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d0时,吸引力与排斥力相等,原子间结合力为零,d0即相当于原子的平衡位置; 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dc位置处; ⑦在点d0附近,结合力与距离的关系接近直线关系。 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d0时,原子的势能最低、最稳定; ④任何对d0的偏离,都会使原子的势能增加,故原子就有恢复到平衡距离的倾向; 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。