金属学基础 教学课件 作者 王学武 第二章.ppt

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1、第2章金属的晶体结构本章主要内容第一节金属的原子结构第二节金属的晶体结构第三节实际金属的晶体结构同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度最高的物质，而石墨却很软？为什么原子能结合成固体？金属材料中原子依靠哪种键合方式？决定键合方式的主要因素有哪些？金属材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？思考第一节金属的原子结构一、金属的特性及其原子结构特点1.金属的特性在目前使用的含112种元素的元素周期表中，金属元素共90种，如铁、铜、铝等都是金属元素。金属元素在室温时，除水银（汞）为液态外，其余皆为固态。金属是一种不透明，具

2、有金属光泽、具有良好的导电性、导热性，具有一定的塑性，并具有正的电阻温度系数的物质。纯金属--汞（水银）具有正的电阻温度系数是金属与非金属之间的本质区别，即金属的电阻随温度的升高而增大；而非金属具有负的电阻温度系数，即其电阻随温度的升高而降低。2.金属原子的结构特点金属是由原子组成的。孤立的自由原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，核外电子数目等于该原子序数，并按一定规律分布在不同的电子层上。原子的尺寸很小，在10-12m数量级，原子核的尺寸更小，在10-14m数量级。e=1.6022×10-19CNA=6.

3、023×1023atom/molM：原子量金属原子的外层价电子数比较少（通常s,p价电子数少于4）。电子云正离子各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在整个晶体内运动，即弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。过渡族金属，如钛、钒、铬、锰、铁、镍等，在次外层尚未填满电子的情况下最外层就先填充电子。过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这导致过渡族金属的化合价是可变的。当过渡族金属的原子相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合，使其原子间结合力

4、特别强，宏观表现为过渡族金属熔点高，强度高。二、金属键1.金属键这种在金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。金属键基本特点是“电子公有化”，无方向性和饱和性。金属键的强弱和自由电子的多少、离子半径、电子层结构等因素有关。在外电压的作用下，自由电子可以定向移动，故有导电性。金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，故金属有很好的延展性。2.用金属键解释金属的特性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，且有金属光泽。受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞来传递能量，故金属

5、是热的良导体。常见金属的导电和导热能力顺序（由大到小）：Ag、Cu、Au、Al、Zn、Pt、Sn、Fe、Pb、Hg金属主要是金属键结合，但也会出现一些非金属键，如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属W、Mo等），它们的原子结合中也会出现少量的共价键结合，这也是过渡族金属具有高熔点的原因。金属与金属形成的金属间化合物（如CuGe），尽管组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不一样，有一定的离子化倾向，于是构成金属键和离子键的混合键。因此，它们具有一定的金属特性，但是不具有金属特有的塑性，往往很脆。金属键（Metallic

6、bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好三、金属原子间的作用力和结合能问题的提出在固态金属中，众多的原子依靠金属键牢固地结合在一起。沉浸于电子云中的金属原子(或正离子)为什么规则排列着，并往往趋于紧密地排列着？这可用金属原子间的作用力和结合能来说明。当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量以保持其稳定

7、状态，原子之间必须保持一定的平衡距离，这便是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。要想在固态金属中把某个原子拿走，就必须对它做功，以克服周围原子对它的作用力。要拿走的原子周围近邻的原子数越多，所需要做的功就越大。可见，原子周围最近邻的原子数越多，结合能越低，即势能越低，状态越稳定。所以，金属中的原子总趋于密堆积。熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点与结合能有很好的对应关系。共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点

8、相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电子没有填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。材料的密度与结合键类型有关。大多数金属有较高的密度，如Pt、W、Au的密度在工程材料中最高。金属的高密度有