金属和合金课件

1、第二小组 成员： 邱 亮（BX1506024 ）刘文明（BX1506505） 侯文涛（BX1506506）左玉鑫（BX1506511） 王 磊（BX1506514）夏木建（BX1506515） 陈洪宇（BX1506516）袁子程（BX1506517） 陆明月（SX1506035）刘 晓（SX1506036） 张 鑫（SF1506011 ）材料物理与化学Material Physical & Chemical第十章 金属和合金chapter 10 Metal & Alloys金属和合金10.1 引言（左玉鑫 PPT制作）10.2 三类金属（邱亮讲解） 10.2.1 SP键金属（陆明月 PPT 制

2、作） 10.2.2 过渡金属（袁子程、邱亮 PPT 制作） 10.2.3 稀土金属（陈洪宇、邱亮 PPT制作 ）10.3 合金（刘文明讲解） 10.3.1 休姆-罗瑟里规则（刘文明 PPT制作 ） 10.3.2 金属与合金的电阻（侯文涛 PPT制作 ）10.4 金属合金的举例和应用（夏木建、张鑫讲解） 10.4.1 钢铁（王磊 PPT制作 ） 10.4.2 钛及钛合金（张鑫 PPT制作） 10.4.3 镁及镁合金（张鑫 PPT制作） 10.4.4 铜及铜合金（张鑫 PPT制作） 10.4.5 金属间化合物和超热合金（夏木建 PPT 制作） 10.4.6 金属中的电迁移（刘晓 PPT制作 ）金属

3、和合金金属和合金 10.1 引言Introduction金属和合金金属金属是一种具有光泽、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属具有正的电阻温度系数。金属和合金引 言Introduction公元前4300年使用自然的金、铜，并有一些锻打、热加工形式的工艺。公元前2800年铁的熔炼公元前2000年商周时期，青铜器的兴盛时代。春秋时期生铁铸造法，广泛用于农业。东汉时期锻打、水淬、油淬第一阶段 原始钢铁生产金属和合金引 言Introduction1803年 道尔顿提出原子学说阿伏伽德罗提出了分子论1830年1839年32种晶体类型、晶体Miller指数1864年第一张金相组织照片1888年证实

4、了渗碳体的存在19世纪末建立了铁碳相图第二阶段 金属材料科学的基础铁对人类文明作出的巨大贡献 1788铁桥 1818铁船 1825铁路金属和合金引 言IntroductionTammann导出了合金相组成的规律；1910年发明奥氏体不锈钢；1912年发明铁素体不锈钢；1912年，Von Lane发现了X射线；1934年，俄国，匈牙利，英国三位科学家各自独立提出了位错理论。1938年发明电子显微镜；大量钢的过冷奥氏体等温转变曲线曲线（TTT曲线）得到了测定；贝氏体、马氏体转变理论研究日益深入；新的科学仪器的不断发明。第四阶段 微观理论的深入研究电子显微镜、STM、STEM、AFM贝氏体、马氏体转

5、变理论第三阶段 微观组织理论大发展19001940年合金相图、X射线、位错理论金属和合金引 言Introduction现代金属材料钢铁、钛合金、镁合金、铜合金等都是最重要和最广泛应用的传统金属材料。先进结构材料：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能的结构材料。（耐火耐候钢）高温合金材料：碳复合材料可达2500，但抗氧化能力差；树脂基复合材料的工作温度300350；金属基复合材料综合性能好，但成本高。低温钢：低温奥氏体钢（9Ni钢、5Ni钢、3.5Ni钢、1.5Ni钢、0.5Ni钢等）新型工具钢：韧性、耐磨性。金属和合金引 言Introduction金属键的形成当金属原子相互靠近时，

6、其外层的价电子脱离原子成为自由电子，为整个金属共有，即电子的公有化，它们在整个金属内部运动，形成电子云。这种由金属正离子和自由电子之间相互作用而构成的键称为金属键。金属和合金引 言Introduction金属中的自由电子可吸收可见光的能量，被激发、跃迁到较高能级，因此金属不透明。当它跳回到原来的能级时，将所吸收的能量重新辐射出来，故使金属具有光泽。导热性固态金属中，不仅正离子的振动可传递热能量，而且电子的运动也能传递热能。电阻温度系数随温度升高，正离子（或原子）本身振幅增大，阻碍电子通过，使电阻升高，显示出正的电阻温度系数。金属光泽SP键金属SP Bond Metal10.2.1金属和合金SP

7、键金属元素的特点：1、元素主要位于化学元素周期表的S区和P区；2、s-和p-层的价电子自由的进入费米海，形成自由电子云；3、除了最外层电子层以外的电子层的电子数都是满电子的金属。SP键金属SP Bond Metal金属和合金SP键金属SP Bond MetalS区元素s区元素的单质是最活泼的金属元素各族元素通常只有一种稳定的氧化态。它们都能与大多数非金属反应。除了铍和镁外，它们都较易与水反应，形成稳定的氢氧化物，而这些氢氧化物大多是强碱。除铍外，s区元素的单质都能溶于液氨生成蓝色的还原性溶液。同一族元素核电荷数金属和合金SP键金属SP Bond Metal锂元素银白色金属。质较软，可用刀切割。

8、是最轻的金属，密度比所有的油和液态烃都小，故应存放于液体石蜡、固体石蜡或者白凡士林中(在液体石蜡中锂也会浮起)。锂的密度非常小，为非气态单质中最小的一个。因为锂原子半径小，故其比起其他的碱金属，压缩性最小，硬度最大，熔点最高。锂的焰色反应为紫红色。锂离子电池、润滑剂的增稠剂、火箭燃料、脱氧剂、脱硫剂、脱卤试剂、催化剂。锂的用途金属和合金SP键金属SP Bond Metal钠元素钠是一种金属元素，在周期表中位于第3周期、第IA族，是碱金属元素的代表，质地柔软。钠原子的最外层只有1个电子，很容易失去，所以有强还原性。钠的化学性质非常活泼，能够和大量无机物，绝大部分非金属单质反应和大部分有机物反应，

9、在与其他物质发生氧化还原反应时，作还原剂，都是由0价升为+1价（由于ns1电子对），通常以离子键和共价键形式结合。金属性强，其离子氧化性弱。检验有机物中的氯、氮、硫、氟。去除苯、烃、醚中的水分、氧、碘或氢碘酸等杂质。制备钠汞齐、醇化钠、NaOH、Na2O2、氨基钠、钠灯、光电池等。钠的用途金属和合金SP键金属SP Bond MetalP区元素IIIA族元素0族元素p区金属元素金属性较弱，部分金属如Al、Ga、In、 Ge、Sn和Pb的单质、氧化物及其水合物均表现出两性。p区金属元素在化合物中还往往表现出明显的共价性。p区金属元素的价电子构型为ns2np14 ，内层为饱和结构。由于p区金属元素n

10、s、np电子可同时成键，也可仅由电子参与成键，因此它们在化合物中常有两种氧化态，且其氧化值相差为2。p区金属元素的高价氧化态化合物多数为共价化合物，低氧化态的化合物中部分离子性较强。大部分p区金属元素在化合物中，电荷较高，半径较小，其盐类在水中极易水解。金属和合金SP键金属SP Bond Metal铅元素原子序数为82。铅为带蓝色的银白色重金属，熔点327.5，沸点1740，密度11.3437g/cm3，硬度1.5，质地柔软，抗张强度小。没有氧化层的铅色泽光亮，密度高，硬度非常低，延伸性很强。它的导电性能相当低，抗腐蚀性能很高。金属铅在空气中受到氧、水和二氧化碳作用，其表面会很快氧化生成保护薄

11、膜；在加热下，铅能很快与氧、硫、卤素化合。主要用作电缆、蓄电池、铸字合金、巴氏合金、防X射线，射线等的材料.现在还广泛应用于铅芯橡胶隔震支座中，有很好的耗能性。铅的用途晶格是重要的，但没初次见到那么重要，两方面可以证明：通过电子的费米海筛选的离子。泡沫不相容原理。费米海中的电子为了不成为其离子核心的电子炮弹，因而他们都在距离核心半径范围之外。赝势的形式金属和合金SP键金属SP Bond Metal理想化的胶体模型可以用来描述静态电荷均匀分布的离子密度，从而电子可以被机械的定量。为确保准确，在两个电子交换时总电子波函数必须是对称的。这种特性可以一个在特定的轨道上的近似波函数组成。在这些轨道上系统

12、的内能是：金属和合金SP键金属SP Bond Metal由量子力学的变分原理的精神，可以选择试验波函数，可对内能进行估算。试验波函数是通过平面波来描述轨道的：金属和合金SP键金属SP Bond Metal代入公式U：进行分析评估，其结果为：金属和合金SP键金属SP Bond Metal这里的直接库仑力是零，因为所有电子气弥散的离子占据同样的空间且具有等量电荷。交换能量的产生是因为电子将其他电子排除在它的自旋投影环境之外。一个电子住在一个半径r的球形孔中心，将通过公式 U=-e2/80r降低自己的能量。r的预期值大约是在费米波长。可以得出结论，交换能量r=F/3被称作费米洞。接着修正由于电子与电

13、子之间的相互作用，称为相关能 Ucorr。它源于因为电子间的库仑斥力使得他们相互排斥。因此，静电能量低于一个假设没有波动的统一电子的电荷分布。运用多布比理论，得到近似公式:这里的无量纲参数r下面的关系式定义：金属和合金SP键金属SP Bond Metal在中心区域时不适用，在jellium模型里，库仑能为零，必须重新计算。固体被分为Wigner-Seitz细胞。在评估库仑能时涉及细胞间的相互作用和细胞内的活动。因为每个单元格电中性，因而对库仑力贡献为零。在每个单元里都有一个离子与电子以及电子与电子的相互作用。Wigner-Seitz细胞可以被近似地看做为一个半径为r的球。这个近似尤其适合密排晶

14、体，如FCC和HCP晶格。假设Wigner-Seitz细胞的电子密度是均匀分布的，因此n=3z/4r3。金属和合金SP键金属SP Bond Metal降低U就要关系到K。核心半径要选择合适的参数，每个参数的表达式和实验结果很好的吻合。金属和合金SP键金属SP Bond Metal总能量公式为：过渡金属Transition Metal10.2.2金属和合金过渡金属Transition Metal过渡金属，一般指具有部分充填d或f亚层电子的元素，B-的8列元素。人们也常把Cu族纳入过渡金属元素，因为Cu2+:d9，Au：d8，也有书上把Zn族也纳入。因此，过渡元素的性质非常丰富。金属和合金过渡金属

15、Transition Metal过渡元素的通性一、价电子构型；二、氧化态的规律；三、原子半径；四、第一电离能I1的变化；五、物理性质的变化规律；六、过渡金属及其化合物的磁性；七、过渡元素氧化物水合物的酸碱性；八、配合物；九、形成多碱、多酸倾向。金属和合金过渡金属Transition Metal物理性质的变化规律过渡金属：熔点高、密度大、硬度大、升华热大。原因：较小的原子半径，较大的原子量，金属键较强。金属和合金过渡金属Transition Metal按物质在外加磁场作用下性质，划分为：顺磁性物质：对外磁场磁力线吸引、聚集逆磁性物质：对外磁场磁力线排斥铁磁性物质：强顺磁性, 外磁场撤消后仍永久保

16、留磁性如: Fe、Co、Ni及其合金Nd-Fe-B（第三代永磁材料）过渡金属及其化合物的磁性金属和合金过渡金属Transition Metal钛分族 B钛 Ti 锆 Zr 铪 Hf(n-1)d2 ns2存在：金红石TiO2，钛铁矿 (FeTi O3)四川攀枝花钒钛铁矿（FeTiO3）探明储量约15亿吨。钛是未来的“钢铁”：质轻，抗腐蚀，硬度大，是宇航、航海、化工设备等的理想材料。 钛的物理性能及应用银白色，m. p. 1680 ，b.p.3260 ，密度d = 4.43 g cm-3. （强度/质量）比是所有金属材料中最大，耐腐蚀。高温下可作炼钢脱氧剂。“生物金属”人造骨骼 “记忆功能”(Ti

17、Ni合金)“超导功能” (NbTi合金)“储氢功能”(TiMn、TiFe)金属和合金过渡金属Transition Metal钒分族 VB V钒 Nb铌 Ta钽 3d34s2 4d45s1 5d36s2离子色彩丰富：V2+紫、 V3+绿 、VO2+兰、 VO2+、 VO3- 黄酸根极易聚合：V2O7 4- 、V3O9 3- 、V10O286- pH下降，聚合度增加，颜色从无色黄色深红酸度足够大时为VO2+(二氧基钒阳离子）V2O5+6HCl = 2VOCl2+Cl2+H2OV2O5+6NaOH = 2Na3VO4+3H2OV2O5+H2SO4= (VO2)2SO4+H2O金属和合金过渡金属Tra

18、nsition Metal1. R.T.“钝化”：与强碱、HCl、稀H2SO4、空气、海水均不反应。但溶于HF(aq)、HNO3、浓H2SO4和“王水”。 2 V + 6 HF = 2 VF3 + 2 H2 2. 受热时，V显强还原性（似Ti）。钒用途制钒钢，含钒0.10.2%的钒钢韧性、弹性好，强度高。钒单质金属和合金过渡金属Transition Metal铬分族 B 铬Cr 钼Mo 钨W 3d54s1 4d55s1 5d46s2铬在自然界存在 FeOCr2O3或FeCrO4铬铁矿辉钼矿MoS2(Fe、Mn)WO4黑钨矿CaWO4白钨矿金属和合金过渡金属Transition Metal锰分族

19、 B锰Mn 锝Tc 铼Re(n-1)d5ns2锰最重要矿是软锰矿；近年来在深海发现大量的锰矿锰结核。Mn是生物生长的微量元素，是人体多种酶的核心成分，是植物光合作用的不可缺少的部分。茶中锰的含量较丰富。所有钢都含有Mn作用：净化剂 Mn + S = MnS 防止生成FeS、钢变脆 Mn + O2 = MnO 防止冷却钢形成气泡或沙孔 增加钢的硬度：锰钢 (12%15%)金属和合金过渡金属Transition Metal铁系元素 VIII Fe Co Ni 3d64s2 3d74s2 3d84s2价态：+2 +3 (+6) +2 +3 (+5) +2 +3 (+4)铁、钴、镍在+2、+3氧化态时

20、，半径较小，又有未充满的d轨道，使它们有形成配合物的强烈倾向，尤其是Co()形成配合物数量特别多。Fe、Co、Ni 均为银白色金属，铁磁性物质。其合金是良好的磁性材料。钴硬而脆。AMS永磁铁 NdFeB合金Co 制永磁材料。Ni 制不锈钢（例9% Ni、18% Cr - Fe合金)和永磁材料。金属和合金过渡金属Transition Metal铂系元素 VIII Ru Rh Pd 钌 铑 钯4d75s1 4d85s1 4d105s0 Os Ir Pt 锇 铱 铂5d66s2 5d76s2 5d46s1惰性，多以单质形式存在。熔点通常较高 (Os：3318 K Pd：1825 K)强催化性能，合成

21、氨用Ru催化剂。强吸氢能力，1体积Pt可溶1千体积H2多种氧化态， Pt：+2、+4， Os：+6、+8。铂系元素特征：化学惰性。Os、Ir不溶于“王水”，Ru、Rh仅微作用，Pt溶于“王水”，Pd溶于HNO3。熔融强碱和Na2O2对铂系金属有腐蚀作用。 世界储量71000吨 （1998）, 已生产8000吨 南非88.7% 俄罗斯8.7% 美国 1% 中国0.1%稀土金属Rare Metals10.2.3金属和合金稀土金属Rare Metals稀土元素位于周期表中的B，特征氧化数为+3，根据洪特规则，当d或f轨道处于全空、全满或半满时，其原子或离子有特殊的稳定性金属和合金稀土金属Rare M

22、etals镧系元素的外层和次外层构型基本相同，f轨道是充满、半充满或未充满，所以镧系元素单质及其离子的物理和化学性质之分相似。另一方面，镧系元素随核电荷增加和4f电子数目不同所引起的半径变化，使它们的性质略有差异，成为镧系元素得以区分和分离的基础。在17种稀土元素中，钪（Sc）的化学性质与其他16种有较大差异，与碱土金属更加相似，所以稀土一词一般只包括钪以外的16种元素。稀土元素的结构与性能金属和合金稀土金属Rare Metals稀土元素的结构与性能铈（Ce）和铽（Tb）失去4个电子时，4f轨道分别处于全空和半满，所以+4氧化物也较稳定；镨（Pr）和镝（Dy）失去4个电子时，4f轨道接近全空和

23、半满，所以也可存在+4氧化物；同理，铕（Eu）和镱（Yb）失去两个电子时，4f轨道分别处于半满和全满，可形成稳定的+2氧化数的化合物，钐（Sm）和铥（Tm）的+2氧化数化合物稳定性较差。金属和合金稀土金属Rare Metals稀土元素的结构与性能钪（Sc）钇（Y）镧（La）原子、离子半径逐渐增大镧（La）铈（Ce）镥（Lu）离子半径逐渐减小这种镧系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩。金属和合金稀土金属Rare Metals期系元素中每增加一个质子，相应的一个电子进入4f轨道。而4f电子对原子核的屏蔽作用与内层电子相比较小，有效核电荷增加较大，核对最外层电子的吸

24、引力增强。铕（Eu）和镱（Yb）收缩趋势反常，这是因为Eu和Yb的电子构型具有半充满4f2和全充满4f14的稳定结构，对原子核有较大的屏蔽作用。稀土元素的结构与性能 镧系收缩的原因金属和合金稀土金属Rare Metals钇的离子半径（Y3+）与Tb3+、Dy3+的离子半径相近，导致钇在矿物中与镧系金属共生。镧系收缩也使镧系后面的金属元素锆（Zr）与铪（Hf），铌（Nb）与钽（Ta），钼（Mo）与钨（W）的半径几乎相等，造成这三对元素性质非常相似，形成共生元素对，给分离工作带来很大困难。稀土元素的结构与性能 镧系收缩的重要性金属和合金稀土金属Rare Metals稀土元素呈银白色，较软，具有延展

25、性。有很强的还原性。金属的活泼顺序有钪（Sc）经钇（Y）到镧（La）递增，由镧（La）到镥（Lu）递减。稀土元素的物理化学性质温度室温473K453K1275K反应元素卤素卤素氧气氮气硫氢气生成物LnX3剧烈燃烧Ln2O3LnNLn2S3LnH2金属和合金稀土金属Rare Metals在1275K时，与水反应生成Ln(OH)2或Ln2O3xH2O沉淀，并放出H2，加热会使反应加速。稀土金属及其合金具有吸收气体的能力，且吸氢能力最强，所以可用作储氢材料。钆（Gd）具有4f7电子构型，可实现电子只朝一个方向自旋的状态，所以具有铁磁性。4f电子不足半数轨道的轻稀土金属具有顺磁性。稀土金属及其化合物都

26、是重要的永磁材料，如第一代的SmCo5永磁体、第二代的Ln3（FeCo）17和第三代的NJ-Fe-B化合物等永磁材料。金属和合金稀土金属Rare Metals轻稀土（铈组：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、EM）重稀土（钇组：Gd、Tb、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb、LM）按照物理，化学性质的微小差异和稀土矿物的形成特点，以钆为界：按照稀土金属的分离工艺可分为三组：轻稀土（铈组）中稀土（铽组）重稀土（钇组）金属和合金稀土金属Rare Metals我国稀土矿的储量达1亿吨之多，占世界稀土总储量的70%以上。 稀土矿种类混合型矿 主要分布于内蒙古白云鄂博离子吸收型矿 主要分布于江西省 独居石

27、 世界范围内广泛分布 磷钇矿 主要分布于广东与广西 到20世纪80年代，我国已能够独立生产各种单一稀土，并出口国际市场。金属和合金稀土金属Rare Metals从矿物中提取稀土金属精矿的分解化合物的分离和纯化稀土金属制备火法分解湿法分解分级结晶法分级沉淀法选择性氧化还原法离子交换法溶剂萃取法熔盐电解法金属热还原法金属和合金稀土金属Rare Metals未经分离的混合稀土的应用分离稀土的应用催化剂 主要应用于石油裂解催化剂铈镧合金 主要应用于引火合金、钢铁添加剂（脱氧剂、脱硫剂）、球墨铸铁和高强度钢的冶炼、轻金属添加剂等。研磨材料 Ln2O3和CeO2等用于玻璃、光学透镜和显像管的研磨等。利用稀

28、土金属与4f电子有关的特性，可作为永磁材料，磁泡存储器、磁制冷剂、微波元件、超导材料等。利用稀土金属的离子半径、电荷、晶体结构、化学反应活性等特性，可用作固体电解质、热敏电阻、热电体、压电体、发热体、催化剂、储氢合金等。稀土还可制造有色玻璃和吸光玻璃，可以做磁、光记录材料 10.3 合金Alloys金属和合金休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金合金的生成常会改善元素单质的性质合金的物理性质，例如密度、反应性、杨氏模量、导电性和导热性可能与合金的组成元素尚有类似之处。合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。多数合金没有固定的熔点，温度处在熔化温度范围间

29、时，混合物为固液并存状态。休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金合金材料黑色金属合金：钢铁、镍合金、钴合金有色金属合金：铝合金、铜合金、钛合金、镁合金、锌合金金属功能材料：磁性合金：软磁合金、硬磁合金电性合金：电热合金、超导材料等形状记忆合金、热膨胀合金减振合金、储氢合金等。休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules10.3.1休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金（一）固溶体固溶体：合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。固溶体与溶剂具有相同晶体结构。固溶体的类型：1、间隙固溶体 ； 2、置换固溶体。

30、 1、间隙固溶体间隙固溶体： 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。都是有限固溶体，也是无序固溶体。休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金2、置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。置换固溶体可以是有限固溶体也可以是无限固溶体。有限固溶体:固溶体的溶解度是有限的。无限固溶体：固溶体的溶解度是无限的。形成无限固溶体的必要条件：是溶剂与溶质的晶体结构相同。休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和

31、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。固溶强化的特点和规律：固溶强化的程度(或效果)不仅取决与它的成分，还取决与固溶体的类型、结构特点、固溶度、组元原子半径差等一系列因素。间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著。溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著。15%定律休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金固溶体的原子尺寸差大于15%时，尺寸因素不利，固溶度很小固溶体的原子尺寸差小于15%时，尺寸因素成为次要因素，固溶度受其他影响因素决定稳定中间相化学亲和力中间相（或金属间化合物）越稳定，自由能越小，固溶度越小

32、。铜锌 Cu（2.55）- Zn（2.65） 铜镉 Cu（2.55）- Cd（2.97）砷铜 原子直径比1.02 6%锑镁 原子直径比1.06 很小休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金e价电子数a原子数V溶剂的原子价x溶质原子的百分数v溶质的原子价铜锌系相图 相结构电子浓度临界值面心立方1.38 体心立方1.48 复杂结构1.581.66 密排六方（c/a=1.56）1.781.87 密排六方（c/a=1.86） 休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金尺寸因素化学亲和力因素电子浓度因素离子键特征中间相或者金属间化合物化学亲和力因素起较大作用金属

33、键特征固溶体和中间相电子浓度因素起较大作用休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金电子化合物 是由第一族或过渡族元素与第二至第四族元素构成的化合物，他们不遵守化合价规律，但满足一定的电子浓度，虽然电子化合物可用化学式表示，但实际成分可在一定的范围变动，可溶解一定量的固溶体。 电子化合物是中间相的一类，亦称为休姆相。合金中的成分和结构决定于电子浓度的化合物。休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金休姆-罗瑟里电子化合物的合金结构原理原子半径大小的关系；原子的相对电负性关系；价电子的浓度。族元素价电子数B, , La系Mn, Fe, La系0(1,2)B

34、Cu, Ag, Au1ALi, Na1A, BBe, Mg, Zn, Cd, Hg2AAl, Ga, In3ASi, Ge, Sn, Pb4AAs,Sb5休姆-罗瑟里规则Hume-Rothery Rules金属和合金3 / 221 / 137 / 4结构体心立方CsCl型 -Mn型复杂立方-黄铜型密排六方- 相合金CuBe Ag3Al CuZn Au3Al Cu3Al Cu5Sn Cu5Si AgZn CoZn3 NiAlCu5Zn8 Cu9Al4 Fe5Zn21 Ni5Zn21 Na31Pb8 Rh5Zn21CuZn3 Cu3Sn Ag5Al3 AuCd3稳定的电子化合物金属与合金的电阻Re

35、sistance of Metals &Alloys10.3.2金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金电阻的本质电子波在晶体点阵中传播时要与振动的离子发生碰撞受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金电阻产生的机制（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶 体缺陷等），对电子波产生散射。金

36、属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金纯金属的电阻电子与离子两次碰撞间是自由移动的，碰撞散射后电子在前进方向的平均迁移速度为0。在外加电场的继续作用下电子又定向自由前进。在自由程的终点，电子定向迁移速度的平均值为V1，V1为加速度a=eE/m与两次碰撞间平均自由移动时间t的乘积。每经过时间t，电子的平均定向迁移速度都是由0变到V1，取平均值电流密度可以表示为其中n为金属单位体积内含有的导电电子数。金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金纯金属的电阻电导率电阻率(n 越多，l 越大，则 越大， 越小)金属与合金的

37、电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金纯金属的电阻与温度的关系oT电阻率与温度的关系高温时，电阻与绝对温度成正比低温时，电阻与绝对温度的五次方成正比金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金晶格振动对电阻影响的爱因斯坦模型金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金晶格振动对电阻影响的爱因斯坦模型金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低（电阻增大）。即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性的金属溶

38、质也是如此。主要原因：原子半径差引起的晶格点阵畸变，增加了对电子的散射，使得电阻增大。半径差越大，越明显。合金的电阻金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金马德森定则金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性可制成电阻温度计，但有的合金电阻率几乎不受温度的影响，可制成标准电阻。金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金诺伯里定则电阻率的变化与溶剂原子和溶质原子的原子价有关。A1 常数A2 常数Zm 溶剂原子的原子价Zi 溶质原子的原子价金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属

39、和合金金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金超导现象超导现象出现的基本标志是“零电阻效应”和“迈斯纳效应”，但还伴随着多种特征的出现。零电阻效应：20世纪初，科学家发现，某些物质在很低的温度时，电阻就变成了零，用具有这种性能的材料可以做成超导材料。我国超导临界温度已提高到零下120即153K左右。迈纳斯效应：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金超导材料约瑟夫

40、森效应 Josephson effect电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。 两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。金属与合金的电阻Resistance of Metals &Alloys金属和合金超导材料的主要应用：利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高

41、能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快1020倍，功耗只有四分之一。 10.4 金属合金的举例和应用Examples & Applications金属和合金钢 铁Iron & Steel10.4.1钢 铁Iron & Steel金属和合金纯铁的同素异晶转变 同素异晶转变：金属在固态下随温度的

42、改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象。 纯铁在冷却时的相变过程：钢 铁Iron & Steel金属和合金铁素体奥氏体渗碳体碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体。用F表示。碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体。用A表示。铁与碳相互作用所形成的具有复杂晶格结构的金属化合物。用Fe3C表示。钢 铁Iron & Steel金属和合金 铁碳合金相图钢 铁Iron & Steel金属和合金Fe-Fe3C相图分析1148 共晶转变727 共析转变共晶转变产物莱氏体Ld共析转变产物珠光体P钢 铁Iron & Steel金属和合金钢铁分类(按含C量分)0.0218%工业纯铁铁素体2.11%钢白口铸铁6.69%0.77%

43、亚共析钢铁素体+珠光体共析钢珠光体过共析钢珠光体+二次渗碳体4.3%共晶白口铸铁变态莱氏体过共晶白口铸铁变态莱氏体+一次渗碳体 亚共晶白口铸铁变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体钢 铁Iron & Steel金属和合金典型铁碳合金的结晶过程及组织合金：共析钢合金：亚共析钢 合金：过共析钢 铁素体珠光体珠光体网状二次渗碳体 钢 铁Iron & Steel金属和合金典型铁碳合金的结晶过程及组织合金 ：共晶白口铸铁合金：过共晶白口铸铁 一次渗碳体变态莱氏体珠光体二次渗碳体 = 变态莱氏体共晶渗碳体合金：亚共晶白口铸铁 珠光体二次渗碳体变态莱氏体钢 铁Iron & Steel金属和合金钢材的分类质量百分数分

44、：低碳钢（C：0.25）中碳钢（C：0.25 C 0.6）高碳钢（C：0.6）按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）：普通碳素钢（S 0.055，P 0.045)优质碳素钢（S 0.040，P 0.040)高级优质碳素钢（S 0.030，P 0.035)按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等 碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等钢 铁Iron & Steel金属和合金铸铁的分类碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。灰口铸铁白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁(gray iron)是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大

45、部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名，它包括一般灰口铸铁（简称灰铸铁）、球墨铸铁、麻口铸铁、孕育铸铁、稀土灰口铸铁等。灰口铸铁其断口的外貌呈浅灰色，故称为灰口铸铁（灰铁）。此价格便宜，应用广泛，灰口铸铁占铸铁的总产量80%以上。不含石墨的铸铁。几乎全部的碳都与铁形成渗碳体。具有很大的硬度和脆性。不能承受冷加工，也不能承受热加工，只能直接用于铸造状态。麻口铸铁，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁。麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在，断口夹杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨。钢 铁Iron & Steel金属和合金 石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。灰口铸铁的抗拉前

46、强度和塑性较低，这是因为石墨对基体的严重割裂所造成的。石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞，它减小基体的抗拉强度，并引起应力集中。石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。石墨的存在对铸铁的特殊作用铸铁的切削加工性能优异；铸铁的铸造性能良好；铸铁具有耐磨性；铸铁具有良好的减振性；铸铁对缺口不敏感；对铸铁的作用。10.4.2钛及其合金Titanium & Titanium Alloys金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys 钛工业开始于1948年，钛及其合金是第二次世界大战之后，由于航空及航天技术的迫切需要才发展起来的新材料。过去钛被称为稀有金属，最近又有人把它归类为轻金属。钛

47、合金的优点 重量轻、强度高、高低温性能好、耐蚀、比强高工作温度范围宽 特殊的物理、化学和生物性能和特殊的技术功能（超导、记忆、储氢） 导热性、切削加工性差冶炼加工困难，成本高钛合金的缺点熔点：1670（166810）沸点：3535密度：4.5103kg/m3导电率：是Cu的3.6 比电阻（25）（4255）10-6Wcm顺磁性：磁化率 1875弹性模量：112500MPa，是Fe的弹性模量的一半左右导热系数：（25 ）0.0420.047 cal /s.cm. 热膨胀系数：（25 ）8.510-6/比热：（0500）0.1250.140 cal/g. 有同素异晶转变：882 以上（-Ti）体心

48、立方晶格 882 以下（-Ti）密排六方晶格金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys纯钛的物理性质钛的化学性质很活泼液体钛几乎同二氧化钍(ThO2)以外的所有坩埚材料起反应，因此只能用真空自耗电弧炉进行熔炼和铸造。在550以下的空气中，抗氧化，表面形成致密氧化膜，与基体结合紧密防止基体继续氧化， 起到良好的保护作用。在550以上的空气中，不抗氧化，氧能迅速透过氧化膜继续氧化，因此钛的工作温度不能超过550 金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys钛的化学性质高纯钛的强度不高，塑性很好。b240MPa ； 0.2145 MPa；55

49、% ；75%微量的O、N、C可强烈提高纯钛的硬度，明显降低其塑性钛的纯度与硬度的关系金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys纯钛的力学性能Ti99.9599.899.699.599.4HV90145165195225钛合金按退火组织可分为、 +、三大类。分别在钛字的拼音字母“T”后附以A.B.C和数字加以区别，其中A、B、C为英文字母，本身无任何意义，T为汉语拼音型 TA TA0TA3 工业纯钛 TA4TA6 (TiAl） TA4TA8 a型钛合金型 TB TB1、TB2 +型 TC TC1TC10金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Al

50、loys钛合金的分类金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys钛合金 这类合金中元素主要是a稳定元素（Al）和中性元素（Sn、Zr），有时也含少量稳定元素。Al、Sn、Zr主要起固溶强化作用。有的合金加Cu提高强度及蠕变抗力，加Pd（钯）提高抗蚀性。 钛合金的特点：热稳定性好（组织稳定，高温性能好），焊接性好，抗蚀性高，强度不很高变形抗力大，热加工性差，一般不能热处理强化（Ti-2Cu合金除外）。金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys型钛合金 工业上用的 钛合金的组织中仍以相为主，一般相的相对量小于30%。 型钛合金的特点：有较好

51、的综合机械性能，强度比钛合金高。可热处理强化，热加工性好。组织不够稳定，焊接性不好。 这种合金即加入稳定元素，又加入稳定元素，使得和相同时得到强化，通常稳定元素的加入量为46，获得810的相。金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys钛合金 稳定的钛合金唯一得到生产应用的是苏联的4201（Ti-33Mo） 钛合金的特点高的抗蚀力，好的可焊性。优秀的工艺、塑性，可在冷状态进行薄板轧制。不能热处理强化 Ti-Mo系耐蚀合金：Ti32Mo，在沸腾的20HCl和沸腾的40H2SO4中腐蚀率不大于0.254mm/a，与钽、铂、金处于同一数量级。金属和合金钛及钛合金Titan

52、ium & Titanium Alloys亚稳钛合金工业上用的是亚稳钛合金亚稳钛合金的特点：与相比，突出的优点：在固溶状态下有很好的冷成型性经时效强化后有高的屈服强度和断裂韧性淬透性比（ ）合金好其缺点：耐热性差（高温组织不稳定），密度大，焊接性不好长期使用温度不能超过250。由于含有大量稳定共析元素Cr，长期加热会析出使合金脆化的金属化合物（TiCr2）。金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys钛及钛合金的应用航空航天：制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。一般工业：制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境

53、污染控制装置。功能材料：生产贮氢材料和形状记忆合金等。医学应用：生物材料等。金属和合金钛及钛合金Titanium & Titanium Alloys钛及钛合金的应用镁及镁合金Magnesium & Magnesium Alloys10.4.3金属和合金镁及镁合金Magnesium & Magnesium Alloys镁及镁合金的特点优点：密度小 （纯Mg 1.7103kg/m3）比强度高 抗震能力高切削加工性和抛光性能好缺点： 抗蚀性差熔铸困难冷变形困难（六方金属）通常铸造和热加工后使用铸造Mg合金的用量比变形Mg合金的用量大金属和合金镁及镁合金Magnesium & Magnesium Al

54、loys纯镁的物理性能密度1.7g/cm3，熔点651，密排六方金属，原子直径3.196，无同素异构转变，电导率是Cu的37顺磁性（磁化率比Al小，为75）弹性模量45GPa（弹性模量小，在外力作用下能产生较大的变形，在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击功，可制造承受冲击载荷的零件。）Mg的强度与纯Al差不多，但屈服强度和塑性比Al低，这是Mg及多数Mg合金的一个缺点。金属和合金镁及镁合金Magnesium & Magnesium Alloys纯镁的化学性能Mg具有很高的化学活泼性，在室温下表面形成氧化镁薄膜，由于氧化镁很脆而且不如氧化铝致密，故镁在潮湿空气中，特别在盐水中的抗蚀性很差。但Mg在

55、氢氟酸水溶液和碱类以及石油产品中具有较高的抗蚀性。用途：制造镁合金，其它合金添加元素，烟火工业、化学、石油部门金属和合金镁及镁合金Magnesium & Magnesium Alloys镁及镁合金的应用航空航天：镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。适于制造发动机齿轮机匣、油泵、油管、摇臂、襟翼、舱门和舵面等。汽车上的应用零部件：壳体类（如离合器壳体、阀盖、仪表板等）、支架类（转向支架、刹车支架等）。手机或笔记本电脑的枝撑框架和背面的壳体。单反相机的骨架等。铜及铜合金Copper & Copper Alloys10.4.4金属和合金铜及铜合金Copper & Cop

56、per Alloys铜及铜合金是人类应用最早的一种金属，它有引人注目的三大特点： 高的电导率和导热率易成形（包括变形和铸造）良好的耐蚀性金属和合金铜及铜合金Copper & Copper Alloys铜及铜合金分类 由于脱氧方法和含氧量的不同，工业纯铜分三大类：工业纯铜（韧铜） 含氧（0.020.1）脱氧铜 含氧（0.01，用P、Mn脱氧）无氧铜 含氧（0.0010.003，在真空或保护气氛下熔炼） 按化学成分的不同，铜合金分为四类：黄铜 Cu-Zn合金白铜 Cu-Ni合金青铜 Cu-Sn合金 Cu-Al合金 Cu-Be合金金属和合金铜及铜合金Copper & Copper Alloys铜及铜

57、合金应用电气工业电力输送中主要用于动力电线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。在电机制造中主要用铜部位是定子、转子和轴头等。通讯电缆和住宅用电线路。电子工业电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等。铜印刷电路主要是铜箔和铜板。集成电路和引线框架。金属和合金铜及铜合金Copper & Copper Alloys铜及铜合金应用交通工业造船的标准材料主要有铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜（锡锌青铜）、白钢以及镍铜合金。汽车行业主要用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。铁路的异形导线和飞机的冷却、抗磁等系统。轻工

58、业空调器的铜管。钟表的工作部件。造纸、印刷、医药等方面。金属间化合物和超热合金Intermetallic Compound & High Temperature Alloys10.4.51. 金属间化合物：合金组元之间相互作用形成的新相。AB2.结合键的结合方式金属键共价键金属键离子键金属键离子/共价KNa2Ni3AlMg2Si结合方式差异结构的不同金属和合金金属间化合物和超热合金Intermetallic Compound & High Temperature Alloys1.结合键成比例； 2.成分确定；3.非金属性典型； 4.有序超点阵结构。金属间化合物和超热合金Intermetallic Compound & High Temperature Alloys3.分类-按结合键类型金属和合金几何密排相的典型代表几何密排相体心立方系面心立方系长周期超点阵密排六方系金属间化合物和超热合金Intermetallic Compound & High Temperature Alloys金属和合金拓扑密排相的典型代表MgZn2中Mg原子排列如：MgZn2MgZn2中Zn原子排列金属和合金金属间化合物和超热合金Intermetallic Compound & High Temperature Alloys原子尺寸结合能类型电化学性质电子浓度电子化