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崔忠圻《金属学与热处理原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解试读:
第1章 金属与合金的晶体结构
1.1 复习笔记
一、金属原子间的结合
1.金属原子的结构特点(1)金属原子的最外层电子
金属原子的最外层的电子数很少,一般为一两个,不超过3个。
①正电性元素
金属原子的外层电子很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子,此时的原子变为正离子,故金属元素又称正电性元素。
②负电性元素
非金属元素的外层电子数较多,易于获得电子变为负离子,故非金属元素又称负电性元素。(2)元素的化学特性
决定于最外层的电子(价电子)数,而与内壳层的结构无关。(3)过渡族金属的特性
①过渡族金属化合价可变;
②过渡族金属的原子彼此相互结合时,最外层电子和次外层电子均参与结合;
③过渡族金属的原子间结合力特别强,熔点高、强度高;
④价电子决定其主要性能。
2.金属键(1)电子云(电子气)
处于聚集状态的金属原子,全部或大部分将它们的价电子贡献出来为整个原子集体所共有,称为电子云或电子气。(2)金属键
贡献出价电子的金属原子变成正离子沉浸在电子云中,它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来,这种结合方式称为金属键。它没有饱和性和方向性。(3)金属键模型
金属键模型如图1-1-1所示。在固态金属中,绝大部分原子处于正离子状态,少数原子处于中性原子状态。图1-1-1 金属键模型
3.结合力与结合能(1)结合力的特性
如图1-1-2(a)所示,则:
①两原子的结合力为吸引力和排斥力的代数和;
②吸引力为长程力,排斥力是短程力;
③当两原子间距较大时,吸引力大于排斥力,两原子自动靠近。在两原子靠近过程中,排斥力急剧增长;
④两原子距离为d时,吸引力与排斥力相等,原子间结合力为0零,d即相当于原子的平衡位置;0
⑤任何对平衡位置的偏离,都将会受到一个力的作用,促使其回到平衡位置;
⑥原子间的最大结合力出现在d位置处;c
⑦在点d附近,结合力与距离的关系接近直线关系。0图1-1-2 双原子作用模型(2)结合能的特性
如图1-1-2(b)所示,则:
①结合能是吸引能与排斥能的代数和;
②吸引能是负值,排斥能是正值;
③当原子移至平衡距离d时,原子的势能最低、最稳定;0
④任何对d的偏离,都会使原子的势能增加,故原子就有恢复到0平衡距离的倾向;
⑤金属不同,其结合能的大小也不同;
⑥常见金属中的原子总是自发地趋于紧密地排列,以保持最稳定的状态。
二、金属的晶体结构
1.晶体与非晶体(1)晶体
晶体是指原子(或离子、分子)在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体。(2)非晶体
非晶体是指原子(或离子、分子)在三维空间不呈周期性规则排列的固体。(3)晶体与非晶体的区别
①晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体存在一个软化温度范围,没有明显的熔点;
②晶体具有各向异性,而非晶体却为各向同性。
2.晶体结构与空间点阵(1)晶体结构
①晶体结构是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。
②原子堆垛模型
原子堆垛模型如图1-1-3(a)所示。从图中可以看出,原子在各个方向的排列都很规则。
a.优点
立体感强,很直观。
b.缺点
难以看清内部原子排列的规律和特点,不便于研究。(2)空间点阵
①阵点或结点
将构成晶体的实际质点忽略,把它们抽象为纯粹的几何点,则该几何点称为阵点或结点。
②空间点阵
阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形称为空间点阵。
③晶格
将阵点用直线连接起来形成的空间格子称为晶格,如图1-1-3(b)所示。
④晶胞
a.概念
从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点排列的规律性,这个最小的几何单元称为晶胞,如图1-1-3(c)所示。图1-1-3 晶体中原子排列示意图
b.变量表示
第一,晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ表示,如图1-1-4所示。
第二,晶胞的棱边长度一般称为晶格常数或点阵常数,在x、y、z轴上分别以a、b、c表示。
第三,晶胞的棱间夹角又称轴间夹角,通常y-z轴、z-x轴和x-y轴的夹角分别用α、β、γ表示。
第四,配位数是指晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目,可用来表示原子排列的紧密程度。
第五,致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比,可用来表示原子排列的紧密程度。如
式中,K为晶体的致密度;n为一个晶胞实际包含的原子数;V1为一个原子的体积;V为晶胞的体积。图1-1-4 晶胞的晶格常数和轴间夹角表示法
3.三种典型的金属晶体结构
根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的互相关系对晶体进行分类,可分为14种类型,根据晶体的对称程度高低和对称特点,又可将14种空间点阵分为7个晶系,如表1-1-1所示。表1-1-1 17个晶系和14种点阵(1)体心立方晶格
①晶胞模型
a.描述:体心立方晶格的晶胞模型如图1-1-5所示。
第一,晶胞的三个棱边长度相等,三个轴间夹角均为90°,构成立方体。
第二,除了在晶胞的八个角上各有一个原子外,在立方体的中心还有一个原子。
b.应用:具有体心立方结构的金属有α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多种。
图1-1-5 体心立方晶胞
②相关参数值
a.原子半径。a为点阵常数。
b.晶胞的原子数为8×1/8+1=2。如图1-1-5(c)所示。
c.晶格的配位数为8。
d.晶格的致密度为
③间隙
体心立方晶格间隙如图1-1-6所示,即八面体间隙和四面体间隙。图1-1-6 体心立方晶格的间隙
a.八面体间隙
第一,由6个原子所围成,4个角上的原子至间隙中心的距离较远,为,上下顶点的原子中心至间隙中心的距离较近,为。
第二,间隙的棱边长度不全相等,是一个不对称的扁八面体间隙,间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径,即
第三,间隙中心位于立方体各面的中心和棱边的中点处。
b.四面体间隙
第一,由4个原子围成,棱边的长度不全相等,也是不对称间隙。原子中心至间隙中心的距离皆为。
第二,间隙半径为(2)面心立方晶格
①晶胞模型
a.描述:面心立方晶格的晶胞如图1-1-7所示。图1-1-7 面心立方晶胞
第一,晶胞的三个棱边长度相等,三个轴间夹角均为90°,构成立方体。
第二,在晶胞的8个角上各有1个原子,在6个面的中心各有1个原子。
b. 应用:等约20种金属具有这种晶体结构。
②相关参数值
a.面心立方晶胞的原子半径,其中a为晶胞点阵常数。
b.面心立方晶胞中的原子数为。
c.从图l-1-8可看出,面心立方晶格的配位数为12。
d.面心立方晶格的致密度为图1-1-8 面心立方晶格的配位数
③间隙
面心立方晶格间隙如图1-1-9所示,即八面体间隙和四面体间隙。图1-1-9 面心立方晶格的间隙
a.它们均属于正八面体间隙和正四面体间隙。
b.间隙半径
第一,八面体间隙的原子至间隙中心的距离为,间隙半径为
第二,四面体间隙的原子至间隙中心的距离为,间隙半径为(3)密排六方晶格
①晶胞模型
a.描述:密排六方晶格的晶胞如图1-1-10所示。图1-1-10 密排六方晶胞
在晶胞的12个角上各有1个原子,构成六方柱体,上底面和下底面的中心各有l个原子,晶胞内还有3个原子。
b.应用:具有密排六方晶胞的金属有。
②相关参数值
试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]