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1、 主讲 郭洪民电话 13576919861 M 3969611 O 邮箱 hmguo email 办公室 材A342Officehour 星期二下午 金属学Metallography 2011年9月 2012年1月 主要内容 2 1化学键的再研究 2 2典型金属的晶体结构 2 3合金相的晶体结构 第二章晶体结构 Crystalstructure 结构组织 原子结构 原子的空间排列 显微组织 2 1化学键的再研究 晶粒的大小 合金相的种类 数量和分布等参数 原子结构 原子的空间排列 显微组织 结构组织 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
2、影响到原子彼此结合的方式 从而决定材料的类型 结构组织 晶态和非晶态 晶体结构显著影响材料的力学性能 原子结构 原子的空间排列 显微组织 结构组织 当原子靠近到一定程度时 原子间会产生较强的作用力 结合力 1 一次键和二次键 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 共有价电子 电子云 键无方向性和饱和性 性能特点 良好的导电性及导热性 正的电阻温度系数 良好的强度及塑性 特有的金属光泽 金属键 离子键 共价键 一次键 金属键 离子键 共价键 得失价电子 正负离子 高熔点 高硬度 低塑 良好的电绝缘体等 一次键 金属键 离子键 共价键 共有电子对 键有饱和性 高熔点
3、 高硬度 低塑性 电绝缘体等 一次键 范德瓦尔键 二次键 形成 一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为分子键 特性 分子晶体因其结合键能很低 所以其熔点很低 硬度也低 但其绝缘性良好 问题 金属原子为什么趋于规则排列 金属单质 结合力与结合能 以双原子模型为例 NaCl 吸引力 正离子与负离子 电子云 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 2 键能曲线 式中 Zi为化合价 q为一个电子的电荷 e0为真空介电常数 x为离子间的距离 K和m都是常数 m 2 常见的实验值为m 12 引力 斥力
4、 离子间的平衡距离 结合力与结合能 x0就是原子之间中心到中心的平均距离 因此也叫做键长 原子间的键 能曲线 如果以x 时势能为零处作为能量的零点 在吸引力作用下 两个原子逐渐移近 引力愈来愈强 系统对外界做功 为负值 吸引能 排斥能 总的能量 对应U x曲线上的最小值是两个原子间的平衡距离 当x x0时 吸力大于斥力 当x x0时 吸力小于斥力 在x x0处 吸力和斥力平衡 可见要将原子相互间拉开或压缩都需要做功 都会引起能量的升高 U称为原子间的结合能或键能 它相当于把原子完全拆散所需要的功 由于它在能量曲线上总处于最低点 所以也称原子间的能阱或势阱 阱越深即位能越低 表示结合能越大 2
5、键的类型对材料性能的影响 不同金属 作用力曲线 作用能曲线的曲率 势阱深度不同碱金属钠 钾 锂等 曲线在E点附近较平缓 势阱小 说明原子间作用力弱或结合能小 铜 银 金等则正相反 说明结合力强 结合能大 前一类金属原子在平衡时 它的内电子层实际上并没有相接触 或者说 正离子间还有相当大的间隔 原子易压缩 刚度小 称之为开放型金属 后一类金属则不然 原子处于平衡时 其内电子层已有相当的重叠 原子很不易压缩 刚度大 称为封闭型金属 封闭型金属往往比开放型金属的弹性模量大 热膨胀系数小 熔点高 比热大 强度也高 键能 键长 U可以解释为将相距无限远的两个离子或原子集合在一起时系统所作的功 或等同于将
6、原子完全地相互分开所需向系统提供的能量 因此 在x0处U x 的大小 即能量势阱的深度 就是键的固有强度 即键能的度量 平衡间距x0对应于键长 从键 能曲线上能够直接获取一些重要的宏观材料性能 特别是可以估算键能 平均键长 弹性模量和热膨胀系数等 弹性模量E 考虑原子系统对外载荷的响应 键 力曲线在平衡位置附近时近似于直线 在x0处曲线的斜率 就是将原子从其平衡位置移开时所需力的度量 数学上 在x0附近 位移dx与力成正比 式中 是几何因子 E为材料特性 称为杨氏模量或称弹性模量 键 能曲线在x0处的曲率也正比于弹性模量 值得注意的是 曲率半径越小 刚度越高 这种关系的物理解释为 能量势阱的两
7、壁越陡 将原子从平衡位置移动所需的能量越大 a 虚线穿过等能量线段的中点 表明平均间距随能量 温度 增加而增大 b 两种材料的键能曲线 比较它们不同的线膨胀系数 键能曲线与线膨胀系数的关系 线膨胀系数ath 是与键 能曲线密切相关的另一个宏观特性 随着温度的升高 原子获得能量 能够 移升 到能量势阱的侧壁 图a表明在相应于能量E 的温度下 有两个相同E 的x值 如果假定原子在这两个位置之间振动 那么 中间点就表示平均间距 画出一系列等能量线段 连接其中点 我们看到平均原子间距随温度升高而增大 在一定的温度范围内 可以用线性方程表示这种关系 式中 xe为温度T时的平衡间距 x0为参考温度T0时的平衡间距 ath为线膨胀系数 随着键 能曲线不对称性的增加 ath的数值增大 具有高键能的材料 具有深的对称阱的材料 会有低的ath值 高熔点的元素具有强的一次键和低的线膨胀系数 结论
