第八章习题金属的结构和性质

金属的物理性质和结构特点以及镁铝的性质重点内容讲解：镁和铝是学习周期表后最典型和最有代表性的金属，知识内容丰富，是应用周期律掌握元素化合物性质的典型内容；在学习时要注意运用对比的方法，并充分发挥理论对学习金属元素知识的指导作用等。

一、复习：几种晶体结构晶体类型：离子晶体氯化钠(NaCl)——结构特点：黄球表示钠离子(Na+) 绿球表示氯离子(Cl-)在NaCl晶体中，Na+与Cl-通过离子键相结合，每个Na+与和它紧邻的6个氯离子相连，每个Cl-与和它紧邻的6个Na+相连，Na+和Cl-在三维空间上交替出现，并延长形成NaCl晶体，NaCl 晶体中没有NaCl分子，NaCl只是代表NaCl晶体中Na+和Cl-的个数比为1:1。

氯化铯(CsCl)——结构特点：黄球表示铯离子(Cs+) 紫球表示氯离子(Cl-)在CsCl晶体中，Cs+与Cl-通过离子键相结合，每个Cs+与和它紧邻的8个Cl-相连，每个Cl-与和它紧邻的8个Cs+相连，Cs+和Cl-在三维空间上交替出现，并延长形成CsCl晶体，CsCl晶体中没有CsCl分子，CsCl只是代表CsCl晶体中Cs+和Cl-的个数比为1:1。

(如下图)晶体类型：原子晶体金刚石(C)——结构特点：每个黄球表示一个碳原子(C)在金刚石晶体中，所有碳原子以非极性共价键相结合成网状结构每个碳原子与和它紧邻的4个碳原子相连，键角109º28'；由碳原子组成的最小环为六元环，且六个碳原子不在一个平面内。

晶体类型：分子晶体干冰(CO2)——结构特点：每个黄球表示一个碳原子(C)，每个紫球表示一个氧原子(O)在干冰晶体中，CO2之间以分子间作用力相连，CO2与和它紧邻的12个CO2相连。

晶体类型：混合晶体(既有原子晶体的结构特点，也有分子晶体的结构特点)石墨(C)——结构特点：每个小球表示一个碳原子(C)在石墨晶体中，碳原子是分层排布在同一层内：所有碳原子以非极性共价键相结合成平面网状结构，每个碳原子与和它紧邻的3个碳原子相连，键角120°，由碳原子组成的最小环为平面六元环，层与层之间为分子间作用力(范德华力)。

金属综合练习题第一题：金属的分类金属是物质的一种形态，具有良好的导电性、热传导性、延展性和韧性等特性。

根据金属的组成、性质和用途，可以将金属分为以下几类：1. 有色金属：包括铜、铝、铅、锡等。

这类金属通常具有良好的导电性和热传导性，广泛用于电器、建筑、航空等领域。

2. 黄金属：主要指黄铜，是铜和锌的合金。

黄金属具有良好的耐腐蚀性和加工性能，常用于制作铜器、管道和装饰品。

3. 贵金属：如金、银、铂等。

贵金属具有较高的稀缺性和化学稳定性，被广泛应用于珠宝、纪念币、电子元件等领域。

4. 黑色金属：主要指铁及其合金，如钢。

黑色金属具有较高的强度和韧性，广泛用于建筑、交通运输、机械制造等领域。

5. 稀土金属：指具有特殊化学性质和应用价值的金属元素。

稀土金属在电子、航空、石油等领域具有重要的应用价值。

第二题：金属的性质金属的性质主要包括导电性、热传导性、延展性、韧性和磁性等。

1. 导电性：金属是良好的导电材料，能够轻易地传导电流。

这是由于金属中存在自由电子，电荷可以在金属内部自由移动。

2. 热传导性：金属具有良好的热传导性能，可以快速传导热量。

这是因为金属中的自由电子能够在材料内部传递热能。

3. 延展性：金属具有良好的延展性，可以轻松地拉伸成线或薄膜。

这是因为金属中的原子排列较为松散，使得金属可以在外力作用下改变形状而不断。

4. 韧性：金属具有较高的韧性，能够承受一定程度的外力而不断裂。

这是因为金属内部的晶体结构具有一定的弹性。

5. 磁性：某些金属具有磁性，如铁、镍、钴。

它们能够被磁铁吸引并具有自发磁化的能力。

第三题：金属的应用金属在人类社会中有广泛的应用，不同金属的特性决定了它们在不同领域的应用。

1. 建筑领域：金属在建筑领域中被用于制作结构材料，如铁、钢等。

这些金属具有高强度和较好的耐候性，可以用于建筑的框架、支撑结构等。

2. 电子领域：金属是电子器件的重要组成部分，如电线、电路板等。

金属的导电性能保证了电子器件的正常运行。

08金属的结构和性质[8.1】半径为尺的岡球堆枳成正四面体空晾，试作图it 算该四面休的边长和高.中心到顶 点即离、中心距离地而的高度、中心到两顶点连县的夹角以及中心到球面的最短即离。

解：4个等径岡球作紧密堆枳的情形示于图9.1 (a)和(b),图9.1(c)示出堆枳所形应的 正呱面体空隙。

垓正呱面体的顶点OP 球心位置，血长为岡球半径的2倍。

H9.1由图和正四面体的立(t 几何知识可知: 边长AB=2RAM =(AE 2-EM 2]^= AB 1-BE 1- -DE 高i=AB 2——ABV2OA = -AM = —/?«1.2257? 中心到顶点的脳离： 4 2 OM =丄 AM = — R^ 0.4087? 中心到(Kill 的高度：46中心到两硕点连线的夹角为：ZA °B= cos _, (-1/3) = 109.47°中心到球面的量短距离=04/0.225/?本题的it 算结果很亜要。

由lit 结果可知，半径为R 的等径同球最密堆枳结构中四面体空 除所能容纳的小球的最大半径为0.225R 。

而0.225正是典塑的二元离子晶体中正离子的配位 多而体为正四面体时正、负离子半径比的卞限。

此题的结果也是了解hep 结构中晶胞参数的 基KS （见习 g 9.04）o[8.2] 半径力尺的岡球堆枳成正八面体空B, it 算中心绢頂虑的更离。

-I AE (3& = cos°OA 2+OB 2-AB 22(OA)(O3)2(極/2「-(2町 2(偸/2『D解：正八面体空隙由6个等径||球密堆枳而成，其頂点即同球的球心，貝校长即圆球的Igo空隙的实际体枳小于八面图9.2中三图分别示出球的堆枳侑况及所形成的正由图（c）知，八面体空隙中心到顶点的距离为：OC = -AC = -y/2AB =丄VJx2R =血2 2 2而八面体空隙中心到球面的最短距离为:OC-R = d-R".4\4R此即半径为R的等径岡球最密堆枳形成的正八面体空除所能容纳的爪球的最大半径。

金属材料的晶体结构和力学性质的关系金属材料是一类具有良好导电性和导热性的材料，被广泛应用于工程、建筑、电子、航空等领域。

其独特的力学性质与其晶体结构密切相关。

本文将深入探讨金属材料的晶体结构和力学性质之间的关系。

晶体结构是金属材料的重要特征之一。

金属材料的晶体结构可分为体心立方、面心立方和密堆积等不同类型。

在晶体结构中，金属原子以紧密堆积的方式排列，形成一个连续的晶格结构。

每个原子周围都存在着固定的晶格缺陷，如晶格错位、晶界、孪晶等。

这些缺陷对金属材料的力学性质产生了重大影响。

首先，晶格缺陷会影响金属材料的塑性和韧性。

晶格错位是一种常见的晶体结构缺陷，其通过原子位置的位移而产生。

晶格错位可以提高金属材料的塑性，使其具有良好的可塑性，能够在受力下发生塑性变形而不破裂。

此外，晶格错位还会通过位错相互吸引和相互排斥的机制，导致材料的强度和硬度的变化。

其次，晶界是不同晶粒之间的交界面，是晶体结构中的另一种晶格缺陷。

晶界对金属材料的力学性质影响巨大。

在晶界上，晶格结构发生了突变，存在着较高的原子能量和应力。

因此，晶界是金属材料中的能量和力量的集中区域。

此外，晶界还会影响金属材料的动态强度和疲劳寿命。

最后，孪晶是金属材料的一种特殊的晶体结构缺陷。

孪晶是由两个互相垂直的晶格结构组成，形成一种双晶结构。

孪晶能够显著改变金属材料的力学性质，提高其强度和硬度。

孪晶在金属材料的形变过程中具有良好的应变硬化效应。

此外，孪晶还能够自动修复裂纹，提高金属材料的韧性和抗疲劳性能。

除了晶体结构的缺陷，金属材料的力学性质还与晶体的取向有关。

晶体的取向是晶体中晶粒的朝向分布。

晶体取向会影响金属材料的力学性能，如抗拉强度、硬度、塑性等。

对于绕体心立方方向拉伸的金属材料，其抗拉能力最佳。

而对于绕面心立方方向拉伸的金属材料，其塑性最佳。

总结起来，金属材料的晶体结构和力学性质之间存在密切的关系。

晶体结构中的晶格缺陷，如晶格错位、晶界和孪晶，对金属材料的塑性、强度和韧性产生重要影响。

《结晶学基础》第八章习题8001在A 1型等径圆球密堆积中，密置层为：----------------------------------- ( )(A) (100)面 (B) (110)面 (C) (111)面 (D) (210)面8002在A 1型堆积中，可取出一立方面心晶胞，金刚石晶体可抽出立方面心点阵，所 以C 原子是按A 1型堆积的，对否？8003从A 3型堆积中可取出一个六方晶胞，晶胞中含有两个球，坐标分别为(0,0,0)和（1/3,2/3,1/2），故为六方体心点阵，对否？ 8004在A 1型堆积中，球数：正四面体空隙数：正八面体空隙数=________。

8005等径圆球作A 2型堆积，其密置列方向为：----------------------------------- ( )(A) a (B) b (C) c (D) a +b (E) a +b +c8006原子按六方最密堆积排列，原子在六方晶胞中的坐标为_______。

8007已知 Mg 的原子半径为 160 pm ，属 hcp(六方最密堆积)结构。

(1) 晶体有什么微观特征对称元素？属什么空间点阵型式？(2) 原子分数坐标；(3) 若原子符合硬球堆积规律，求金属镁的摩尔体积； (4) 求d 002值。

8008等径圆球六方最密堆积，中最近两个相邻八面体空隙公用的几何元素为_____；最近两个相邻四面体空隙公用的几何元素为____________。

8009等径圆球的六方最密堆积可划分出六方晶胞，晶胞中两个原子的分数坐标分别为(0,0,0)和(1/3,2/3,1/2)。

(1)八面体空隙中心的分数坐标为____________，_____________。

(2)四面体空隙中心的分数坐标为____________，____________，___________ ____________。

8010由直圆柱形分子堆积，最高的空间利用率为____________。

金属元素的电子结构与化学性质金属元素是化学元素中的一类重要成员，具有独特的电子结构和化学性质。

本文将从电子结构和化学性质两个方面来探讨金属元素的特点。

一、电子结构金属元素的电子结构与其在周期表中的位置密切相关。

一般来说，金属元素位于周期表的左侧和中间位置，其原子结构中的外层电子数量较少。

这使得金属元素具有以下几个特点：1. 金属元素的外层电子较少，容易失去或共享电子。

这使得金属元素具有良好的导电性和热导性。

例如，铜是一种良好的导电金属，因为它的外层电子结构使得电子能够在其晶格中自由移动。

2. 金属元素的外层电子形成离子，形成正离子。

这使得金属元素具有良好的金属性质，如延展性和可塑性。

金属元素的正离子在晶格中排列有序，能够形成金属的结晶结构。

3. 金属元素的外层电子形成共享电子对。

这使得金属元素能够形成金属键，形成金属结构。

金属键是由金属元素之间的电子云共享而形成的，这种共享使得金属元素具有高熔点和高沸点的特点。

二、化学性质金属元素的化学性质主要体现在其与其他元素的反应中。

由于金属元素的外层电子较少，容易失去或共享电子，因此金属元素通常表现出以下几个特点：1. 金属元素容易形成阳离子。

由于金属元素的外层电子较少，容易失去电子形成正离子。

这使得金属元素能够与非金属元素形成离子化合物，如氧化物、硫化物等。

2. 金属元素具有良好的还原性。

金属元素的外层电子容易失去，因此金属元素能够在化学反应中起到还原剂的作用。

例如，铁能够与氧反应生成氧化铁，同时还原氧气。

3. 金属元素能够与非金属元素形成共价键。

由于金属元素的外层电子形成共享电子对，金属元素能够与非金属元素形成共价键。

这使得金属元素能够与非金属元素形成共价化合物，如金属酸化物等。

总结起来，金属元素的电子结构和化学性质决定了它们在自然界中的广泛应用。

金属元素的导电性、热导性、金属性质以及与其他元素的反应性，使得金属元素在电子、建筑、制造等领域中扮演着重要的角色。

金属的结构与性能⏹纯金属的晶体结构⏹合金的晶体结构纯金属的晶体结构晶体——原子排列长程有序有周期熔点一定材料晶体原子排列长程有序，有周期非晶体——原子排列短程有序，无周期。

性能呈各向异性，一定条件下晶体和非晶体可互相转化。

石英玻璃(非晶体)石英晶体(晶体)一、纯金属的晶体结构（一）晶体的基本概念晶格与晶胞●晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间1、晶格与晶胞用假想的线将原子中心连接起来所形成的维空间格架。

直线的交点（原子中心）称结点。

由结点形成的空间。

点的阵列称空间点阵●晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。

结点晶体晶胞晶格（空间点阵）晶格与晶胞晶格常数：立方•晶胞各边尺寸a、b、c。

六方•各棱间夹角α、β、γ。

2 晶系：四方●根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。

以上的金属具有立方晶系和六方晶系菱方●90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。

=====90︒正交●立方晶系：a b c，αβγ90●六方晶系：a1=a2=a3≠c，α=β=90︒，γ=120︒单斜三斜3原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。

4 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。

5 配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。

6晶胞中原子本身6 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。

K=nv’/V=Vrn 334π⨯(二)、金属中常见的晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格（bcc）（fcc）（hcp）(二)、金属中常见的晶格类型 1. 体心立方晶格(Body Centered Cubic Lattice, BCC)晶胞原子数晶格常数：a (a =b =c )1/8×8+1=2体心立方结构(b.c.c)原子半径：a 43r 致密度晶格常数：a (a =b =c )晶胞原子数6=41/8×8+1/2×64c晶格常数：a (a =b ), cc/a=1.633晶胞原子数121/2236c/a 1.6331/6×12+1/2×2+3=6a21r =：原子半径配位数：12K ’/V 07474%致密度：K=nv’/V ≈0.74=74%金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc ）面心立方（fcc ）密排六方（hcp ）晶胞结构a ＝b ＝ca ＝b ＝c90a ＝b c/a ＝1.633α＝β＝γ＝90℃α＝β＝γ＝90℃α＝β＝90℃γ＝120℃晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数0.680.740.7481212α‐Fe 、Mo 、W 、V 、Cr 、β‐Tiγ‐Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Au 、AgMg 、Cd 、Zn 、Be 、Ca 、α‐Ti典型金属(三)、立方晶系晶面、晶向表示方法●晶体中一系列原子组成的面称晶面●任意两原子之间的连线称为原子列，其方向称为晶向。

08金属的结构和性质【8.1】半径为R 的圆球堆积成正四面体空隙，试作图计算该四面体的边长和高、中心到顶 点距离、中心距离地面的高度、中心到两顶点连县的夹角以及中心到球面的最短距离。

解：4个等径圆球作紧密堆积的情形示于图 9.1（ a ）和（b ），图9.1（c ）示出堆积所形成的正四面体空隙。

该正四面体的顶点即球心位置，边长为圆球半径的2倍。

二 cos' -1/3 =109.47中心到球面的最短距离 =OA - R : 0.225R隙所能容纳的小球的最大半径为 0.225R 。

而0.225正是典型的二元离子晶体中正离子的配位多面体为正四面体时正、 负离子半径比的下限。

此题的结果也是了解 hep 结构中晶胞参数的由图和正四面体的立体几何知识可知: 边长AB=2RAM =(AE 2_EM 2F=[AB 2_BE高_12-3DE"E A1-3 -B A 1-2 -2B-2 1-[•= [(2R )2 — R 22.6R : 1.633R 3中心到顶点的距离:中心到底边的高度： 中心到两顶点连线的夹角为:3 76 OA AM R ： 1.225R4 21 76 OM AM R 0.408R4 6AOB■cosr OAJoB —AB 2】2(OA)(OB)二 cos'2(品 6R/2： -(2R^2(V6R /2 )本题的计算结果很重要。

由此结果可知，半径为R 的等径圆球最密堆积结构中四面体空AI 町⑹图9.113基础（见习题9.04）。

【8.2】半径为R 的圆球堆积成正八面体空隙，计算中心到顶点的距离。

解：正八面体空隙由6个等径圆球密堆积而成， 其顶点即圆球的球心， 其棱长即圆球的直径。

空隙的实际体积小于八面体体积。

图 9.2中三图分别示出球的堆积情况及所形成的正八面体空隙。

（to K ）图9.2由图（C ）知，八面体空隙中心到顶点的距离为：11 1 OC AC = ；2AB = 羔 2 2R =：』2R2 2 2而八面体空隙中心到球面的最短距离为：OC -R =V 2R -R7414R此即半径为R 的等径圆球最密堆积形成的正八面体空隙所能容纳的小球的最大半径。

液态金属成型原理0、概论3、界面4、凝固的结晶学基础8、凝固过程的缺陷和对策第八章凝固过程的缺陷和对策第八章凝固过程的缺陷和对策Defects and Prevention in Solidification第八章凝固过程的缺陷和对策一、凝固收缩、缩松和缩孔二、铸造应力三、变形四、热裂和冷裂五、凝固金属中的气孔第八章凝固过程的缺陷和对策一、凝固收缩、收缩和缩孔1. 收缩：凝固过程体积减小的现象。

铸件收缩分三个阶段，液态、凝固和固态收缩。

2. 缩孔和缩松容积大而且集中的孔洞称缩孔，逐层凝固的合金缩松，糊状凝固的合金第八章凝固过程的缺陷和对策A. 缩孔形成（逐层凝固）液态收缩+ 凝固收缩> 固态收缩第八章凝固过程的缺陷和对策第八章凝固过程的缺陷和对策缩孔位置的确定等固相线法第八章凝固过程的缺陷和对策B. 缩松的形成（糊状凝固）特征：细小、分散 原因：同样是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩第八章凝固过程的缺陷和对策3. 补缩A.顺序凝固原则与同时凝固原则——控制缩孔位置与安排冒口补缩的方法 顺序凝固：凝固的是冒口部位。

zzz第八章凝固过程的缺陷和对策3. 补缩B.顺序凝固原则与同时凝固原则——控制缩孔位置与安排冒口补缩的方法 同时凝固：第八章凝固过程的缺陷和对策一、凝固收缩、缩松和缩孔二、铸造应力三、变形四、热裂和冷裂五、凝固金属中的气孔二、铸造应力第八章凝固过程的缺陷和对策第八章凝固过程的缺陷和对策1. 铸造应力的种类和成因 A.机械阻碍应力：芯等机械阻碍而产生的应力。

z铸型（芯）阻碍产生的称为机械阻碍应力；z 是临时应力，随形成原因消除而消失； B.热应力:铸件各部分冷却速度不同，则收缩量残余应力C.相变应力：残余应力例：热应力（应力框实验）残余应力第八章凝固过程的缺陷和对策第八章凝固过程的缺陷和对策 例： 内部存在残余拉应力，外层存在残余压应力2. 减小和消除铸造应力的方法思路：应力的产生是由于铸件各部分温度差别和收缩受阻 一切能减小的温差和收缩阻力的办法均能减小应力。

第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。

2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？4.晶面指数和晶向指数有什么不同？5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？7.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？8.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影响？9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处理？第二章金属的塑性变形与再结晶1．解释下列名词：加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。

2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？9．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。

试分析强化原因。

第三章合金的结构与二元状态图1．解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。

2．指出下列名词的主要区别：1）置换固溶体与间隙固溶体；2）相组成物与组织组成物；3．下列元素在α-Fe 中形成哪几种固溶体?Si、C、N、Cr、Mn4．试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者的区别.5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？6. 何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点.7．二元合金相图表达了合金的哪些关系？8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？9. 已知A（熔点600℃）与B(500℃) 在液态无限互溶；在固态300℃时A溶于B 的最大溶解度为30% ，室温时为10%，但B不溶于A；在300℃时，含40% B 的液态合金发生共晶反应。