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1、第三章 金属材料,引言,化学元素中，80为金属元素，占有非常重要的地位,传统的金属材料：铁、铝、铜、铅、锌等,新型金属材料：钛、铟、钒、钴、钽、锆等电子技术、原子能、宇航科技等领域,金属材料的功能：非晶态、形状记忆、高塑性、耐高温、超导、半导、强磁性、高储氢能力等,研究金属晶体中化学键的本质和金属晶体的性质是当前材料研究的重大课题,重点,1.金属键-能带理论,2.金属单质结构-密堆积,A1,A2,A3型结构,3.合金-定义,结构及性能,了解,1.金属性质,2.金属材料-铝合金,钢铁,金属玻璃,形状记忆合金,难点,金属单质结构:密堆积,A1,A2,A3,金属材料的特性与金属键,金属特性,1、不透
2、明，有光泽,2、良导体（电、热）,3、延展性（拉伸为丝，碾成薄片）,金属键,金属晶体中原子高配位、密堆积排列，没有方向性和饱和性,非共价键,非离子键,金属单质原子间电负性相同，合金电负性相近，难以形成离子键,非分子间力和氢键,原子结合力强,金属键,参加共用的原子多所有原子,电子离域范围大三维空间自由运动,能量下降，形成强键,原子化热金属键的强弱,1mol金属由固态变为气态所需的能量,特殊的离域共价键,金属键,金属键理论,自由电子理论能带理论,自由电子理论,电子气,电子在金属中自由运动，受到均匀恒定的势场作用，类似于理想气体，价电子无相互作用,电子在金属中的自由运动金属的热、电传导性,自由电子吸
3、收多种波长的光，发生跃迁，并马上释放金属具有不透明，金属光泽性,自由电子的胶合作用延展性，可塑性,能带理论,自由电子理论存在的问题：电子所处势场实际是不均匀的电子与带正电的离子相互吸引，电子与离子距离不同，所受势能大小不同,非完全自由电子模型,（1）电子所处势场是非均匀的，是有一定周期性的，电子在一个周期性变化的势场中运动。电子除做直线运动外，还要在正电荷附近做轻微的振动,运动的电子相当于一个德布罗意平面波，电子波在金属晶体中运动受布拉格方程（n2dsin）限制。当满足布拉格方程时，电子波将被晶面反射，不能通过晶格，使得原有的能级发生断裂，产生各种能带。,空带,导带,满带,易吸收光发生跃迁金属
4、光泽，电场作用下容易产生电子流导电,E,金属的能带良导体,导体,半导体,绝缘体,5eV,导体、半导体、绝缘体的能带,导带,分子轨道理论,金属形成多原子离域键时，N个原子轨道线性组合而成N个分子轨道，可以容纳2N个电子,多原子轨道线性组合,Na1S22S22P63S1,导带,3s2p2s1s,3s2p2s1s,Mg1S22S22P63S2,3p,金属单质结构,金属单质结构的近似模型等径圆球密堆积,金属单质由金属原子按周期组成，金属原子可以看作是半径相等的圆球组成，并且这些圆球的排列是密堆积的,密置列,沿直线方向伸展的等径圆球密堆积的一种排列方式,直线点阵,密置层,沿二维空间伸展的等径圆球密堆积的
5、唯一的一种排列方式,六方点阵,密置双层,由两个密置层组成的最密堆积称为密置双层为保持最紧密堆积，第二层球的投影位置应落在第一层中三个球所围成的空隙中心上，即上下两个层接触并平行的错开,六方点阵,密置双层,A层,B层,两种间隙,三个A层原子与1个B层原子，组成正四面体间隙,四面体间隙,三个A层原子与3个B层原子，组成正八面体间隙,八面体间隙,密堆积的三种典型型式,A1型：立方最紧密堆积,A3型：六方最紧密堆积,A2型：体心立方密堆积,立方最紧密堆积,A1型密堆积,面心立方 FCC,点阵形式,晶胞内原子数,81/8+61/2=4,密置层,（111）面,晶胞,配位数N,原子周围最近邻的原子,12,四
6、面体间隙数,8,八面体间隙数,4,1+121/4=4,密置层重复方式,从（111）方向看,A,B,C,A,B,C,A,密置方式：ABCABC,空间占有率,晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比,晶胞体积,V=a3,原子体积,原子半径,a,原子数目,4,空间占有率,=74.05%,六方最紧密堆积,A3型密堆积,简单六方,点阵形式,晶胞内原子数,121/6+21/2+3=6,密置层,（001）面,晶胞,晶体结构,密排六方HCP,配位数N,原子周围最近邻的原子,12,四面体间隙数,12,2,+621/3,+23=12,八面体间隙数,6,23=6,密置层重复方式,密置方式：ABAB,A,B,A,空间占有率,
7、空间占有率,=74.05%,a,a,c,体心立方密堆积,A2型密堆积,点阵形式,晶胞内原子数,81/8+1=2,晶胞,体心立方,配位数N,原子周围最近邻的原子,8,四面体间隙数,12,41/26=12,八面体间隙数,6,61/2+121/4=6,空间占有率,晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比,晶胞体积,V=a3,原子体积,原子半径,原子数目,2,空间占有率,=68.02%,a,金属元素中，A1,A2,A3结构的有58种,金属元素中，A1,A2,A3结构的有58种,a. s,p层电子数较少，易为A2型密排Na，3s1A2b. s,p层电子数较多，易为A1型密排：Al，3s13p2A1c. s,p层
8、电子数居中，易为A3型密排，Mg，3s2A3,Back,back,back,back,back,back,back,back,合金结构,合金,两种或两种以上的金属（或金属与某些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系,定义,分类,金属固溶体,金属化合物,置换固溶体,间隙固溶体,正常价化合物（组成确定）,电子价化合物（组分可变）,金属固溶体,置换固溶体,特点,1、结构保持其中一种元素单质的形式，其中一部分原子被另一组分的原子统计的取代,CuAu,Cu,Au,+,=,AuCu,统计的取代,没有确定的位置，按照配比占据如AuCu，每个位置Au与Cu各有1/2可能占据,统计的取代,没有确定的位置，按照配比占
9、据,每个位置Au与Cu各有1/2可能占据，Au1/2Cu1/2,如果为Cu3Au每个位置为Au1/4Cu3/4,2、相似者相熔原则,单质结构形式相同,原子半径接近（15%）,价电子结构、电负性等相似,例,Ag-Au晶体结构均为A1原子半径：Ag144.5pm，Au144.2pm价电子结构：4d105S1，5d106S1,Ag-Au可以形成完全互熔体系即Ag和Au可以以任何比例互熔,2、无序结构与有序结构,AuCu,无序结构,原子没有特定的位置，为统计分布,有序结构,原子在晶胞中有特定的位置,制备方法,快速淬火得到无序结构,缓慢退火得到有序结构,面心立方,简单四方,间隙固溶体,特点,1、原子半径
10、较小的非金属原子（H,B,N,C等）统计的渗入过度金属的间隙中,钢铁,C元素在金属Fe中的间隙固溶体,C含量2.0生铁0.02-0.2%钢，0.25低碳钢，0.25-0.6%中碳钢0.6-2.0%高碳钢,金属N，C化合物,AlN:Al原子六方密堆积，N原子在四面体间隙,TiN,TiC,ZrC:金属面心立方，N原子在八面体间隙,特性,具有与金属相仿的导电性，具有金属光泽,硬度大，熔点高（金属-非金属间生成部分共价键,金属化合物,各组分原子分别占据不同的结构位置,结构形式一般不同于纯组分金属的结构,21/2+121/6=3,121/2+6+61/2=15,正常价化合物（组成确定）,AmBn,不丧失
11、均匀性的前提下，组分没有改变的余地,CaCu5,六方晶胞，有a，b两层交替堆积而成,即ABAB排列,a层,Ca,Cu,b层,原子数,Ca：Cu=1：5,主要材料,LaNi5,LaCo5,CeCo5等,主要用途,储氢材料：与氢结合，使氢气以固体的形式运输和储存，安全性能大大提升,电子化合物（组成确定）,AmBn,组分可以在一定范围内变化而化合物均匀性不变,化合物结构决定于均摊到每个原子上的价电子数,合金材料结构与性能,单相合金,工业上应用的单相合金都是单相固溶体，其性能决定于溶剂金属的性质和溶质元素的种类、数量和溶入方式,对于一定的溶剂和溶质，溶入的溶质越多，溶剂晶格畸变越大，固溶体强度、硬度和
12、电阻越高。,单相固溶体合金还具有较高的塑性、韧性和耐蚀性,多相合金,最常见的多相合金相结构是以一种固溶体为基体，其上分布着第二相,几个相的固溶体，性能决定于相组成相、相对数量及相的形状、大小和分布情况,第二相,硬而脆的化合物或以化合物为溶剂的固溶体，在基体中起阻碍基体运动的作用,基体,多相固溶体，具有较好的塑性形变能力,第二相在基体中的分布情况不同，影响整个合金的性能,1、网状,第二相分布于晶界,网状第二相为危害相导致合金塑性、韧性下降，强度降低，并且加热时易断裂（热脆性），生产时要避免出现,2、片状,第二相以片状形式分布于基体的晶粒内,塑性比 1 好，强度、硬度升高，层片越细，强度、硬度越大
13、,2、颗粒,第二相以颗粒形式分布于基体的晶粒内,塑性极好,优于比 1,2,强度硬度比2低,钢的球化退火:通过退火,使钢中的渗碳体球化,降低硬度,便于加工,例,2、弥散,第二相以质点的形式均匀分布于基体的晶粒内,塑性好,强度,硬度大大增加,工业上应用广泛弥散强化,高强钢等,金属材料,轻质金属材料,基体,Al，Mg，Ti等轻金属,合金,铝合金,航空航天,交通运输,轻工业等,镁合金,汽车,通信,电子,航空航天,等,钛合金,航天航空,石油化工,生物医学等,铝合金,仅次于钢铁的第二大金属材料,超硬超强铝合金,Al-Mg,Al-Cu等合金,强化机制,Al与Mg或Cu只能形成有限固溶体,超过固溶极限后,过量
14、的Mg或Cu与Al生成CuAl2,形成第二相,特点,强度接近于钢,但密度比钢小很多,用途,飞机螺旋桨,结构件,铆钉和飞机蒙皮等,Fe,Si为有害元素,生产的时候要严格控制其含量,铸造铝合金,为降低生产成本,通过改善制造高硬铝合金的工艺条件而得到的铝合金,一般通过变形法得到,快速凝固,粉末冶金,新方法高性能,Al-Zn-Mg-Cu,Al-Fe,Al-Cr,Al-Ti,高强耐蚀,耐热,Al-Li-Cu-Mg-Zr,低密度高模,喷射沉积,Al-Li,Al-Si,Al-SiC,镁合金,发展还不充分,产量为铝合金的1%,限制镁合金的因素,镁活泼,制备过程容易燃烧,生产难度大,生产技术不完善,耐蚀性能差,
15、高温性能差-耐热性差,常温力学性能差,用途,发动机机匣,飞机刹车轮毂,仪表,仪器照相机,望远镜等的壳体,镁合金主要研究领域,耐热镁合金,Mg-RE,Mg-Si,德国: Mg-Al-Si,美国: Mg-8Zn-5Al-0.6Ca,加拿大: Mg-5Al-0.8Ga,日本: Mg-2Y-1Zn,高强,高塑,高耐热和耐蚀,耐蚀镁合金,提高纯度:严格控制Fe,Cu,Ni含量,表面处理:化学.阳极氧化,有机物涂覆,电镀,化学镀,热喷涂等,阻燃镁合金,溶剂和气氛保护法:环境污染,性能降低,Mg-Ca合金:机械性能降低,其它,高强高韧镁合金,变形镁合金,通过大变形加工来提高性能,镁合金加工技术,变形,铸造,
16、其它,钛合金,20世纪50年代发展的新型合金,1954年,Ti-6Al-4V:耐热,高强,高塑,耐蚀,可焊接,生物相容性,75%-85%,20世纪60年代,航空发动机用高温钛合金及结构钛合金,20世纪70年代,耐蚀钛合金,形状记忆合金:Ti-Ni,20世纪80年代,耐蚀,高强,耐热,50年代:400,90年代:650 ,用途,飞行器蒙皮,导流叶轮,压气机机匣叶片,叶轮,超音速飞机结构等,主要研究方向,快速凝固,纤维,颗粒增强等方法,高温钛合金,化合物基钛合金,以Ti3Al,TiAl为基体,高温性能好,抗氧化性强,抗蠕变,质量轻,高温高韧钛合金,易锻,可轧,可焊机械性,环境抗力,强度,韧性好抗氧
17、化,冷热加工性能好,阻燃钛合金,医用钛合金,无毒,轻质,生物相容,钢铁材料的结构与性能,钢铁,以铁和碳为基本元素的合金体系的总称,是最大的合金材料,铁,熔点:1535,沸点:3000,结构,相:A2型密排,相:A2型密排,相:A1型密排,相:A2型密排,钢的主要物相,奥氏体,C在-Fe中的间隙固溶体,723时溶入0.8%的碳,铁素体,C在-Fe中的间隙固溶体, 由于-Fe晶胞较小,仅能溶入0.02%的碳,性能与纯铁相似,渗碳体,Fe与C形成的3:1化合物,Fe3C,属于正交晶系,在钢铁中起到第二相的作用,马氏体,C在-Fe中形成的过饱和间隙固溶体, C的含量为1.6%,性能与铁素体不同,很脆很
18、硬,结构为四方,钢铁的性能,依赖于钢铁的化学成分和内部结构,化学成分,碳含量越高,硬度越高,如果含渗碳体和马氏体物相比例高,则硬而脆,内部结构,不同物相具有不同晶体结构,决定了钢铁的性能,非晶态金属材料,非结晶状态的金属材料金属玻璃,金属玻璃,1959年，Duwez将Au-Si合金熔融后喷射到冷钢板上获得，此种合金用X射线检测不到衍射峰，为玻璃体,发现,喷射法,只能得到不规则产物，无实用价值,制备方法,高速冷却,添加非晶化元素,B,C,Si,P,S,Ga,Ge,As等促进非晶化元素15-30%，阻止金属形成晶体,非晶态金属的结构和性能,长程无序,短程无序,无晶界,不稳定,卓越的硬度和机械性,优
19、越的磁学性能,形状记忆合金,能“记忆”起自己受到外力作用而变形前的形状，并能自动恢复的合金,定义,Ni-Ti合金丝做成圈，加热到150再冷却，随后把它拉成笔直形状，当把笔直丝加热到95时，重新恢复成圆圈,形状记忆合金的结构和性能,记忆原理,具有热弹性马氏体相,母相有序结构的奥氏体,加工成一定形状,冷却,物相由奥氏体变为马氏体,形状不变,外力形变,物相不变马氏体,形状改变,加热,相变，马氏体变为奥氏体,形状恢复,形状记忆合金必须具备的特点,马氏体是热弹性类型,马氏体的形变主要通过孪晶取向改变而产生,母相通常是有序结构,主要材料,Ni-Ti合金,Cu-Zn-Al合金,Cu-Al-Ni合金,形状记忆合金的应用,航空天线,将形状记忆合金做成大型伞状天线，在马氏体状态下变形为很小体积，便于卫星携带，卫星到达轨道后，在太阳光的作用下恢复形状。,合金管接头,将合金加工成内径小于接管的套管，使用前扩管，接入后加热恢复形状,外接管,套管,扩管,恢复形状,热敏驱动器,利用合金超过某温度能变回原形的特性，设计成控制装置，如自动电子干燥箱，灯光调节，遥控门窗开关，自动启闭的电源等,
