第一章 固态金属和合金的结构

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1、第一章固态金属和合金的结构在绪论中介绍过，金属材料的性能取决于化学成分、组织和结构三个内在因素。这意味着，即使化学成分相同的金属材料，如果加工工艺不同（比如热处理工艺不同），那么得到的组织或结构也不同，从而使金属材料具有不同的性能。因此，组织和结构是理解许多金属材料问题的关键，是金属学的基本内容之一。一般情况下，固态金属和合金大多数是晶体，所以其结构又称晶体结构。本章只讨论结构的问题，不涉及组织。§1金属和合金从广义的角度来说，具有金属特性的物质都可以称为金属，因此合金也是金属。但在本章中，为方便学习，金属这一概念是指纯金属。一、纯金属、合金和组元在人类发现的一百多种元素中，金

2、属元素约占五分之四，有80多种。在常温下，除汞为液态外，其余的均为固态。通常将基本上由一种金属元素组成的材料称为纯金属，而将由两种或两种以上元素组成的、具有金属特性的材料称为合金。组成合金的元素称为组元。由两种元素组成的合金称二元合金，由三种元素组成的合金称三元合金，由多种元素组成的合金称多元合金。迄今为止，人类创造和使用的金属材料，绝大多数是合金。纯金属只有在现代科学技术的基础上，才有可能进行生产和使用，而且“纯”只有相对意义，没有纯度100%的金属。无论纯金属的“纯度”有多高，总是或多或少含有微量的其它杂质元素。因此，很难在纯金属和合金之间划出一条严格的界线。二、合金元素和

3、杂质元素在金属材料中，为提高金属材料的性能而有意添加的元素称合金元素，而恶化金属材料性能、偶尔混入或难于除尽的元素称为杂质元素。但必须指出，同种元素对某一材料来说可能是杂质元素，而对另一种材料来说就可能是合金元素。例如，钢中的硫一般是有害的杂质元素，应尽力除去，但在易切削钢中它却是有益的合金元素，能提高钢的切削性能。§2金属原子间的结合一、单个金属原子的结构特点原子结构理论指出，孤立原子是有带正电的原子核和带负电的电子组成，每个电子都位于原子核外的一定轨道上，围绕原子核运动，形成不同的电子层。单个金属原子的结构特点是，最外层电子数（即价电子数）很少，一般1到2个，不超过3个。由

4、于金属原子的最外层电子数少，它们和原子核的结合力最弱，很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子，而失去电子的金属原子就变成正离子。正是由于金属原子的这一结构特点，决定了固态金属原子之间的结合方式是金属键。二、固态金属原子间的结合方式——金属键1.金属键及其特点当大量金属原子聚集在一起是，由于金属原子的结构特点，大多数原子的最外层电子很容易摆脱原子核的束缚，成为自由电子。这些自由电子不属于任何一个原子，而属于整个金属“共有”，它们在金属中形成所谓的“电子云”或“电子气”。如图1.1所示。金属就是依靠正离子和运动于其中的自由电子的静电作用结合起来的。这种结合方式为金属所特有的，故称金属

5、键。金属键的特点是没有饱和性和方向性。15当然，在金属和合金中也存在着其它结合方式，如共价键、离子键等，只是它们不是主要的结合方式。1.固态金属的特性由于金属原子之间的结合方式主要是金属键，这就决定了固态金属具有不同于其它物质的一些特性。金属特性主要表现在以下几方面。l具有良好的导热性和导电性；l具有正的电阻温度系数l具有金属光泽，不透明；l具有延展性。二、固态金属原子的结构特征1.固态金属的结构特征金属原子或正离子在三维空间呈有规则、周期性的紧密排列。这一描述中有两层含义，一是有规则周期性排列，二是紧密排列。前者可用双原子作用模型解释，后者可用金属键的特点解释。2.有规则、周

6、期性排列的原因——双原子作用模型双原子作用模型见图1.2。上图表示两原子的结合力随原子间距的变化情况，下图是两原子的结合能随原子间距的变化情况。由图中可见，两原子的结合力是排斥力和吸引力之和。当两原子间距较大时，吸引力大于排斥力，促使两原子相互靠近；当两原子间距较小时，排斥力大于吸引力，促使两原子分开；当两原子间距为时，吸引力等于排斥力，两原子结合力为零，这说明当两原子间距为时，两原子处于稳定的平衡状态。此时，对应下图，两原子结合能最低。这意味着结合能最低的状态是最稳定的。（这就是物理化学中的自由能最小原理。）若原子偏离平衡位置，原子间距变大或变小，都使结合能增大（见下图），那

7、么两原子是不稳定的。推而广之，当大量金属原子聚集在一起时，为了使它们具有最低能量，保持最稳定的状态，原子之间必须一定的距离。这就是固态金属原子有规则周期性排列的原因。3.紧密排列的原因——金属键的特点金属键的特点是没有饱和性和方向性。对于固态金属中的任何一个原子，它总是在各个方向上，同尽可能多的原子发生相互作用。因为该原子周围的原子数越多，它受到的束缚作用越强，越稳定，结合能也就越低。这就是固态金属原子紧密排列的原因。本节小结：§3晶体学基础上节中我们了解到，固态金属的结构特征是金属原子（或