空隙（由3个A球和3个B球结合而成，两层球的投影位置相互错开60，连接这六个球的球心得到一个正八面体3A+3B)。如下图所示,36,A1型最密堆积（面心立方）和A3型最密堆积（六方）,A2型密堆积（体心立方）,金属晶体的堆积模型,37,bcc,fcc,hcp,演示,38,38,金属晶体的结构,39,(1)bcc,（1）bcc body-centered cubic structure,碱金属、-Fe、难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等,40,a：晶格单位长度R：原子半径,单位晶胞原子数 n=2,bcc,41,(2)fcc,（2）fcc face-centered cubic structure,Al，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属以及奥氏体不锈钢等,a、在密置双层AB的基础上，第三层球的球心投影到AB层的正八面体空隙的中心上且与B层紧邻，称第三层为C层。以后第四、五、六层的投影位置分别与第一、二、三层重合。ABCABC型堆积,面心立方最密堆积（A1)型,b、把每个球当成一个结构基元，A1型堆积可抽出一个立方面心晶胞。（如图5b）,(c)配位情况,（d）晶胞参数与圆球半径的关系,晶胞中含有四个球，其分数坐标为（0、0、0）、（1/2、1/2、0）、（1/2、0、1/2）、（0、1/2、1/2）。8个四面体空隙分数坐标为（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个八面体空隙分数坐标为（1/2、1/2、1/2）、（0、0、1/2）、（0、1/2、0）、（1/2、0、0）,在立方面心晶胞中，有8个四面体空隙，4个八面体空隙，见图,46,fcc,n=4,47,(3)hcp,（3）hcp hexagonal close-packed structure,-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等,3、六方最密堆积（A3)型,在密置双层的基础上将第3层球堆上去，第层与层接触，其球心的投影与球的球心重合，称第层为层。同理第四层为层，依此类推。型堆积记为型堆积。,图4(a),49,hcp,n=6,(4)A4 型堆积(金刚型或四面体型堆积),A4中原子以四面体键相连.晶胞中虽然都是同种原子,但所处的环境不同(球棍图中用两色颜色来区分).一个浅蓝色球与一个深蓝色球共同构成一个结构基元.,C,Ge,灰锡,A4 型堆积的配位数为 4，堆积密度只有34.01%，不属于密堆积结构.晶胞中有 8 个C，属立方面心点阵，1 个结构基元代表 2个C。,空间利用率=,堆积系数,金属单质的结构情况,绝大多数单质为A1,A3,A2型,少数为A4及其它特殊堆积方式,总结如下表:,表2 金属单质晶体几种典型的结构,金属原子的半径,确定金属单质的结构型式与晶胞参数后,就可求得金属原子的半径 r.半径r与晶胞参数a的关系如下:,A1型:,(体对角线);,A3型:,A2型:,A4型:,例如:对A1型 Cu,a=361.4 pm,(面对角线);,(体对角线);,配位数与半径的关系:,当配位数由12减小到4时,实际上键型也由金属键过渡到共价键.配位数降低,金属原子的半径减小.换算系数如下：,表3-2-2给出的是室温下稳定晶型的实际运子的相应堆积型式下的半径,而并非配位数为12时的半径.一般手册中的金属半径都以4换算成配位数为12时的半径,与上表会出现不一致.,金属元素中具有面心立方，密集六方和体心立方三种典型结构的金属占了绝大多数。许多金属中存在多种结构转变现象，这说明三种结构之间能量差异不大。碱金属一般具有体心立方结构（A2），但在低温时可转变为密堆六方。碱土金属大多是密堆六方结构（A3）。过渡金属d壳层电子半满以上的，一般是面心立方（A1），d壳层未半满的，大多是体心立方结构（A2）。比较特殊的是Mn，有几种结晶变形（、相）。镧系元素一般是密堆六方结构，也出现复杂的堆积结构，如轻元素La、Pr、Nd是六方密堆结构，Sm是三方九层密堆结构。錒系情况更复杂。,金属单质的结构,贵金属是面心立方结构（A1）。Zn、Cd结构接近密堆六方，Hg为三方结构。Ge、Sn、Pb采用金刚石型的A4结构：立方面心晶胞中，8个四面体空隙一半为原子占据，每个晶胞共有8个金属原子。金属单质的结构有许多是属于c c p(A1型),b c p(A2型)和h c p(A3型)这三种结构型式的。当金属原子价层s和p轨道上电子数目较少时，容易形成A2型结构，电子数较多时，容易形成A1型结构，中间的容易形成A3型结构。不过这种规律不太明显，而且同一种金属的结构型式还会随外界条件而改变，所以需要通过实验来测定。,Li,Na,K,Rb,Cs,Be,Mg,Ca,Ba,Al,Sn,金属原子半径在元素周期表中的变化有一定的规律性：(1)同一族元素原子半径随原子序数的增加而加大；(2)同一周期主族元素的原子半径随原子序数的增加而变小；(3)同一周期过渡元素的原子半径随原子序数增加开始稳定变小，以后稍有增大，但变化幅度不大；(4)镧系元素随原子序数增加，半径变小，称为镧系收缩效应。,金属原子半径和镧系收缩效应：,