3.1金属结构与物性

第八章金属的结构和性质§8.1.金属键和金属的一般性质8.1.1.自由电子模型简单金属的自由电子模型很简单，价电子完全公有，构成金属中导电的自由电子，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在绝对零度时，自由电子体系处于基态，N个电子占据个最低能级，最高占据能为费米能级自由电子气模型完全忽略电子间的相互作用，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在近自由电子模型中的电子真实波函数（实线）和赝势波函数（虚线）R为原子实半径。

8.1.2.能带理论金属晶体中的电子处在带正电的原子实组成的周期性势场中运动，Schrödinger方程为用微扰法等近似方法可解得能带模型。

它将整块金属当作一个巨大的超分子体系，晶体中N个原子的每一种能量相等的原子轨道，通过线性组合，得到N 个分子轨道。

它是扩展到整块金属的离域轨道，由于N的数值很大（～数量级），得到分子轨道各能级间隔极小，形成一个能带。

每个能带在固定的能量范围，内层原子轨道形成的能带较窄，外层原子轨道形成的能带较宽，各个能带按能级高低排列起来，成为能带结构，图8—4是导体与绝缘体的能带示意图。

第二章镁铝第一节金属的物理性质目标:１,了解金属的分类.２,理解金属晶体的结构特点,金属键的概念.并能解释金属单质的一些特性.３,比较四类晶体在结构,物性上的异同.重点:金属的物理性质.难点:金属键,金属晶体.引入:金属之重要性.新授:(一.)概述一.元素: 占４/５在已发现的一百多种元素里，大约有五分之四是金属元素。

这一章主要学习两种重要的轻金属镁和铝。

二.分类:金属有不同的分类方法。

在冶金工业上，人们常把金属分为黑色金属（包括铁、铬、锰）和有色金属（铁、铬、锰以外的金属）两大类。

人们也常按照密度大小来把金属分类，把密度小于4.5g/cm3的叫做轻金属（如钾、钠、钙、镁、铝等）；把密度大于4.5g/cm3的叫做重金属（如铜、镍、锡、铅等）。

此外，还可把金属分为常见金属（如铁、铝等）和稀有金属（如锆、铪、铌、钼等）。

板书：黑色金属仅: 铁.钴.镍有色金属介绍:铁的外观颜色,(与命名有关)铁与人类历史的发展.轻金属以密度４.５为界重金属介绍:重金属及其盐的毒性,如:铜绿;汽油中的铅; 但注意BaSO4.BaCO３的差别.常见金属稀有金属介绍: 稀有金属元素及其应用前景;我国占有世界上的绝大部分资源.三.通性:金属有许多共同性质，像有金属光泽、不透明、容易导电、导热、有延展性等。

(二.)金属键.金属晶体.一.概念:怎样解释金属的这些共同性质呢？金属（除汞外）在常温下一般都是晶体。

用X射线进行研究发现，在晶体中，金属原子好像硬球，一层一层地紧密堆积着。

数学方法可计算出,一定大小的原子,什么方式堆积是最紧密的堆积。

观察与计算一致.问题:金属原子之间为什么能.且都是紧密的结合在一起呢?假设:因为金属原子的最外层电子易失去,原子失去电子后就成为金属阳离子和很多的电子,称这些电子为自由电子,那么,在金属晶体中,其立体模型想像为:如图:金属离子浸在雾一样的自由电子之中.分析金属阳离子的受力情况,引出如下概念：金属键---------金属晶体中,金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用.金属晶体--------由金属键形成的晶体.二.解释金属的通性.１.导电. 关键词:电场中,自由电子定向运动.２.传热. 关键词:自由电子与金属离子碰撞而交换能量.3、可延展关键词：形变末破坏金属键。

金属材料的微观结构与力学性能金属材料是我们日常生活中经常使用到的一种重要材料，它的力学性能直接决定着其使用价值。

然而，金属材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素之一。

因此，了解金属材料的微观结构对于挖掘其潜力具有重要意义。

一、金属材料的组织结构金属材料的组织结构分为三个层次：微观结构、中观结构和宏观结构。

微观结构是由晶体组成的，晶体是由不同的结构单元组成的，包括晶粒、晶界、孪晶等。

中观结构是由晶粒的排列和分布组成的，如晶粒大小、晶粒形状、晶粒取向等。

宏观结构是由各种中观结构构成的，如晶体的尺寸、形状和排列方式等。

晶体是金属材料微观结构的最基本单位，在晶体内部原子是有规律地排列的。

金属材料中晶体是以多面体、圆柱体或板状的形式存在，晶体的大小和形状不同会对金属材料的力学性能产生影响。

晶体的组成通常是由多个原子经过排列形成的，晶体中的原子排列方式和结构不同会影响其力学性能。

此外，晶粒的界面处被称为晶界，晶界的稳定性及其形态对整个材料的力学性能有很大的影响。

二、微观结构对金属材料力学性能的影响1. 晶界影响材料力学性能的强度和韧性，晶界处的塑性变形是材料发生塑性时的一种重要机制，晶界出现裂纹和断裂是材料出现断裂的重要原因之一。

因此，优化金属材料晶界的形态和结构，提高其稳定性，有利于提高材料的整体机械性能。

2. 晶体取向对金属材料力学性能的影响很大。

晶体的取向是指对于某一个方向而言晶体内排列原子的方向性质。

晶体取向的不同会对力学性能产生不同的影响，大多数材料具有各向同性，但某些材料的微观结构有规则地定向排列，称为各向异性。

所有具有各向异性的材料都有一定的单向性质，也就是在某一个方向有更大的强度或韧性。

3. 晶粒的大小和形状对材料的力学性能产生重要影响。

晶粒尺寸大，晶体脆性相对较强，而晶粒尺寸小，其塑性会相对增强。

晶粒形状也会影响晶体的塑性变形，如晶粒呈多面体形状的金属材料相对具有更好的塑性特性。

4. 孪晶结构是一种经常出现在晶体中的微观结构，孪晶结构对于金属材料的塑性行为和断裂行为有重要影响。

金属材料与合金材料的结构与性能金属材料和合金材料是工业中常用的材料类型，它们具有广泛的应用领域和优良的性能。

本文将探讨金属材料和合金材料的结构与性能，以及它们的应用。

一、金属材料的结构与性能金属材料的结构主要由金属原子的排列方式决定。

金属原子由金属键连接在一起，形成晶体结构。

常见的金属结构有面心立方、体心立方和密排六方等。

这些结构都具有较高的结晶度和金属键的强度，使金属材料具有以下性能：1. 优良的导电导热性能：金属材料中的自由电子在外电场或温度梯度下能够自由移动，因此金属具有良好的导电导热性能，可广泛用于电子、电力等领域。

2. 良好的塑性和可加工性：金属材料的晶体结构中存在晶界和位错，使其具有良好的塑性和可加工性，可通过冷、热变形进行塑性变形加工，如拉伸、压缩、锻造等。

3. 高强度和韧性：金属材料的晶界和位错可以阻碍原子滑移，增加其强度和韧性。

此外，金属材料还可以通过热处理等方法增强其强度和韧性。

4. 耐磨蚀和耐腐蚀性：金属材料在一定条件下具有一定的耐磨蚀和耐腐蚀性能，可用于制造机械零部件、化工设备等耐久性要求较高的领域。

二、合金材料的结构与性能合金材料是由两种或更多金属元素形成的固溶体或化合物。

合金材料的结构与性能由原子的尺寸、电子结构和金属间的相互作用等因素决定。

1. 固溶体型合金：固溶体型合金中，多种金属原子在晶格中均匀混合。

这种合金通常具有以下性能：a. 良好的强度和韧性：不同种类的金属原子能够阻碍位错的移动，增加合金的强度和韧性。

b. 改变金属特性：合金中不同金属原子的化学性质和晶体结构的差异，使合金的硬度、磁性、导电性等特性得到改变。

2. 化合物型合金：化合物型合金由两种或多种金属元素形成的化合物组成。

这种合金通常具有以下性能：a. 高硬度和高强度：化合物型合金的晶格中存在复杂的离子键和共价键，使其具有较高的硬度和强度。

b. 特殊的物理特性：由于化合物型合金的晶体结构具有特殊的性质，如形状记忆效应、超导等。

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。

金属材料的微观结构分析金属材料是工业生产中非常重要的一类材料，其在汽车、建筑、机床等领域都有广泛的应用。

要想深入理解金属材料的性质和特点，就需要对其微观结构进行深入的研究和分析。

本文将介绍金属材料的微观结构及其分析方法。

一、金属材料的微观结构特点金属材料的微观结构由金属原子组成，可以分为原子晶体结构和晶体排列结构。

原子晶体结构是指金属原子的有序堆积结构，包括面心立方、体心立方和密排六角等。

晶体排列结构则是指晶体的外观、大小和形态等方面的特征。

金属材料的微观结构特点决定了其一些特性，如强度、塑性、导电性和导热性等。

二、金属材料的微观结构分析方法1. 金相显微镜法金相显微镜法是一种通过光学显微镜对金属材料的组织结构进行观察和分析的方法。

该方法可以将金属材料切割成薄片，然后在显微镜下观察其组织结构，看出晶体的排列和形态等特征。

通过金相显微镜可以观察到金属材料的各种组织结构，如晶粒的大小、形状和分布规律。

此外，金相显微镜还可以通过打入特定的试剂，如氢氧化钠、硝酸银等，来观察金属材料的其他结构特征。

2. 透射电镜法透射电镜法是一种通过电子束对金属材料进行观察和分析的方法。

该方法可以在高分辨率的条件下观察材料中的原子和晶体结构，可以精确地测出晶体的大小和形状，以及晶格的匹配情况等信息。

通过透射电镜可以观察到金属材料的原子和晶体结构，包括晶格的缺陷、原子的排列方式和晶体的大小、形状等特征。

透射电镜还可以使用高角度倾斜形态测量技术，可以通过极细针尖进行物质表面的成像。

3. X射线衍射法X射线衍射法是一种利用X射线对金属材料进行分析和测量的方法。

该方法可以测定晶体的晶格常数、晶格结构和晶体相的存在等特征，并且可以通过对不同角度的扫描来确定晶体的方向和空间。

通过X射线衍射法可以测定金属材料的晶格结构和相对结合方向，可以预测他们的强度和热膨胀系数等物性参数。

此外，X射线衍射法还可以在晶体组成分析实验、食品组成和分析等领域得到应用。

金属所有知识点总结一、金属的基本性质1. 金属的结构和成分金属的晶体结构通常是紧密堆积的球形原子构成的各向同性结构。

金属的晶体结构通常是面心立方结构（如铝、铜、铂等金属）、体心立方结构（如铁、钒、钽等金属）或者简单立方结构（如钾、银、钠等金属）。

2. 金属的物理性质金属的物理性质主要包括金属的硬度、导电性、导热性、光泽和延展性。

金属通常具有较好的硬度和刚性，同时具有良好的导电导热性能。

此外，金属通常具有光泽并且可以被延展成薄片并制成不同形状。

3. 金属的化学性质金属的化学性质主要包括金属的化学活性、与其他物质的反应性以及在化学反应中的离子性等特点。

大部分金属具有较强的还原性，可以与非金属元素形成氧化物或盐等化合物。

同时，金属通常在化学反应中以正离子的形式存在。

4. 金属的熔点和沸点金属的熔点和沸点是金属固态、液态和气态状态的转变温度。

金属通常具有较高的熔点和沸点，能够在一定的温度下形成稳定的固态结构。

二、金属的种类根据金属的晶体结构和性质，可以将金属分为不同的类别，主要包括有色金属、贵金属、稀有金属、黑色金属等不同类别。

1. 有色金属有色金属是指具有明显颜色的金属，包括铜、铝、镍、锌、铅等。

有色金属通常具有良好的导电导热性能，并且在电子工业、建筑工业和航空航天等领域有广泛的应用。

2. 贵金属贵金属是指珍贵且稀有的金属，包括金、银、铂、钯、铱等。

贵金属通常具有良好的稳定性和化学反应性，因此被广泛用于首饰、电子产品、化工催化剂等方面。

3. 稀有金属稀有金属是指地壳中含量较少的金属，包括钨、锆、铌、钽等。

稀有金属通常具有高熔点和高硬度，被广泛应用于合金、耐磨材料、电子器件等方面。

4. 黑色金属黑色金属主要指铁、锰、铬、钴等。

黑色金属具有较高的熔点和较好的磁性，广泛应用于冶金、机械加工、建筑结构等领域。

三、金属的应用领域金属在现代社会的生产生活中有着广泛的应用。

1. 金属材料金属材料是工程技术中使用最广泛的材料之一，用于制造机械设备、汽车船舶、建筑结构等。

第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。

材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。

常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。

2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。

塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。

二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。

目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。

此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。

因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。

硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。

此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。

三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。

疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。

四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。

为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。

其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。

五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。

它是材料本身的特性。

六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。

引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。

按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。

第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。

不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。

2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。

第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。

金属材料的结构与性能金属材料一直是人类历史上最重要的材料之一。

作为一种常见的材料，金属材料的物质结构和物理化学性质对其性能具有决定性影响。

要想更好地理解金属材料的结构与性能，需要从多个角度来探讨。

I. 金属材料的常见结构金属材料的晶体结构可以分为五类：铁磁性、体心立方、面心立方、六方密堆积和菱面体。

其中，体心和面心立方结构是最常见的。

这些结构最主要的区别在于金属原子在晶体内的排列方式，这一点对材料的物理性质和性能具有重大影响。

II. 金属材料的物理性质金属材料的物理性质主要包括密度、熔点、导电性、热膨胀系数和热传导率等。

在这些属性中，导电性和热传导率是最为突出的特点。

金属材料中的自由电子能有效地传递电子和热能，使得电流和热量能够在金属材料中快速传递，同时也为金属材料的加工提供了方便。

III. 金属材料的力学性能金属材料的力学性能包括硬度、强度、韧性和塑性等。

力学性能是金属材料最常用的属性，它们直接决定了材料在实际应用中的可靠性和耐久性。

这些属性受到诸多因素的影响，如合金成分、晶体结构和加工工艺的影响都可以对其力学性质产生极大的影响。

IV. 金属材料的应用金属材料广泛应用于各种领域，如建筑、电子、机器制造等。

金属材料中优异的导电性和热传导性，能够使得它作为传导电和热的媒介中的主流材料。

此外，某些金属材料具有耐高温，耐腐蚀等特性，能够适用于高温、化学环境等极端条件下的使用。

V. 未来金属材料的发展方向未来金属材料的发展方向也在不断变化，主要包括以下几个方面：1. 新型合金成分的研究和开发，能够获得更好的性能以满足不同领域的需求；2. 基于纳米技术的金属材料的开发，可以大大提高材料的强度和韧性；3. 晶格工程技术的进一步发展，可以制备出多层金属复合材料，提高金属材料的性能和工艺性；4. 金属材料的生产流程和加工工艺的改进，可以更加精细地控制金属材料的结构和性质，提高产品的质量和品种。

综上所述，金属材料的结构和性质是影响它们在实际应用中性能的关键因素。

化学金属细节知识点总结金属元素的特性1. 金属元素的晶体结构：金属元素通常具有紧密的结晶结构，其原子之间通过金属键相互连接。

金属键是一种特殊的化学键，是由金属原子之间的电子云共享形成的。

金属键的存在使得金属元素具有良好的导电性和导热性，因为电子在金属中可以自由流动。

2. 金属元素的物理性质：金属元素通常具有良好的延展性和韧性。

这是由于金属元素的结晶结构和金属键的存在使得金属元素可以在受力作用下发生塑性变形，而不易断裂。

此外，金属元素的延展性还使得金属可以被拉成细丝或者轧制成薄片。

3. 金属元素的化学性质：金属元素通常具有较强的还原性，能够失去电子形成阳离子。

此外，金属元素在化学反应中通常是电负性较低的，因此通常表现出氧化性。

金属元素的化学反应1. 金属的氧化反应：金属在空气中与氧气发生氧化反应，产生金属氧化物。

金属氧化物通常是碱性或者弱碱性的，可以与酸发生中和反应，生成盐和水。

2. 金属的酸反应：金属与酸发生反应，生成氢气和相应的盐。

3. 金属的碱反应：金属与碱发生反应，生成氢气和相应的盐。

4. 金属的还原反应：金属在一些化学反应中可以发生还原反应，失去电子形成阳离子。

例如，金属可以与一些金属离子发生置换反应，生成新的金属和金属离子。

金属元素的应用1. 电工材料：金属元素具有良好的导电性和导热性，因此广泛应用于电线、电缆、电路板等电器材料中。

2. 结构材料：金属元素通常具有较好的机械性能，因此广泛应用于建筑结构、汽车、航空航天器等领域。

3. 金属合金：金属元素可以与其他元素合金化，形成具有特定性能的金属合金。

金属合金具有较好的性能，广泛应用于各种领域。

4. 化学催化剂：一些金属元素及其化合物具有较好的催化活性，被广泛应用于化学反应中。

总之，金属元素是化学中重要的一类元素，具有独特的物理化学性质及广泛的应用价值。

对金属元素的深入了解不仅有助于深入理解化学原理，同时也能够为金属材料的应用提供理论指导。