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《金属学与热处理》任课教师:赵慧杰材料科学与工程学院空间材料与环境工程实验室
研究对象和内容金属学与热处理是关于金属及合金的科学。它研究金属及合金的化学成分、组织、结构与性能的关系、变化规律,以及金属材料的应用。复习
结构组织材料内部原子间的结合方式和排列规律。指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌---通常称为显微组织。
金属材料的化学成分不同,其性能也不同。材料的性能取决于材料的内部结构与组织。不同的加工工艺,得到的结构和组织不同,从而也改变了材料的性能。对不同的材料应采用不同的加工工艺,来达到成型、调整和改善性能的目的。
第一章金属和合金的晶体结构1.1金属原子间的结合1.2金属的晶体结构1.3合金相结构1.4金属晶体的缺陷
金属的定义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。
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。金属原子的结构特点
原子结构理论原子原子核质子(10-8cm,1836倍)(10-8cm)(10-12cm)中子(10-8cm,1838倍)电子(10-13cm)(9.1х10-28g)Example1-1Calculatethenumberofatomsin100gofsilver.(Theatomicmassofsilveris107.868g/mol.Avogadro’snumberis6.02X1023/mol)
晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。结构原子结构原子的空间排列显微组织原子空间排列方式是有序还是无序显著影响材料性能。
其最外层的电子数很少,一般为1~2个,不超过3个。价电子
晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等显著影响材料的性能。结构原子结构原子的空间排列显微组织
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属原子间的结合方式
金属键离子键共价键每个原子贡献出价电子形成电子云,正离子组成的晶格靠电子云联接→金属键无方向性和饱和性。金属原子间的结合方式
金属的性能特点1)在外加电场作用下,金属中的自由电子能够沿着电场方向定向运动,形成电流,显示出良好的导电性。2)自由电子和正离子的振动使金属具有良好的导热性。3)随着温度的升高,正离子和原子本身振动的幅度加大,可阻碍电子的定向运动,使电阻升高,因而金属具有正的电阻温度系数。4)由于金属键没有饱和性和方向性,当金属发生变形时,即金属原子或离子企图改变它们彼此间的位置关系时,它们始终沉浸在电子云中,并不使金属键破坏,所以金属表现为具有良好的塑性。5)由于自由电子很容易吸收可见光的能量,而被激发到较高的能级,当它跳回到原来的能级时,就把吸收的可见光能量重新辐射出来,从而使金属不透明,具有金属光泽。根据金属键的本质,解释固态金属的一些基本特性。
金属键离子键共价键通过得失价电子,靠正负离子库仑力成键,没有饱和性和方向性:高熔点、高硬度;良好的电绝缘性;低塑性。金属原子间的结合方式
金属键离子键共价键靠共有电子对成键,具有饱和性和方向性:高熔点、高硬度;良好的电绝缘性;低塑性。金属原子间的结合方式
范德瓦尔键形成: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。
离子键共价键金属键结构特点方向性不明显,配位数大方向性明显,配位数小,密度小无方向性,配位数大,密度大力学性能强度高,劈裂性良好,硬度大强度高,硬度大有各种强度,有塑性热力性质熔点高,膨胀系数小,熔体中有离子存在熔点高,膨胀系数小,熔体中有的含有分子有各种熔点,导热性好,液态的温度范围宽电学性质绝缘体,熔体为导体绝缘体,熔体为非导体导电体(自由电子)光学性质与各构成离子的性质相同,对红外线的吸收强,多是无色或浅色透明的折射率大,同气体的吸收光谱很不同不透明,有金属光泽金属结合键的特性
问题:金属原子为什么趋于规则排列?问题:金属原子以什么规律排列?
结合力与结合能以双原子模型为例吸引力:正离子与负离子(电子云)间静电引力,是长程力。排斥力:正离子间或电子间的作用力,是短程力。结合力=吸引力+排斥力结合能=吸引能+排斥能当原子靠近到一定程度时,原子间会产生较强的作用力。
双原子作用模
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