金属的晶体结构.ppt

2018/9/23
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第一章金属与合金的晶体结构
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金属材料的化学成分不同,其性能也不同。
对于同一种成分的金属材料,通过不同的加工处理工艺,改变材料内部的组织结构,也可以使性能发生极大的变化。
可见,除化学成分外,金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
金属和合金在固态下通常都是晶体,要了解金属及合金的内部结构,首先应了解晶体的结构,其中包括:
晶体中原子是如何相互作用并结合起来的;
原子的排列方式和分布规律;
各种晶体结构的特点及差异等。
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金属的传统定义:
良好导电性、导热性、延展性(塑性)和金属光泽的物质。
但锑延展性不好;铈和镨导电性还不如非金属(如石墨)。
由性能确定,不具有共性,没揭示金属与非金属的本质区别。
金属
严格定义:
具有正的电阻温度系数的物质,非金属的电阻都随温度升高而下降。
由原子结构和原子间的结合方式确定。
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金属的最外层电子数很少(1~3),外层电子与原子核的结合力弱,容易脱离原子核的束缚而变成自由电子;原子成为正离子,将这些元素称为正电性元素。
过渡族金属元素的核外电子先填充次外层再填充最外层电子,很容易失去,化合价可变。结合力特强,表现为熔点、强度高。
1、金属原子的结构特点
原子(10-10m、Å = 10-1nm)= 带正电的原子核(质子+中子) (10-14m)+ 带负电的按能级排布核外电子(最外层与次外层为价电子) 。
非金属外层电子数较多,最多7个,最少4个,易获得电子,原子成为负离子,故非金属元素又称为负电性元素。
可见原子外层参与结合的电子数决定着结合键的本质,对化学性能、强度等特性有重要影响。
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2、金属键
处于集聚状态的金属原子将价电子贡献出来,为整个原子集体所共有,形成电子云。
贡献出价电子的原子,变成正离子,沉浸于电子云中,依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结合—形成金属键—没有饱和性和方向性。
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中性原子
正离子
电子云
用金属键的特点解释金属特性
导电性—自由电子在电场作用下定向移动形成电流;
导热性—自由电子的运动和正离子振动;
正电阻温度系数—正离子或原子的振幅随温度的升高增大,可阻碍电子通过,使电阻升高;
金属光泽—电子跃迁吸收或放出可见光;
延展性—无饱和性和方向性。
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共价键
相邻原子共用其外部价电子,形成稳定的电子满壳层。金刚石中的碳原子间即为共价键。
离子键
正电性元素与负电性元素相遇时,电子一失一得,各自成为正、负离子,正、负离子间靠静电作用结合而成。NaCl
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3、结合力与结合能(双原子作用模型图解)
原子间结合力是由自由电子与金属正离子间的引力(长程力),以及正离子间、电子间的排斥力(短程力)合成的。当两原子间距较大,引力>斥力,两原子自动靠近;当两原子自动靠近,使电子层发生重叠时,斥力↑↑;直到两原子间距为d0时,引力=斥力。任何对平衡位置d0的偏离,都将受到一个力的作用,促使其回到平衡位置。原子间最大结合力不是出现在平衡位置d0而是在dc位置,最大结合力与金属的理论抗拉强度相对应。
结合能是吸引能和排斥能的代数和。当原子处于平衡距离d0时,其结合能达到最低值,此时原子的势能最低、最稳定。任何对d0的偏离,都会使原子势能增加,使原子处于不稳定状态,原子就有力图回到低能状态,即恢复到平衡距离的倾向。
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金属的晶体结构
1、晶体的特性:
天然晶体(宝石) →规则外型金属一般无规则外型
晶体→原子在三维空间按照一定的规律周期性的重复排列。
具有固定的熔点、各向异性。
不同方向上的性能,表现出差异,称为各向异性。
非晶体→内部原子杂乱无章