3.1金属结构与物性.ppt

第三章金属材料 3 1金属的结构与物性3 2合金结构3 3金属材料 3 1金属的结构与物性 3 1 1金属键3 1 2金属的晶体结构3 1 3金属的物理性质 3 1 1金属键 不属于哪一个原子的公有化电子与离子之间的库仑相互作用称为金属键 这种公有化的电子运动自由 能够导电 所以金属是良导体 由于电子的公有 金属键没有方向性 这样正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合力 可以经受较大的塑性变形 为了增加晶体的稳定性 即降低体系的内能 金属中原子排列都尽可能的紧密 倾向于有更多的近邻原子 正离子 电子 正离子 电子 由正离子排列成有序晶格 各原子最 及次 外层电子释放 在晶格中随机 自由 无规则运动 无方向性 价电子不是紧密结合在离子芯上 键能低 具有范性形变 金属键合 MetallicBonding 的特点 3 金属键的强度可用金属的原子化热 即气化热 是指1mol金属变成气态原子需吸收的能量 衡量 原子化热小 这种金属的熔点较低 硬度较小 键的强度也小 反之则相反 自由电子理论 金属原子对其价电子的束缚较弱 部分价电子易脱离金属原子而成为自由电子 价电子类似于理想气体分子 没有相互作用 在金属晶体中受一恒定势场的作用 可以在晶格中自由运动 但不能超出表面 如同自由的价电子为许多原子共有 固体具有大量分子 原子或离子有规则排列的点阵结构 电子受到周期性势场的作用 除了直线运动外 在正电荷附近还要作轻微的振动 能带理论 能带的形成 energyband 孤立原子的外层电子可能取的能量状态 能级 完全相同 但当原子彼此靠近时 外层电子就不再仅受原来所属原子的作用 还要受到其他原子的作用 这使电子的能量发生微小变化 原子结合成晶体时 原子最外层的价电子受束缚最弱 它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用 已很难区分究竟属于哪个原子 原子间距减小时 孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带 量子力学计算表明 固体中若有N个原子 由于各原子间的相互作用 对应于原来孤立原子的每一个能级 变成了N条靠得很近的能级 称为能带 其中每个能级可被两个自旋相反的电子所占有 故每个能带最多可容纳2N个电子 能带的宽度记作 E 数量级为 E eV 一般规律 2 点阵间距越小 能带越宽 E越大 3 两个能带有可能重叠 1 越是外层电子 能带越宽 E越大 固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上 共有化程度越高的电子 其相应能带也越宽 允许电子占据的能带称为允许带 允许带之间的范围是不允许电子占据的 此范围称为禁带 被电子占满的允许带称为满带 每一个能级上都没有电子的能带称为空带 能带中有电子但未充满的称为导带 E 满带 空带 导带 禁带 固体的导电性能由其能带结构决定 对一价金属 价带是未满带 故能导电 对二价金属 价带是满带 但禁带宽度为零 价带与较高的空带相交叠 重叠部分叫重带 由于重带的存在 满带中的电子可跃入空带 使空带中有了电子 满带中有了空穴变成导带 因而也能导电 3s 3s 3p 钠晶体的3s带 镁晶体的能带 绝缘体价带和空带之间的能级差大于5eV 由于绝缘体的禁带宽度较大 一般的激发条件下 满带中的电子不能跃入空带 即不能形成导带 这就是绝缘体不能导电的原因 半导体的禁带宽度较小 满带中的电子只需较小能量 一般小于3eV 就能激发到空带中 使空带中有了电子 满带中有了空穴 都能参加导电 绝缘体和半导体的能带结构相似 价带为满带 价带与空带间存在禁带 1 金属晶体中所有原子 能级相同的价层原子轨道 分别组合成等数目的一组分子轨道 原子轨道中电子 按填充规则填入分子轨道 2 每组分子轨道构成一个能带 分子轨道充满电子的称满带 未充满电子的则称导带 由空的原子轨道组合成的分子轨道称空带 3 导带因有空轨道 电子可跃迁 所以可导电 满带中的电子不可导电 4 导体能导电 是因为存在导带或满带与空带能级重叠 电子由满带易跃迁至空带 绝缘体不导电是因为满带与空带能级差大 5ev 半导体导电是因为满带与空带能级差适中 3ev 能带理论 3 1 2金属单质的结构 金属单质结构的近似模型 等径圆球密堆积 等径圆球最密堆积方式有两种 取许多直径相同的硬圆球 把它们相互接触排列成一条直线 所有的球心准确地在一条直线上 形成了一个等径圆球密置列 将许多互相平行的等径圆球密置在一个平面上最紧密地相互靠拢 就形成了一个等径圆球密置层 它是沿二维空间伸展的等径圆球密堆积唯一的一种排列方式 先排成最密排层 层间堆垛方式为ABCABC 即第四层重叠在第一层位置 余类推 ABCABCABC 1 面心立方晶胞 A1型 立方最紧密堆积 ccp cubicclosestpacking 具有面心立方晶格的金属有 等 第三层重叠在第一层位置 最密排层间堆垛方式为ABAB 余类推 ABABAB 2 六方最密堆积 hcp hexagonalclosestpacking 六方晶胞 A3型 具有密排六方晶格的金属有Mg Zn 配位数 等径圆球最密堆积的各种型式中 每个球的配位数均为12 中心球和这12个球的距离相等 但这12个球的配位形式有所不同 堆积密度 各种最密堆积具有相同的堆积密度 堆积系数 晶胞中包含球的体积与晶胞体积之比 均为0 7405 设球半径为R 面心立方晶胞边长为a 则 8 1 8 角 6 1 2 面 4 晶胞中的原子数 点阵常数 a c致密度 AtomicPackingFactor 0 74 晶胞中的原子数 12 1 6 边角 2 1 2 面 3 内 6 c a 1 633 3 体心立方密堆积 bcp bodycubicpacking 具有体心立方晶格的金属有 等 A2型 A2不是最密堆积 每个球有八个最近的配体 处于边长为a的立方体的8个顶点 和6个稍远的配体 分别处于和这个立方体晶胞相邻的六个立方体中心 故其配体数可看成是14 空间利用率为68 02 每个球与其8个相近的配体距离与6个稍远的配体距离 配位数 CoordinationNumber 最近的有8个 位于立方体8个顶点 还有6个处在相邻体心位置 有效配位数8 14之间 晶胞中的原子数 8 1 8 角 1 心 2 典型金属结构晶体学特点 2 拉伸试验显示面心立方结构的铝具有极佳的延展性 而六方最密堆积结构的镁则显得相当地脆 解释 铝是面心立方结构 镁是密排六方结构 所以铝的滑移系要比镁的多 铝的位错滑移要比镁的容易 所以铝的延展性要比镁的好 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 例如 对A1型Cu a 361 4pm 面对角线 常见金属的堆积型式 碱金属元素一般都是A2型堆积 碱土金属元素中Be Mg属于A3型堆积 Ca既有A1也有A3型堆积 Ba属于A2型堆积 Cu Ag Au属于A1型堆积 Zn Cd属于A3型堆积 密堆积层间的两类空隙 四面体空隙 一层的三个球与上或下层密堆积的球间的空隙 八面体空隙 一层的三个球与错位排列的另一层三个球间的空隙 间隙 Interstitialposition 四面体间隙 Tetrahedralposition 八面体间隙 Octahedralposition 四面体间隙示意图 八面体间隙示意图 图5 e f 面心立方 四面体间隙 位置 四个最近邻原子的中心 单胞数量 8 间隙大小 半径 0 225R 每原子间隙 8 4 2 八面体间隙 面心立方 间隙大小 半径 0 414R 位置 体心和棱中点 每原子间隙 4 4 1 单胞数量 4 1 体 1 4 12 棱 4 晶胞内有6个球 密排六方 6个八面体空隙 12个四面体空隙 四面体间隙数 体心立方 bcc 间隙大小 半径 每晶胞 4 1 2 6 面 12 每原子 12 2 6 0 291R 八面体间隙数 每晶胞 1 2 6 面 1 4 12 棱 6每原子间隙 6 2 3间隙大小 半径 0 154R 体心立方 bcc 三种典型晶体中的间隙 在两种最紧密堆积中 球间的空隙数目和大小也相同 由N个半径为R的圆球组成的堆积中 平均有2N个正四面体空隙 可容纳半径为0 225R的小球 还有N个正八面体空隙 可容纳半径为0 414R的小球 在体心立方密堆积中 由N个半径为R的圆球组成的堆积中 平均有6N个正四面体空隙 可容纳半径为0 291R的小球 还有3N个正八面体空隙 可容纳半径为0 154R的小球 3 1 3金属的物理性质 金属光泽金属的导电性和导热性金属的延展性金属的硬度金属的熔点 金属光泽 当光线投射到金属表面上时 自由电子吸收所有频率的光 电子在能带中跃迁 能量变化的覆盖范围相当广泛 然后很快放出各种频率的光 全反射 绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽 此外 金显黄色 铜显赤红色 铋为淡红色 铯为淡黄色 铅是灰蓝色 这是因为它们较易吸收某一些频率的光之故 金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来 粉末状金属一般都呈暗灰色或黑色 漫散射 金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性 各原子层之间发生相对滑动以后 仍可保持这种相互作用 因而即使在外力作用下