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第三章　金属材料 3.1　金属特性与金属键 3.2　金属单质结构 3.3　金属合金 3.4　金属材料 引言 3.1　金属特性与金属键 与非金属相比，金属具有许多共同的特性，其中最显著的特性为：不透明，有光泽，能导电传热，具有延展性。金属的这些特性，反映了金属的内部结构中有与传统的共价键或离子键不同的结合方式，其结合能也大于分子间作用力，因此在金属中内部原子间有一种特殊的作用力—金属键。 3.2　金属单质结构 1、金属单质结构的近似模型——等径圆球密堆积 3.3　合金结构 　　合金是指两种或两种以上金属的混合体系，分为固溶体和金属化合物两种。 1、金属固溶体 　　金属固溶体就是两种或多种金属或金属化合物相互溶解组成的均匀物相，其组分的比例可以改变，但不能破坏它的均匀性。有些非金属单质也能溶于某些金属而生成的固溶体仍然具有金属性，这类固溶体也属于金属固溶体。 3.4 金属材料 　　由于铝、镁、钛等金属的密度小，因此这几种金属通常被称为轻金属，其相应的铝合金、镁合金和钛合金则称为轻合金。 3.4.1　轻质合金材料 4、金属原子半径 　　用X射线衍射法可以测定金属单质的结构，进而求出金属原子的半径数据。 　　金属原子的半径随着原子的配位数的不同有所变化，如以配位数为12时的半径作为1，其它配位数的原子半径相对关系如下表所示： 0.88 0.96 0.97 1.00 相对半径差 4 6 8 12 配位数 　(1)、置换固溶体 　　当A、B两种金属的结构形式相同，原子半径相近，原子的价电子层结构和电负性差别不大时，A、B两种金属可按任意比例形成固溶体。 　　置换固溶体的结构仍保持原来的结构形式，只是一部分金属原子A（或B）位置被另一种原子取代。 　　两种金属能否形成固溶体及固溶体存在的浓度范围取决于这两种金属是否性质相似，“相似相溶”规则在金属固溶体中也适用。构成无限互溶固溶体的必要条件是： A.组分A与B具有相同的结构形式； B.组分金属的原子半径相近，两者相差不超过15%； C.组分金属的电正性不能相关太多，否则倾向于生成金属化合物。 固溶体的无序结构和有序结构： 　形成的固溶体只有统计取代的结构的固溶体称为无序结构；在缓慢冷却的条件下可得有序化结构，又称有序超结构。 淬火：有利于得到无序结构； 退火：有利于得到有序结构。各原子趋向于确定位置。　 (2)间隙固溶体 　　原子半径较小的非金属原子可渗入过渡金属结构的间隙中形成间隙固溶体。如C溶于γ－Fe中生成的固溶体（奥氏体）就是一个常用的材料。 　　间隙固溶体不是组分元素间形成的化合物，其组成在一定范围内可变，具有明显的金属性。间隙元素与金属的电负性相差不大，所以它们与金属原子可形成共价键，使得金属固溶体不易在外力作用下滑动。间隙固溶体的硬度大，熔点高。因此可通过控制溶质来获得不同硬度和熔点的合金。 (3)缺位固溶体 　　这类固溶体一般是由被溶元素溶于金属化合物中生成的溶入元素原子占据着晶格的正常位置，但另一组分元素应占的某些位置还是空的。 2、金属化合物 　　当合金组分的原子半径、元素电负性和价电子层结构以及单质的结构形式间差别增大时，金属合金倾向于生成金属化合物。 　　金属化合物有两种主要形式，即正常价化合物和电子化合物。 　　金属化合物的特征为：金属化合物的结构形式一般不同于纯组分独立存在时的结构；在金属形成的化合物物相中，各种原子在结构中的位置已有了分化，它们已分为两套不同的结构位置，而两种原子分占其中的一套。 (1)正常价化合物 　　这种化合物组成AmBn在不丧失均匀性的前提下，是没有变化的，即化学组成是唯一确定的。此类合金称为金属化合物。 (2)电子化合物 　　组成可在一定的范围内变化，如过渡金属与周期表中右半部的一个金属形成的体系，通常其结构形式决定于每个原子平均摊到的价电子数，故称为电子化合物。 ３、合金材料的结构和性能 (1)单相合金 　　工业上应用的单相合金都是属于单相固溶体，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、硬度和电阻越高。 (2)多相合金 　　多相合金中各相仍保持各自的性能特点，因此其性能一般是组成相的算术平均值。但是，除了组成相性能和相对数量外，决定多相合金性能的还有组成的形状、大小和分布情况。 　　最常见的多相合金相结构是以一种固溶体为基体，在其上分布着第二相。 　　第二相一般是硬而脆的化合物或以化合物为溶剂的固溶体。这种合金塑性变形主要在基体内进行，第二相对基体变形起阻碍作用，因此性质上表现为塑性变形能力低于单相溶体。根据第二相（脆性相）的作用情况，可以把多相合金分为以下４种情况： ①脆性相以网状分布于基体的晶界上 　　由于基体晶粒被脆性相包围，在空间形