复旦大学材料物理第2课.doc

金属键 金属键在本质上和共价键有类似的地方，但是其外层电子比共价键更公有化，电子自由游移于正离子之间，遍及整个晶体，构成近自由电子这就像是正离子浸在近自由电子的海洋之中。金属键和共价键最明显的区别就是金属短缺乏方向性和饱和性。 金属键的外层电子的波函数互相重叠，这样就使孤立的能级逐步变成一个共有电子的能带。按照泡利不相容原理，能带从底部填起．一直填到费米能级为止。 有关金属键的较严密解释需借助于以后将要讨论的固体能带理论，但也可能较直观的将金属键看作是多原子共价键的极限情况。 以Na金属为例： 金属晶体 金属键由数日众多的s轨道所组成，s轨道没有方向性，它可以在任何方向和相邻原干的s轨道重叠，同时相邻原子的数目除了空间因素外别无其他限制，所以金属键没有方向性和饱和性，为了使各个s轨道最大程度的重叠．金属离子应按最紧密的方式堆积才能使金属结构最稳定。 金属正离子可以视为圆球，一个圆球周围最靠近的圆球数叫做配位数。如同离子晶体那样，金属正离子的密堆积也有以AB形式及ABC形式重叠的密堆积两种。从AB形式密堆积中可以取出一个六方品胞如图1．5．2(a)所示，称为六方密堆积(用符号A3表示)o而从ABC形式密堆积中可以取出一个面心立方晶胞如图1．5．2(b)所示，故称为立方密堆积，记作符号A1。金属元素还有第三种常见的结构，即立方体心排列结构(见图1．5．2(c))，其中每个原子被8个位于立方体顶点上的近邻原子所包围，此外每个原子还有另外稍远—点的6个近邻原子(其他6个体心立方体中6个体心原子)。体心立方结构的堆积密度与密堆积结构的堆积密度差别不大，常用符号A2来表示体心立方结构。 六方密堆积的空间占有率为74％，体心立方的为68％（习题）。 合金结构： 合金是指两种或两种以上的金属(也包括有非金属元素)经过熔合过程而得到的宏观均匀体系。合金的种类很多，从结构上来看，可以分为： 金属固溶体 金属（间）化合物 固溶体：是指两种或两种以上的固体物质完全混溶后所形成的新的固态物质，可分为： 置换固溶体：两种金属元素A和B可以形成置换固溶体。置换固溶体的结构仍保持A或B的原先结构型式，只是一部分金属原子A(或B)的位置被另一个金属原子B(或A)无规则的取代。这就意味着在一个结构位置上，A或B原子均可能出现，这种出现的可能性，可以用相应的概率来表示。冈此，我们可以在每一个结构位造上安放一个统计原子AxB1-x 表示固溶体，其小x为A原子所占的分数，(1-x)是B原子所占的分数。 形成置换固溶体的条件： A、B两种金属的结构型式相同、 原子半径相差很小（15％，就不能形成完全固溶；25％时就不能形成置换固溶体） 原子的价电子层结构相近 负电性相近 实例：CuxAu1-x、WxMo1-x 间隙固溶体： 在金属结构中，金属原子的密堆积中有很多的八面体和四面体间隙，某些原子半径很小的非金属元素，如H、B、C、N等，可以无规则地分布在这些空隙中而形成间隙固溶体，例如奥氏体就是碳溶入??Fe(A1)中所形成的间隙间溶体。当所有间隙都被占满时，间隙固溶体达到了饱和，再加入溶质则将出现新相。由于间隙原子的存在使原先的金属键外又加入了部分的共价键而提高了原于间结合力及空间利用率，从而使间隙固溶体比纯金属的熔点高及硬度大。 金属（间）化合物： 当A、B两种金属原子的半径、结构型式和负电性差别较大时，则形成金属化合物。金属化合物的结构特征表现在它的结构型式一般都与其组成金属单独存在的结构型式不同，而且A、B原子分别占据确定的结构位置。金属固溶体一般为无序结构，而金属化合物为有序结构。 实例：CuZn、 NiAl、Ni3Si、Ni3Al、Ni3Ge、Ni3Ga对金属间化合物的研究表明，由于它的特殊晶体结构，使其具有固溶体材料所没有的性能。 例如，固溶体材料通常随着温度的升高而强度低，但某些金属间化合物的强度在一定范围 内反而随着温度的升高而升高，这就使它有可能作为新型的高温结构材料的基础。晶体结构： 晶态是内于原于间相互作用导致的固体的热力学平衡状态。其特征在于其中的原子的排列呈现三维周期结构。在材料中．金属与陶瓷通常是晶态，即使是高分子材料或生物材料也有相应的晶相。 晶体实质：原子、分子在空间有规律地堆砌排列。这种规则的排列使晶体结构呈现出周期性，并表现出一系列晶体的特征。 晶体的特征： 晶体常具有沿某些晶面方向易劈裂的性质，这称为晶体的解理性，这样的晶面称为解理面。显露晶体表面的往往是些解理面。晶面的交线称为晶棱。晶体的晶面是按晶带分布的。相交晶棱互相平行的—组晶面构成一个晶带。如图2．1．1中的a-1-c-2晶面形成一个晶带。这些平行的晶棱的共同方向称为该晶带的带轴(如图2．1．1中OO’表示带轴)。 晶体中原子、分