金属性能与结构

禁带
带上，当电子返回
满带
时把吸收的能量又
发射出来，使金属 导体 绝缘体 半导体
具有金属光泽。
能带理论可解释金属的某些物理性质 导热性
局部加热时，电 能
导带
子运动和核的振 量
禁带
动，可进行传热，
满带
使金属具有导热 性。
导体 绝缘体 半导体
能带理论可解释金属的某些物理性质
延展性
受力作用时, 原 子在导带中自 由电子的润滑 下, 可以相互滑 动,而能带并不 被破坏。
导电性（
银铜金 铝 锌
以银的导电性为 100作标准）
（优）100
99 74
61
27
铁铅
17 7.9 （良）
密度（ 锇 金 铅 银 铜 铁 锌 铝
g·cm ） -3
19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 （小）
（大）22.48
熔点(℃)
钨铁铜金银铝锡
（高）3410 1535 1083 1064 962 660 232 （低）
(4)与碱作用 能与碱作用的金属主要有Zn，Be，Al，
Ga，In，Ge，Sn等,如: Zn+2OH-+2H2O → [Zn(OH)4]2-+H2
根据你的生活经验和表中提供的信息，并分析下列问题。
1、为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铅制？ 2、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？ 3、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制 的话，可能出现什么情况？ 4、为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬？如果镀金怎么样？
源自文库
（1）Metallic bond
17
金属键示意图
18
金属键
理论 电子气理论（自由电子理论）
金属原子——半径比较大、价电子数目较少、电离能较低、电子容
易从金属原子上脱落下来(自由电子)，为所有金属原子所共用。
金属键——金属离子通过吸引自由电子联系在一起, 形成金属晶体.
形象说法: “失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中”.
金属光泽：金属可以吸收波长范围极广的光, 并重新反射出, 故金属 晶体不透明。
导热：受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞, 传 递能量.
延展性：由于在结构上自由电子只有胶合作用，当金属晶体受外力
作用时，金属阳离子及原子间易产生滑动而不易断裂，因 此金属经机械加工可加工成薄片或拉成金属纫丝，表现出
叠合过程为：将第二层 球的球心投影到第一层中由 三个球所围成的三角形空隙 的中心上，及上、下两层密 置层相互接触并平行地互相 错开。如下图：
图3（a）
在密置双层中可形成两种空隙：即四面体空隙（ 3个相邻的 A球+1个B球或3B+A）和八面体空隙（由3个A球和3个B球结合 而成，两层球的投影位置相互错开60º，连接这六个球的球心得 到一个正八面体3A+3B)。 如下图所示
数为6，三个球形成一个三角形空隙，因此每个球分摊两个三角形空隙。
当出结 格一构 子个基若 为平元把 平面，每 面六可个 六方由球 方点密作 格阵置为 子，层一 。正抽个
图2：等径圆球的密置层
③ 密置双层：
将两个密置层（分别 称为A层和B层）叠加起来 作最密堆积称为密置双层， 这也只有一种叠合方式。
38
(1) bcc
（1）bcc body-centered cubic structure
碱金属、α-Fe 、 难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等
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a ：晶bcc 格单位长度 R ：原子半径
4R 3a a 4 R 3
单位晶胞原子数 n = 2
bcc＝
2(4R3
a3
/
3)
硬度（以金
铬铁银铜金铝铅
刚石的硬度为10 作标准）
（大） 9
4~5 2.5~4 2.5~3 2.5~3 2~2.9 1.5 （小）
金属之最
地壳中含量最高的金属元素── 铝
人体中含量最高的金属元素── 钙 目前世界年产量最高的金属── 铁 导电、导热性最好的金属── 银 熔点最高的金属── 钨 熔点最低的金属── 汞
2、密置列、密置层和密置双层
① 密置列： 沿直线方向将等径圆球紧密排列成一列叫做
密置列，它只有一种排列方式。若把每个球作为 一个结构基元，则可抽象出一直线点阵。（如下 图）
a
② 密置层：
沿二维空间伸展的等径圆球的最密堆积形式叫密置层，它只有一种 排列方式。（如图2）在密置层中每个球都与周围六个球紧密接触，配位
4
1 1 金属材料概论
金属材料(metallic material):由金属元 素或以金属元素为主的合金形成的具有金属 性质的材料。
人类使用金属已 有5000多年的历史。 在已命名的109种化学 元素中，有87种属于 金属元素。
化学元素在地壳(地球表面下16km厚的岩 石层)中的含量称为丰度。丰度可用质量分数 表示，也可用原子分数表示。
金
Hg，Sn，Sb，Bi
属 有 轻有色金属：Al，Mg，Ca，Ba，K，Na
色 贵金属：Ag，Au，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt
金
轻稀有金属：Li，Be，Rb，Cs，Sr
属
稀 难熔金属：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，
有
Mo， W，Re
金 稀土金属：Y，Ln ，Sc （镧系元素）
属 稀散金属：Ga，In，Tl，Ge
放射性金属：U，Ra，Ac，Th，Pa，Po
金属的物理性质
除汞以外,所有金属都是固体,金属的晶 体结构决定金属具有以下共性:
(1) 不透明，具有金属光泽; (2) 具有良好的导电性和导热性; (3) 具有良好的延展性。
金属的这些特性都是由金属内部特有的化学键的性质所决定的。
物理性 质
物理性质比较
n个2s n个1s
半满 满
导带 能 禁带 量 满带
原子轨道 能带 电子充填情况
满带：充满电子的低能量能带
如 Li 1s22s1 1s分子轨道能带
n个2s n个2s
半满 满
导带 能 禁带 量 满带
原子轨道 能带 电子充填情况
禁带：相邻的能带间的间隙
如 Li 1s22s1 1s能带和2s能带之间的间隙
地壳中某些元素的丰度
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg w% 47.2 27.6 8.80 5.1 3.6 2.64 2.60 2.10
我国钨、锌、锑、锂、稀土元素等含量 占世界首位，铜、锡、铅、汞、镍、钛、钼 等储量也居世界前列。
金属元素分类
黑色金属：Fe，Cr，Mn
重有色金属：Cu，Co，Ni，Pb，Zn，Cd，
能
导带
量
禁带
满带
导体 绝缘体 半导体
2 金属单质的结构
一、晶体结构的密堆积原理
密堆积结构：
在由无方向的金属键力、离 子键力和范德华力等化学键力结合 的晶体中，原子、离子和分子等微 粒总是趋向于相互配位数高，能充 分利用空间的堆积密度大的那些结 构。
尽空密 可间堆 能，积 降从方 低而式 ，可由 结使于 构体充 稳系分 定的利 。 势用
能带概念 假如一块锂金属有n个原子组成，n个2s 原子轨道组成n个分子轨道，这n个分子 轨道的能级非常接近，几乎形成能量连 续的能带。
能带——由n条能级相同的原子轨道组成 能量几乎连续的n条分子轨道
2s 能带——由2s 原子轨道组成的能带
能带种类 按能带的能级和电子在能带中的分布不同， 能带有多种：满带，导带和禁带

2(4R3 / 3)
(4R / 3)3

0.68
40
（2）fcc face-centered cubic structure
(2) fcc
Al，Ni，
Pb，Pd，
Pt，贵金属
密堆积方式，所以一般金属密度较大
每个原子被较多的相同原子包围，一般配
位数较大
金属键
含义 金属原子的电负性和电离能较小，价电子
容自易由脱运离动原，子形7的成-束离4-缚域2，的金在自属阳由键离电子子之气间。可以
金属键——自由电子气把金属阳离子 “胶 特征: 无饱和合性”和成方金向属性晶体的结合力 使金属具有良好的导电性、导热性和 延展性
Metallic Materials
金属材料
Metallic Materials
1
本章内容
1 金属材料概述 2 金属单质结构 3 合金结构 4 金属材料及其应用 4.1 轻质金属材料 4.2 钢铁结构与性能 4.3 非晶态金属材料 4.4 形状记忆合金
2
学习目的
• 理解金属材料结构与性能特点； • 了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及
能了
二、金属晶体结构密堆积的几种常见形式
1、等径球的最紧密堆积模型
金属原子的最外层电子在金属晶体中是自由 移动的，而金属离子用等经圆球的最密堆积模型 来进行堆积，形成金属晶体的骨架。自由移动的 电子象一种带负电荷的粘合剂将这种堆积粘合在 一起。这种自由电子我们用三维势箱模型和电子 能带理论进行处理。本节课我们专门讨论怎样用 等径圆球的密堆积模型来形成这种骨架。
禁带是电子的禁区, 电子是不能在此停留的。 若禁带不太宽, 电子获能量可从满带越过禁 带跃迁到导带; 若禁带太宽, 跃迁难以进行。
能带的重叠
金属的紧密堆积结构 使金属原子核间距一般都很小， 使形成的能带之间的间隙一般也都很小， 甚至会出现重叠现象
能带理论可解释金属的某些物理性质
导电
导体:在外电场下， 能
金属晶体的内部作用
晶体 结点粒子 粒子间 类型 种类 作用力
一般性质
物质 示例
金属 金7属-原4-子1金金属属键晶导熔体电点的性、硬、内导度热部差性别结、大延构金属
晶体
展性好,有金属光泽 合金
Cu
Cu 原子
金属键
熔点 Hg -38.87℃、W 3410℃ 硬度 Na 0.4、Cr 9.0
金属单质晶体中，金属原子采取尽可能紧
导带
导带中的电子在能 量
禁带
带中做定向运动，
满带
形成电流而导电
绝缘体:电子都在满 导体 绝缘体 半导体
带上，且禁带较宽，
难以跃迁, 不能导电
半导体: 禁带较窄, 满带中的电子易被激发,
越过禁带到导带上，增加导电能力。
能带理论可解释金属的某些物理性质 金属光泽
光照时，导带中的
电子可吸收光能跃
能
导带
迁到能量较高的能 量
金属键
金属键：金属晶体中原子之间的化学作用力。 金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。 金属晶体是以金属键为基本作用力的晶体。 金属键无方向性，无固定的键能，金属键的强弱和自由电子 的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关。
金属键的强弱可以用金属原子化热等来衡量。 金属原子化 热是指 1 mol 金属变成气态原子所需要的热量。金属原子化热 数值小时，其熔点低， 质地软；反之则熔点高，硬度大。
良好的延展性。
金属的能带理论
应用分子轨道理论研究金属晶体中原子间的 结合力，逐渐发展成金属键的能带理论。
金属晶7体-4块-的3大金分属子的概念能带理论
把一块金属看作一个大分子，用分子轨道 理论来描述金属晶体内电子的运动状态。 假定原子核位于金属晶体的晶格结点上， 构成一个联合核势场，电子分布在分子轨 道内，而价电子作为自由电子 ( 即离域电 子 )，可在晶体内金属原子间运动，不属 于任何一个原子。
其用途。
Metallic Materials
3
学习参考书目
1. 杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社， 2003
2. 王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工 业出版社，2004
3. 李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社， 2006
Metallic Materials
金属的化学性质
金属容易与氧、水、酸、碱反应，失去电 子形成正离子或金属氧化物,表现为还原性：
(1) 与氧作用 mM +
1 2
O2
→
MmOn
(2) 与水作用
1
M + nH2O → M(OH)n + 2 H2(g)
(3) 与酸作用 金属与酸的作用通常用金属活动序来判
断。易钝化金属如Al、 Cr 、Fe等在浓酸中也 很稳定。溶解W用HNO3—HF混合酸，溶解 Pt、Au需用王水，Nb、Ta、Rh、Os、Ir等王 水也不溶。
(b)正四面体空隙
(c)正八面体空隙
金属晶体的堆积模型
A1型最密堆积（面心立方）和A3型最密堆积（六方）
A2型密堆积（体心立方）
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演示
bcc
fcc
hcp
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金属晶体的结构
Coordination Number Atomic Packing Factor
原子堆积系数

单位晶胞内原子体积 单位晶胞体积
“少电子多中心”的键即为金属键——一种离域的共价键， 无方向性和饱和性。
++ + +++ + + ++ +
+++ ++ + + + ++
位错
+++ + ++ + + ++ ++++ +++ + +++ +
自由电子
+ 金属离子
金属原子
金属键
理论 电子气理论（自由电子理论）
导电性：在外电压的作用下, 自由电子可以定向移动.