服務(wù)熱線：雙芯可調(diào)縮孔用鈍金屬的微觀結(jié)構(gòu)詳解
2018年10月25日
滄州五森管道有限公司
鈍金屬在雙芯可調(diào)縮孔上用的很少，大多數(shù)用的是其合金材料。為了便于理解，還是首先從鈍金屬說(shuō)起。上面已經(jīng)提到，固體的金屬都是晶體，而晶體的 點(diǎn) 是其原子按一定的規(guī)律整齊排列著。不妨用假想的幾何聯(lián)線將原子的中心線連起來(lái)，形成一個(gè)空間幾何格子，并稱之為晶格，見(jiàn)圖3-1所示。構(gòu)成晶格的 小單元叫做晶胞，晶胞各邊的尺寸(x，y，z)叫做晶格常數(shù)。根據(jù)晶格常數(shù)及原子的配置位置不同，雙芯可調(diào)縮孔可將晶胞分成以下常見(jiàn)的三種型式：即體心立方晶胞、面心立方晶胞和密排六方晶胞，見(jiàn)圖3-2所示。其中，體心立方晶胞為x=y=z的正方體，每個(gè)節(jié)點(diǎn)和體心內(nèi)各置一個(gè)原子。配屬于該晶胞的原子數(shù)為(1/8)x8+1=2個(gè)。屬于此類晶格結(jié)構(gòu)的金屬有α-鐵 (α-Fe)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)等;面心立方晶胞也為x=y=z的正方體，但它除每個(gè)節(jié)點(diǎn)各有一個(gè)原子外，其六個(gè)面上還各置一個(gè)原子。配屬于該晶胞的原子數(shù)為(1/8)x8+(1/2)×6=4個(gè)。屬于此類晶格結(jié)構(gòu)的金 屬有鋁(Al)、銅(Cu)、 (a)體心立方晶胞 (b)面心立方晶胞 (c)密排六方晶胞鎳(Ni)、鉛(Pb)、r-鐵 (r-Fe)、銀(Ag)等;密排六方晶胞的y/x≈1.633，雙芯可調(diào)縮孔配屬該晶胞的原子數(shù)為(1/4)x12+(1/2)x2+3=6個(gè)。屬于此類晶格結(jié)構(gòu)的金屬有鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。不同晶格型式的金屬，其機(jī)械性能是不同的。我們知道，金屬的強(qiáng)度表現(xiàn)為金屬原子間的金屬健結(jié)合。也 是說(shuō)，金屬原子(實(shí)為離子)周圍的自由電子穿梭于各原子之間，它不再為某個(gè)原子所擁有，而是為相鄰的所有原子共有，各原子正是靠這些自由電子將它們緊緊地“粘”在一起(通常稱這種結(jié)合為金屬健結(jié)合)，從而使金屬具有了較高的強(qiáng)度。如果相鄰原子較遠(yuǎn)，其自由電子的“粘結(jié)力”將降低。從上面講到的三種晶胞型式看，由于其各個(gè)幾何面上的原子數(shù)及原子間的距離不同，故各幾何面上的原子結(jié)合力是不同的，這 是雙芯可調(diào)縮孔通常所說(shuō)的晶體具有“各向異性”的原因。
雙芯可調(diào)縮孔金屬的變形，實(shí)質(zhì)上 是其晶格的變形或移動(dòng)。在外力的作用下，金屬內(nèi)部的晶格首先將發(fā)生伸長(zhǎng)或歪扭變形，如果去掉外力，變形的晶格將恢復(fù)正常的穩(wěn)定位置，此時(shí)的金屬變形稱為彈性變形。如果施加的外力足夠大，以致超過(guò)了原子間的結(jié)合力，金屬內(nèi)部的晶格將發(fā)生錯(cuò)位(業(yè)內(nèi)人士稱其為位錯(cuò))或滑移，移位后的原子將和新位置上的原子發(fā)生“粘結(jié)”，此時(shí) 說(shuō)金屬發(fā)生了塑性變形。如果再增大外力，使它能夠克服整個(gè)金屬斷面上所有晶格滑移所需要的力，此時(shí)金屬的塑性變形量將快速增加，直到金屬的斷裂。雙芯可調(diào)縮孔對(duì)單晶體來(lái)說(shuō)，晶格的變形(拉伸或扭轉(zhuǎn))或移位(位錯(cuò)或滑移等)總是優(yōu)先在原子結(jié)合力較小的面間進(jìn)行，或者是沿原子密度 的幾何面(稱為晶面)發(fā)生。對(duì)于每種晶胞來(lái)說(shuō)，這種面越多，晶體變形越容易，表現(xiàn)出來(lái)的金屬塑性越好。因?yàn)槊芘帕骄О淖冃蚊孑^多，面心立方晶胞次之，體心立方晶胞 少，故具有體心立方晶胞結(jié)構(gòu)的金屬?gòu)?qiáng)度 ，面心晶胞次之，密排六方晶胞則 。
眾所周知，工程上應(yīng)用的金屬材料并沒(méi)有呈現(xiàn)各向異性的性能。這是因?yàn)閷?shí)際的金屬材料通常并不是一個(gè)單一的晶體，而是由無(wú)數(shù)個(gè)晶格取向各不相同的小晶體所組成。每個(gè)小晶體的外形多呈不規(guī)則的顆粒狀，并稱其為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。顯然，雙芯可調(diào)縮孔晶界上的原子為了適應(yīng)兩晶粒間的不同晶格方位的過(guò)渡，其排列是不規(guī)則的，晶格也不再保持原形而發(fā)生畸變。根據(jù)金屬變形的理論可知，此時(shí)晶界上的原子難以移位，晶格也難以變形，故使得金屬的性能因晶界的存在而發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為金屬的強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性下降。又由于晶界的原子排列不規(guī)則，自由電子的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，使得晶界金屬容易失去電子而遭受化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，同時(shí)金屬的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率下降。由于各晶粒的晶格取向不同，每個(gè)晶粒發(fā)生晶格變形都將受到它周圍晶粒的約束和阻礙，因此實(shí)際金屬中的晶粒也變得難以變形和移動(dòng)。晶粒和晶界共同作用的結(jié)果使得實(shí)際金屬的強(qiáng)度一般高于單晶體。試驗(yàn)證明，金屬的強(qiáng)度不僅與原子間的結(jié)合力有關(guān)，還與其晶粒的大小有關(guān)。理論上可以這樣解釋：因?yàn)榻饘俚木Я３叽缭叫?，雙芯可調(diào)縮孔單位體積內(nèi)的晶粒數(shù) 越多，晶界的總面積 越大，每個(gè)晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)越多，從而表現(xiàn)出金屬的變形抗力 越大，金屬的強(qiáng)度越高。另一方面，晶粒尺寸越小，金屬的塑性和韌性也越好。這是因?yàn)榇藭r(shí)單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目增加后，同樣的晶格變形可以分散在 多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較均勻的變形，不致于造成局部某個(gè)晶粒過(guò)大變形而導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，甚至導(dǎo)致金屬的過(guò)早斷裂?；谶@樣的理論，工程上常將金屬中晶粒的大小作為評(píng)定金屬產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。這部分內(nèi)容將在第九章中介紹。
從上面的論述中可以得到這樣一個(gè)結(jié)論：雙芯可調(diào)縮孔金屬的晶粒尺寸越小越好。金屬晶粒尺寸的大小與它液態(tài)凝固時(shí)的條件、壓力加工變形方法、熱處理方法等因素有很大關(guān)系。采用合理的凝固條件、壓力加工變形方法和熱處理方法，可以獲得良好的晶粒尺寸。本節(jié)主要講凝固條件對(duì)金屬晶粒度的影響，而雙芯可調(diào)縮孔熱處理及壓力加工變形方法對(duì)晶粒度的影響將放在第九章中講述。
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