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鎂的密排六方晶格決定鎂的塑性較低

2019-12-06 14:17 ?瀏覽:

金屬材料的許多性能與其內(nèi)部原子的排列方式即晶體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。例如,面心立方晶格的銅、鋁的塑性比體心立方晶格的鐵、鎢的高,而密排(集)六方晶格的鎂、鈹?shù)乃苄詤s很差。同時,熱處理過程中的相變和原子擴散也與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此,了解鎂的晶體結(jié)構(gòu),對于掌握其性能變化的實質(zhì),對進一步改善和發(fā)展鎂和鎂合金材料都有重要意義。
  在已發(fā)現(xiàn)的106種元素中,金屬元素約占4/5,鎂是其中之一,而且它是常用金屬元素之一,它的電子軌道分布1S22S22P63S2,即其最外層電子軌道上有2個電子,它們和原子核的結(jié)合力較弱,很容易脫離原子核的束縛變成自由電子,因此鎂在化學(xué)反應(yīng)中易失去這2個電子,而變成正2價的離子。正是由于鎂原子結(jié)構(gòu)的這一特點,決定了鎂原子在化學(xué)反應(yīng)中的行為和原子間的結(jié)合方式。鎂有三種同位數(shù):78.99%24Mg,10.00%25Mg,11.01%26Mg。
  當(dāng)大量鎂原子聚合在一起構(gòu)成鎂晶體時,絕大部分鎂原子都失去其價電子而成為正離子,正離子按一定幾何形式有規(guī)律地排列起來,且分別以一定平衡位置為中心作三維高頻振動,而脫離鎂原子核束縛的價電子,為整個鎂離子所共有,在各離子之間自由運動,形成所謂“電子氣”(“電子云”)。但大多數(shù)自由電子在其瞬間也可能如某些正離子結(jié)合成為中性原子。因此,在際的固態(tài)鎂中,不是所有的鎂原子都變成正離子,而是絕大多數(shù)處于正離子狀態(tài)。
  鎂晶體就是依靠各正離子與“電子氣”間的相互引力牢固地結(jié)合起來,而離子與離子之間及電子與電子間的斥力與這種引力相平衡,使鎂處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這種金屬原子依靠其正離子與電子氣之間的相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵。鎂的許多特性諸如良好的導(dǎo)電性及正的電阻溫度系數(shù)、相當(dāng)好的導(dǎo)熱性、較好的熱塑性、尚可的冷塑性等等,都可用金屬鍵理論得到圓滿的解釋。
  密排六方晶格決定鎂的塑性較低
  大家知道,自然界的固態(tài)物質(zhì),雖然外形各異,種類繁多,但都是由粒子(原子、離子、分子、原子基因)堆積而成的。根據(jù)內(nèi)部粒子堆積情況可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體。晶體就是內(nèi)部粒子呈現(xiàn)則排列的物質(zhì),非晶體中粒子排列不規(guī)則。除少數(shù)固態(tài)物質(zhì)如玻離、松香、硬橡膠等外,絕大多數(shù)固態(tài)無機物都是晶體。
  由于晶體內(nèi)部粒子呈規(guī)則排列,所以晶體一般有規(guī)則的外形,若晶體形成條件不具備,其外形也可能變得不規(guī)則;晶體具有各向異性,即在晶體的不同方向上具有不同的物理和化學(xué)性能;晶體有固定的熔點,如鐵的熔點為1538℃,銅的熔點為1084.5℃,鋁的熔點為660.37℃,鎂的熔點為650℃。晶體與非晶體雖有這些根本區(qū)別,但在一定條件下是可以互相轉(zhuǎn)化的,例如液態(tài)鎂在極高的冷卻速度下凝固可以成為非晶態(tài)的,具有很高的強度性能與韌性。
  為了研究晶體結(jié)構(gòu),在結(jié)晶學(xué)上通常取晶胞角上某一結(jié)點作為原點,沿其三條棱邊作為三個坐標(biāo)軸X、Y、Z,稱為晶軸,而且規(guī)定在坐標(biāo)原點的前、右、上方為軸的正方向,反之為負(fù)方向,并常以晶胞的棱邊長度a、b、c和棱邊夾角α、β、γ等6個參數(shù)表示晶胞的幾何形狀。a、b、c稱為晶格常數(shù),單位為A°(1A°=10-10m),而α、β、γ稱為晶軸夾間,單位為度。
  金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方、面心立方和密排六方。具有面心立方晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni等,具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn、Cd、Be、α-Ti、α-Co等。大家知道,單晶體的塑性變形方面只有滑移和孿生,它們都是剪切應(yīng)變,即在剪應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿著特定的晶面和晶向發(fā)生平移。
  面心立方晶格金屬有4個不同取向的原子密排面,每個面上有3個密排方向,因此有12個晶體學(xué)等價的滑移系統(tǒng),塑性良好,工業(yè)純鋁及大多數(shù)變形鋁合金的道次冷加工率可高達50%以上??墒擎V及鎂合金為密排六方晶格,在225℃以下,只有3個滑移系,故塑性差,冷軋總加工率只不過20%,熱軋時塑性可高得多,因為滑移系會增加,這就是鎂及鎂合金為什么應(yīng)于在線加熱狀態(tài)下實現(xiàn)可塑軋制。鎂的塑性低是“天生”的,決定于晶體結(jié)構(gòu)。
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