9金属的结构和性质.ppt

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1、 1. 金属的性质和金属键 2. 球的密堆积和金属单质的结构 3. 合金的结构和性质 4. 准晶 5. 非晶态合金 第九章 金属的结构和性质 （课堂讲授0学时） 谤 右 淡 反 授 膀 访 妙 瞎 成 锡 灾 酶 窒 弄 疑 缎 乡 尤 昨 佛 蔗 珠 坞 僳 烈 眨 涪 熬 濒 多 酥 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date1 教学目标 第九章 金属的结构和性质 了解金属键理论，掌握等径球密堆积原理和金属单质的 主要结构A1、A2、A3、A4,了解合金结构分类并掌握一些典 型合金化合物，了解晶态、非晶态、准晶态之间的区别。 学习要点 等径球密堆积原理

2、与空间占有率。 金属单质结构A1、A2、A3、A4堆积形式。 合金结构可分为三类：金属固溶体、金属间隙化合物、 金属化合物及其典型例子。 晶体、准晶、非晶的区别。 学时安排 学时- 2学时 椭 肃 晴 章 槐 忽 狈 卿 冒 婿 肆 卯 婚 妥 咯 拖 赌 掌 畅 根 帅 硅 尉 株 叹 馈 议 悠 痴 快 傲 植 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date2 在一百多种化学元素中，金属元素约占80% 。 它们都具有金属光泽、有很好的传热导电性，金属 的这些性质是它们内部结构的反映。金属元素很多 ，大致可分为两大类，一类为简单金属，另一类为 过渡金属，稀土

3、和锕系金属。 简单金属主要指碱金属、碱土金属等。在这类 金属中，元素的电负性较小，电离能也较小，最外 层价电子容易脱离原子核的束缚，在金属中运动。 这样原子实和价电子可截然分开。前者原子实对金 属整体来说，它的影响是局域的，而后者价电子 则是整体公有的。 9.1 金属键和金属的一般性质 第九章.金属的结构和性质 滑 世 姚 吗 猴 栏 晚 虱 色 病 似 薯 肆 尘 事 茁 腿 釜 韶 品 蛙 起 执 鹏 湍 绰 楼 唆 嘛 恃 之 拂 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date3 这类金属用近自由电子模型，获 得了与实验大致相符的结果。 另一类金属包括d

4、壳层未填满的过渡 金属、4f壳层未填满的稀土金属，5f壳层 未填满的锕系金属，这些未填满的次层电 子能级和外层S,P电子相近，这些d电子或f 电子介于公有化与局域化状态之间，所以 要有特殊的理论处理。 贵金属介于两者之间，它们部分性能 和简单金属相似，而另一部分性质与过渡 金属相似。 窑 目 戎 盲 祁 沪 鸯 彝 谐 羌 管 脏 途 身 榨 贺 螺 左 说 话 萤 雄 羡 策 殖 涕 启 硕 达 腔 蔗 葱 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date4 自由电子模型，固体能带理论 金属元素的电负性较小，电离能也较小， 最外层价电子容易脱离原子核的束缚，而

5、在 金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较 自由地运动，形成“自由电子”或“离域电子”。 这些金属中的自由电子可看作彼此间没有相 互作用、各自独立地在势 能等于平均值的势 场中运动，相当于在三维势箱中运动的电子 。按照箱中粒子的Schrdinger方程并求解， 可得波函数表达式和能级表达式。 9.1.1 金属键的自由电子模型 金属键理论主要有两种： 减 殉 选 犹 旗 互 回 琉 客 猩 酮 柞 迹 檬 兢 疹 漾 募 病 杉 铜 洪 迸 桐 废 睹 墨 糯 蒸 屿 乃 囱 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date5 自由电子模型的Schrdinger方

6、程: 宜 惕 桶 釉 柑 年 容 虑 池 始 创 账 血 傻 苔 侥 觅 梨 宰 尘 票 藕 笋 咳 汐 泌 针 枯 暮 暂 倪 寻 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date6 体系处于0K时电子从最低能级填起 ，直至 Fermi 能级EF，能量低于EF的能 级, 全都填满电子，而所有高于EF的能级 都是空的。对导体，EF就是0K时电子占 据的最高能级，其值可从理论上推导， 也可用实验测定。 每一组量子数(n x , n y , n z )确定一个 允许的量子态，因 对 E值确定的状态，用n x 2+ n y 2 + n z 2相等 的任意一组数均可。若

7、考虑电子自旋， 还要加入自旋磁量子数ms . 诞 弧 镐 男 牧 贴 蔬 锡 舜 蕾 其 菱 搁 管 适 霄 侥 翟 婆 辅 赛 醋 彩 嘴 螟 站 苟 侨 速 纤 抿 薛 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date7 计算n F和EF值，具有n小于n F的点数为 ， 每一状态可放2个电子（ ms =1/2），故共可放 个电子。 若金属的立方体势箱的边长为l，则体积为l3。单 位体积有N个电子，则共有N l3个，即 禾 敖 耸 刚 钡 碱 薯 绊 扑 送 厢 填 留 抄 蹲 照 丘 挡 阅 欣 碗 蚌 但 忌 俭 蒙 准 弊 筒 翼 建 劳 9 金 属 的

8、 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date8 0K时的Fermi能级 例如金属钠，密度为0.97g cm-3，每一个原子 提供一个自由电子，电子密度为： 胃 略 衙 摘 柴 柜 堕 与 樱 字 澄 埃 螟 绰 沸 预 栅 谍 呕 鬃 舱 彬 愉 阅 氢 岳 锚 逗 故 馋 贺 灾 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date9 金属键的强度可用金属的原子化热(气化热) 来衡量。原子化热是指1mol的金属变成气态原 子所需吸收的能量。金属的许多性质跟原子化 热有关。例如原子化热小，金属较软，熔点较 低；原子化热大，金属较硬，熔点较高等。

9、 实验测定金属钠的EF值为3.2eV，与计算 所得结果符合较好，由金属钠的EF值可见，即 使在0K时，电子仍有相当大的动能。 当温度升高，部分电子会得到热能，所得 热能的数量级为kT。室温下，kT约为4。 1410-21J；而大多数金属的EF值约为（310 ）10-19J， kT比EF值约小2个数量级。 婉 牧 翠 讼 蜒 秃 轨 积 毙 捧 褂 麦 冶 射 铬 卷 屠 逗 漓 沉 所 阔 人 侵 再 穴 淄 汲 寇 馒 除 葫 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date10 简单金属的自由电子模型是个很简单的模型， 价电子完全公有，构成金属中导电的自由电

10、子， 原子实与价电子间的相互作用完全忽略，自由电 子之间也是毫无相互作用的理想气体。为了保持 金属电中性，可设想原子实带正电分布于整个体 积中，和自由电子的负电荷正好中和。 自由电子波函数可用一平面波表示 其中为波矢量，V为金属体积，与边长L关系 V = L3 这样自由电子类似势箱中和自由粒子，自由电 子在金属中的零势场中运动，相应能量可表示为 漆 遣 续 巫 陨 蜡 鸭 垣 蝴 焰 叫 敝 骤 旭 伞 赋 谆 博 彬 绚 垃 椰 乱 宽 仗 秉 崖 鼎 桑 甫 傣 挣 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date11 自由电子气模型完全忽略电子间的相互作用

11、，也忽 略了原子实形成的周期势场对自由电子的作用，处理结 果当然与真实金属有差距，后来发展了“近自由电子模 型”（即在自由电子气中引入周期势场微扰），在一定 程度上反映了简单金属的实际情况，可作为金属电子结 构的一级近似。近年，有人提出用赝势理论处理简单金 属，即采用微弱的赝势代替电子与正离子间的相互作用 势，使问题得到简化。赝势可用正交平面波法解析导出 ，也可用参数直接构筑模型势。例如一模型赝势为 在绝对零度时，自由电子体系处于基态，N个电子 占据N/2个最低能级，最高占据能为费米能 傅 兑 疙 撑 措 即 慎 词 尽 员 追 聚 耽 痢 呻 孕 符 怨 抉 乾 寇 姚 柄 厘 躁 双 族

12、扎 矣 看 京 屠 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date12 即原子实半径R 以外和真实库仑势相同， 在原子实范围内用一个恒值势来代替 . 翼 边 嘴 承 离 狭 考 遣 卿 绸 错 那 秉 款 履 渭 友 范 早 通 瘫 顺 肿 浦 执 容 棒 功 价 桑 鹿 堡 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date13 R为原子实半径。 毙 麦 绰 吼 住 而 淳 撂 李 腋 潍 箕 滑 越 淬 人 颠 短 掂 沦 砧 省 图 正 钒 熔 侩 瑚 顾 渠 聋 袒 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结

13、构 和 性 质 Date14 该理论将整块金属当作一个巨大的分子 ，晶体中N个原子的每一种能量相等的原子 轨道，通过轨道叠加、线性组合得到N个分 子轨道，它是一组扩展到整块金属的离域轨 道。由于N 数值很大(1023)，所得分子轨道 各能级间的间隔极小，形成一个能带。每一 个能带人有一定的能量范围，相邻原子间轨 道重叠少的内层原子轨道形成的能带较窄； 轨道重叠多的外层原子轨道形成的能带较宽 。各个能带按能量高低排列起来，成为能带 结构。 9.1.2 固体能带理论 铀 缚 钞 吓 岩 速 汛 憎 黄 候 诱 间 澜 颈 叼 匣 辨 迂 肚 挨 涕 毗 砾 句 做 墨 范 删 敌 蚤 馅 糊 9

14、金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date15 能带中充满电子的叫满带，部分填有电子的 能带叫导带，没有电子的能带叫空带，各个能带 间的间隙是不能存在电子的区域叫禁带。 金属的能带结构的特点是存在导带，在导带 中的电子，受外电场作用改变其能量分布善而导 电，所以金属是导体。绝缘体的特征是只有满带 和空带，而且能量最高的满带和能量最低的空带 之间的禁带较宽，E g5eV，在一般电场条件下 ，难以将满带电子激发入空带，即不能形成导带 而导电。半导体的特征也是只有满带和空带，但 最高满带和最低空带之间的禁带较窄，E g106K/s)，已经 发展了许多技术。不同技术，

15、非晶态合金形成过程又有较大 的区别。制备方法大致可以分为三类： （1）由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、 化学气相沉积等，用这种方法非晶材料生长速率相当低，一 般只用来制备薄膜； （2）由液态快速淬火获得非晶态固体，这是目前最广的制 备方法； （3）由结晶材料通过辐射、离子注入等方法，可在金属表 面产生400um厚的非晶层。 3非晶态合金的制备 羊 冒 岗 琳 黑 捶 蚊 挨 囤 褪 卖 拉 榔 带 颂 栅 臆 嫉 牺 邮 酞 堤 氮 延 咖 缄 溶 砾 铝 晤 男 译 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date132 （1）过渡金属与类金属元

16、素（例如P、S、B、C等）形成的 合金，例如Pd80Si20，Au75Si25，Fe80B20，Pt75P25等，一般类 金属元素在合金含量约13%15%（原子比），实践证明，在 二元合金中若加入某些第三种元素，更容易形成非晶态材料 。 （2）前后过渡金属元素之间形成的合金 这类合金在很宽 的温度范围内熔点都比较低，形成非晶态的成分范围较宽。 例如：CuTi合金，Ti含量可在3370%之间，又如NiZr 合金，Zr的含量可在3380%之间变化。 （3）含La系、Ac系元素的非晶态合金。 4非晶态合金的分类 失 慨 岔 化 探 土 嘻 准 浦 袍 弹 练 改 吻 恭 沾 沽 熄 题 米 席 步

17、缨 废 舅 壶 指 梢 僧 脏 斌 暂 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date133 a.力学性能：非晶态合金具有极高的强度和硬度， 强度远超过晶态高强度钢，f/E是衡量材料达到理 论强度的程度，一般金属晶态材料f/E约为1/500， 而非晶态含量约为1/50，材料强度利用率大大高于 晶态。另外，非晶态合金的抗疲劳度亦很高，如Co 基非晶态合金可达1200MPa。非晶态合金的延伸率 一般较低，但韧性很好，变形时压缩率可达40%。 b.应用: 5.性能与应用 居 辞 饿 球 雏 瑶 超 疆 泛 标 玄 过 斯 磷 雾 捧 谷 章 珠 妓 移 瑶 擂 列

18、详 瞄 循 衙 画 迢 垄 郴 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date134 合金 硬度Hv (N/mm2 ) 抗拉强度 (N/mm2 ) 延伸 率 (%) 弹性模量 E(N/mm2) E Hv/f Fe80B20 10580 3400 1.7105 0.020 0.32 Fe80P13C7 7450 3040 0.03 1.2105 0.025 0.25 Co73Si15B12 8920 3000 0.9105 0.034 0.30 Ni78Si10B12 8430 2450 0.8105 0.031 0.35 Cu80Zr20 4020 1860

19、0.22 Nb50Ni50 8750 1.3105 表8-1 非晶态合金机械性能 柳 无 俘 啡 仲 掌 斗 匹 轩 晓 界 勃 侵 差 睬 嘴 贾 仆 雨 柬 铅 卸 甘 弗 凄 逞 供 蔗 肄 弛 悦 驹 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date135 Good bye! 屈 褪 肚 珍 院 西 胀 寿 摩 笑 底 旬 玲 氏 冻 仆 殃 碍 梗 辐 憾 旷 呵 邹 拖 獭 氛 俊 蒂 巴 问 其 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date136 再见！ 碳 朝 掠 鞠 郁 削 幅 遥 帖 芜 谜 缓 馈 踪 颁 讹 宿 伏 碱 覆 荡 到 翁 胁 妄 坞 唆 巩 绊 退 佩 冒 9 金 属 的 结 构 和 性 质 9 金 属 的 结 构 和 性 质 Date137