金属学第二章 金属的晶体结构

电子云
中性原子 正离子
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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 ；
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
处于聚集状态的金属原子
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。
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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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) 。
一定条件晶体←→非晶体 ，玻璃高温长时间保温，非晶体→晶态玻璃； 液态金属急快冷却(冷速107℃／s) ，可形成非晶态金属。
性能发生显著变化。
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2、晶体结构与空间点阵 晶体结构： 指晶体中原子（或离子、分子、原子集团）的具体排列情况，也 就是晶体中的质点（也叫基元，可以是原子、离子、分子或者原子集 团）在三维空间中有规律的周期性重复排列方式。
• 例如最细的白金丝直径不过1/5000mm,纯净的金属
铂有高度的可塑性,可以冷轧制成厚度为0.0025mm
的箔。 延展性最好金属的是金。有人将28克金延伸
至65公里长。最薄的金箔只有1/10000mm厚，一两
黄金，压成金箔可覆盖两个篮球场。 金属的延展性
可以由金属的结构得到解释。当金属受到外力作用
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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1.1 金属
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。
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，阻碍自由电子的定向运动， 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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延展性
• 物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫 延性；在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不 破裂的性质叫展性。
金属之最
• 1.熔点最高的金属——钨 W • 2.熔点最低的金属——汞 Hg • 3.硬度最大的金属——铬 Cr • 4.密度最大的金属——锇 Os • 5.密度最小的金属——锂 Li • 6.地壳中含量最多的金属——铝Al • 7.人类冶炼最多的金属——铁Fe • 8.导热、导电性最好的金属——银Ag • 9.人体内最多的金属元素——钙Ca
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第二章 金属的晶体结构
体心立方结构 body-centered cubic (bcc)
面心立方结构 face-centered cubic (fcc)
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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。
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1.2 金属的晶体结构
用双原子模型解释形成晶体的原因： ★ 原子之间保持一定的平衡距离； ★ 原子周围要保持尽可能多的近邻原子。
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，至多有局部或短程规则排列。 无固定熔点、各向同性。
稳定的电子壳层。金刚石中的碳原子 间即为共价键。
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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 子间的结引合力能（是长吸程引力能）和，排以斥及能正的离代子数间、 电子和间。的当排原斥子力处（于短平程衡力距）离合d成0时的，。其当两 原子结间合距能较达大到，最引低力值＞，斥此力时，原两子原的子势自动 靠近能；最当低两、原最子稳自定动。靠任近何，对使d电0的子偏层离发，生 重叠都时会，使斥原力子↑势↑能；增直加到，两使原原子子间处距于为d0 时，不引稳力定＝状斥态力，。原任子何就对有平力衡图位回置到d低0的偏 离，能都状将态受，到即一恢个复力到的平作衡用距，离促的使倾其向回。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。
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。
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。
时，金属内原子层之间容易作相对位移，金属发生
形变而不易断裂，因此，金属具有良好的变形性。
但也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，没
有延展性。
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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
共价键 相邻原子共用其外部价电子，形成
原子堆垛模型： 假定晶体中的物质质点都是固定
的刚球，晶体由刚球堆垛而成。 优点：直观、立体感强； 缺点：很难看清内部原子排列的规律
和特点。
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空间点阵： 为清楚地表明原子在空间的排列规律性，常将构成晶体的实际质点