金属性能与结构.ppt
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1、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
2、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
3、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;
4、,(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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
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- 金属 性能 结构
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