金属学热处理第一节

另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90 °不断。
又如： 石墨和金刚石均由碳原子构成，但性能迥异。 原因：碳原子的空间排列方式不同
即内部组织结构不同
***材料科学研究的四要素及相互关系线： 化学成分 Composition 性 能 Performance
组织结构 Construction
内因
外因
加工工艺 Process
提高材料性能的主要途径： 一方面改变材料的化学成分，另一方面改进材料的生 产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。
4 目的 利用上述四要素关系和规律： （1）进行科学研究；
（2）指导生产实践；
（3）研制新合金材料。
二 本课程内容
1 金属材料科学研究内容： 成分、组织结构、工艺、性能
┗ 其课程体系：
四 参考文献
(1)材料科学基础, 西安交通大学, 石德珂 (2)金属学 ,宋维锡，冶金工业出版社 , 2000
(3)材料科学基础,潘金生,清华大学出版社 ,1998
(4)金属热处理,李松瑞,中南大学出版社,2003
第一章 金属的晶体结构
主要内容

金属 金属的晶体结构 实际金属的晶体结构
重点：金属的晶体结构 学时数：6学时
晶体——基元在三维空间呈规律性排列 晶体的主要特点是：
① 结构上长程有序；
② 物理性质表现为各向异性； ③ 有固定的熔点； ④ 在一定条件下有规则的几何外形(天然晶体才有)。 ⑤ 对称性（周期性）。
⑥ 最小内能和最大稳定性。
注意：晶体和非晶体在一定条件下可互相转化
晶体：金刚石、NaCl、
冰 等。
非晶体 ：

金属键：贡献出价电子的正离子沉浸在电子云中，它们依靠运动于其 间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来。这种结合方式称之为 金属键。

金属原子的结合力和结合能（说明了金属原子为什么具有规则紧密的 排列方式） 因为：只有当原子间保持一定平衡的距离，原子结合能（键能）
才最低，原子才处于最稳定状态。任何的偏离都将使原子结合能增加，
处于集聚状态的金属原子，全部或大部分将它们的价电子贡献出来，
金属键：贡献出价电子的正离子沉浸在电子云中，它们依靠运动于 其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来。这种结合方式称之 为金属键。 金属键模型认为：固态金属中并 非所有原子变为正离子，而是绝大 部分处于正离子状态，仍有少部分 处于中性原子状态。
金属学、金属热处理、金属材料学、
金属性能、材料分析技术与方法等
2 本课程主要内容: 金属学： 第一章 ~ 第八章
金属热处理：第九章 ~ 第十章 金属材料学：第十二章 ~ 第十三章
三 要 求
(1) 掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实 验方法；
(2) 掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能
间关系的一般规律； (3) 了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分 析方法。
3 其他类原子的结构特点
非金属原子: 其最外层的电子数很多，一般为4～7个。易获
得电子变为负离子，常称为负电性元素。
过渡族金属原子: 最外层的电子和次外层电子均可失去→导 致化合价可变；原子结合力特强（因为次外层电子也参与结合）
→宏观表现为熔点高，强度高。
外 层 电 子 作 用 形 式
稳定的八电子排布结构 接受或释放额外电子 共有电子
金刚石晶格模型(空间点阵)
空 间 点 阵 是 一 种 数 学 上 的 抽 象!
构成晶体的基元在三 维空间有规律的周期 性的具体排列方式
晶体结构
= 空间点阵 + 基元
甲：空间点阵
乙：基元，含有 两个不同的原子
丙：晶体结构
空间点阵的种类
布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用
数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，
②低温导电性差、高温离子导电；
③ 对可见光透明、吸收红外波长。
离子键
共价键
金属键
不易失去也不易得到价电子，而是 共有价电子成为8电子稳定结构→
键有饱和性和方向性→①高熔点、
高硬度、导电性差、低膨胀系数 (强化合键) 、性脆、延展性很差
(方向性)。如陶瓷
金属键
为整个原子集体所共有，称为电子云。
共有价电子→电子云→ 键无方向性和饱和性， 不易被破坏
Physical metallurgy and at treatment
一 课程性质、任务及目的
1 课程性质
专业基础课
2 考试形式 闭卷考试
共56学时
百分制
3 本课程的主要任务 研究金属与合金的化学成分、组织结构、加工工艺 和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律。 ┗ 此亦为金属学的研究内容
蜂蜡、玻璃等。
液体
晶体结构与空间点阵
原子（离子）的刚球模型
钢球模型—用钢球代表空间 排列的原子。 可直观地看出 原子在各个方 向的排列都是
很规则的。
但难看清原子 排列的规律和 特点。
怎么办？
点阵（晶格）模型
阵点—将构成晶体的原子或原子群抽象为纯粹的几何点。 空间点阵—
是一个几何
概念。是阵 点在三维空
四硼酸铝铱钕晶体
磷酸钛氧钾晶体
四硼酸铝钕晶体
材料的原子排列
非晶体——原子排列短程有序或无序 非晶体的特点是：
注意晶体与非晶体 的区别与联系
① 结构无序；
② 物理性质表现为各向同性； ③ 没有固定的熔点； ④ 热导率（导热系数）和膨胀性小。
单个的原子、离子、分子或彼此 等同的原子群或分子群等。
排斥力
＋F
结合力
排斥力
最大结合力= 理论抗拉强度
0
A
d0 B
dc
原子间距d
C －F
吸引力
排斥能＋
BC 斜 率 越 大 ， 原子离开平衡 位置所需力也 越大
结合能 排斥能
规则排列的重要原因。
推广到多原子，说明 原子趋于规则紧密排 列的原因
0
A
EAB 吸引能
原子间距d
㊣
双原子作用模型
小结

金属原子的结构特点: 其最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超 过3个。易失去电子变为正离子，常称为正电性元素。
§1.1 金属
㊣
金属：是具有正的电阻温度 系数的物质，通常具有良好 的导电性、导热性、延展性、 高的密度和高的光泽。
金属原子的结构特点
1、孤立自由原子的结构特点 原子核 (10-12cm) 电子(10-13cm) (9.1х 10-28g)
核外电子按能量等级由高到低分层排列 着，内层电子的能量最低，最稳定，最
）
B 远程有序排列 D 部分有序排列 ） B 随温度降低电阻下降的现象 D 随温度降低电阻升高的现象
3)正的电阻温度系数是指 （
A 随温度增高导电性增大的现象 C 随温度升高电阻减少的现象 4)金属键的一个基本特征是（ ）
A．没有方向性
C. 具有择优取向性
B．具有饱和性
D. 没有传导性。
§1.2 金属晶体典型结构
4)高分子材料的结合键是
。
3、判断
1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（
）
2)金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与 非金属的根本区别。（ ）
4、选择题 1)金属原子的结合方式是（ A．离子键 B 共价键 ） C 金属键 D 分子键
2)晶态金属的结构特征是（
A 近程有序排列 C 完全无序排列
金属及合金主要以金属键方式结合，
但也会出现金属键与共价键或离子 键混合的情况。
金属键模型
金属键的性能特点：
1)良好的导电性及导热性； 3)良好的强度及塑性； 2)正的电阻温度系数； 4)特有的金属光泽。
如何用金属键来解释金属所具有的特性呢？
导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。 正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对 自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增 加的。 导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。 延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。 金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当
4 材料的结构层次 原子结构→原子排列结构→微观结构→宏观结构
材 料 结 构
原子结构 原子的空 间排列
显微组织
原子核外电子的排布方式
显著影响材料的电、磁、 光和热性能，还影响到原 子彼此结合的方式，从而 决定材料的类型。
材 料 结 构
原子结构 原子的空 间排列 显微组织
晶态和非晶态。 晶体结构显著影 响材料的力学性 能。
分属7个晶系。
七个晶系及有关特征
晶系 立方 四方 正交 三方 六方 单斜 边长 a=b=c a=b≠c a≠b≠c a=b=c a1=a2=a3 c a≠b≠c 夹角 α =β =γ =90° α =β =γ =90° α =β =γ =90° α =β =γ ≠90° α =β =90°γ =120° α =γ =90°β =120° 晶体实例 Cu , NaCl Sn , SnO2 I2 , HgCl2 Bi , Al2O3 Mg , AgI S , KClO3
间静电引力 — 长程力
排斥力：正离子间，电子间的作用 力 — 短程力 结合力＝吸引力＋排斥力; 结合能＝吸引能＋排斥能 注意：当两原子距离很远时，不发生相互作用 金属键模型
两原子距离为do： F=0 距离大于do： F＜0（吸引力） 距离小于do：F＞0 （排斥力） 两原子势能E： 两原子距离为do：E=EAB（最小） →原子最稳定 EAB——原子结合能或键能 离开平衡位置势能↑ 原子间必须保持一定的平衡距离 do，这是固态金属中的原子趋于