金属学与热处理-1.1 金属原子结构

1 第1章金属的晶体结构 2 本章主要内容 1 1金属的原子结构1 2金属的晶体结构1 3实际金属的晶体结构 3 同样是由碳元素组成的 为什么是硬度最高的物质 而石墨却很软 为什么原子能结合成固体 材料中存在哪几种键合方式 决定键合方式的主要因素有哪些 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系 思考 4 硅表面原子排列碳表面原子排列 5 1 1金属的原子结构 物质的组成 SubstanceConstruction 物质由无数微粒 Particles 聚集而成分子 Molecule 单独存在 保存物质化学特性dH2O 0 2nmM H2 为2M protein 为百万原子 Atom 化学变化中最小微粒 1 1 1原子结构 6 e 1 6022 10 19CNA 6 023 1023atom molM 原子量 7 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 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 8 1 1 2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 金属键无方向性 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 9 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 10 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 传递能量 故金属是热的良导体 11 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 12 晶体中的原子之间可以相互吸引 也可以相互排斥 设fa代表引力 fr代表斥力 r代表原子间距离 则 式中a b m n均为常数 其中m n 1 1 3结合力与结合能 原子间净作用力f为 13 14 15 16 原子能够结合为固体的根本原因 是原子或分子结合起来后 体系的能量可以降低 即在分散的原子结合成晶体过程中 会有一定的能量释放出来 这个能量叫做结合能 结合能越大 则原子结合越稳定 离子晶体 共价晶体的结合能最大 金属键结合次之 金属键结合中以过渡元素为最大 范德瓦尔斯键的结合能最小 只有几十kJ mol 材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重要的影响 特别是对物理性能和力学性能 17 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 结合键与物理性能的关系 熔点 18 19 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 金属的高密度有两个原因 一个是由于金属原子有较高的相对原子质量 另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性 所以金属原子中趋向于密集排列 金属经常是简单的原子密排结构 离子键和共价键结合时的情况 原子排列不可能非常致密 共价键结合时 相邻原子的个数要受到共价键数目的限制 离子键结合时则要满足正 负离子之间 结合键与物理性能的关系 密度 20 的电荷平衡的要求 相邻的原子数目都不如金属多 所以陶瓷材料的密度比较低 聚合物中由于是通过二次键结合 分子之间堆垛不紧密 加上组成的原子质量比较小 C H O 因此聚合物的密度很低 与金属键结合的金属相比 由非金属键结合的陶瓷 聚合物一般在故态下不导电 它们可以作为绝缘体和绝热体在工程上应用 结合键与物理性能的关系 密度 21 工程材料的腐蚀是一种化学反应 实质是结合键的形成和破坏 金属腐蚀时 金属离子离开金属就与外层价电子的失去有关 结合键与化学性能的关系 腐蚀 22 晶体材料的硬度与晶体的结合键有关 一般来说 共价键 离子键 金属键结合的晶体比分子键结合的晶体的硬度高 结合键与力学性能的关系 硬度 23 弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小 在给定应力下 弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变 而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变 结合能是影响弹性模量的主要因素 结合键之间的结合键能越大 则弹性模量越大 结合键能与弹性模量之间有很好的对应关系 结合键与力学性能的关系 弹性模量 24 结合键与力学性能的关系 弹性模量 金刚石具有最高的弹性模量 E 1000GPa工程陶瓷如碳化物 氮化物 氧化物等结合键能也比较高 它们的弹性模量为250 600GPa金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些 常用金属材料的弹性模量约为70 350GPa聚合物由于二次键的作用 弹性模量仅为0 7 3 5GPa 25 材料的强度与结合键能也有一定的联系 一般结合键能高 强度也高一些 材料的强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素 如材料的组织 因此材料的强度可以在一个较大的范围内变化 结合键与力学性能的关系 强度 26 材料的塑性也与结合键类型有关 金属键结合的材料具有良好的塑性 而离子键 共价键结合的材料的塑性变形困难 所以陶瓷材料的塑性很差 结合键与力学性能的关系 塑性 27 金属键 Metallicbonding 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 28 思考题 为什么第VIII族中铁钴镍有铁磁性 而同族的钌铑钯 锇铱铂却没有 常温下钆Gd也具有铁磁性 为什么银的颜色是银白的 而金的颜色是金黄色的 物质的颜色与什么有关 29 为什么第VIII族中铁钴镍有铁磁性 而同族的钌铑钯 锇铱铂却没有 常温下钆Gd也具有铁磁性 铁磁性产生的条件 原子内部要有末填满的电子壳层 及Rab r之比大于3使交换积分A为正 前者指的是原子本征磁矩不为零 后者指的是要有一定的晶体结构 30 为什么银的颜色是银白的 而金的颜色是金黄色的 物质的颜色与什么有关 物质都是由原子 或离子 构成 在这些粒子中有电子 电子分布在能量固定的几个轨道上 此时的状态称为基态 当光照射到物质上的时候 电子会吸收照射光中的一部分能量产生跃迁 从能量低的轨道