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起。上面已經(jīng)提到，固體的金屬都是晶體，而晶體的 點 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，形成一個空間幾何格子，并稱之為晶格，見圖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，見圖3-2所示。其中，體心立方晶胞為x=y=z的正方體，每個節(jié)點和體心內(nèi)各置一個原子。配屬于該晶胞的原子數(shù)為(1/8)x8+1=2個。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，但它除每個節(jié)點各有一個原子外，其六個面上還各置一個原子。配屬于該晶胞的原子數(shù)為(1/8)x8+(1/2)×6=4個。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。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，其機械性能是不同的。我們知道，金屬的強度表現(xiàn)為金屬原子間的金屬健結(jié)合。也 是說，金屬原子(實為離子)周圍的自由電子穿梭于各原子之間，它不再為某個原子所擁有，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度。如果相鄰原子較遠，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，實質(zhì)上 是其晶格的變形或移動。在外力的作用下，金屬內(nèi)部的晶格首先將發(fā)生伸長或歪扭變形，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，以致超過了原子間的結(jié)合力，金屬內(nèi)部的晶格將發(fā)生錯位(業(yè)內(nèi)人士稱其為位錯)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 說金屬發(fā)生了塑性變形。如果再增大外力，使它能夠克服整個金屬斷面上所有晶格滑移所需要的力，此時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)縮孔對單晶體來說，晶格的變形(拉伸或扭轉(zhuǎn))或移位(位錯或滑移等)總是優(yōu)先在原子結(jié)合力較小的面間進行，或者是沿原子密度 的幾何面(稱為晶面)發(fā)生。對于每種晶胞來說，這種面越多，晶體變形越容易，表現(xiàn)出來的金屬塑性越好。因為密排六方晶胞的變形面較多，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)的金屬強度 ，面心晶胞次之，密排六方晶胞則 。
眾所周知，工程上應(yīng)用的金屬材料并沒有呈現(xiàn)各向異性的性能。這是因為實際的金屬材料通常并不是一個單一的晶體，而是由無數(shù)個晶格取向各不相同的小晶體所組成。每個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，自由電子的運動受到阻礙，使得晶界金屬容易失去電子而遭受化學或電化學腐蝕，同時金屬的導(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，因此實際金屬中的晶粒也變得難以變形和移動。晶粒和晶界共同作用的結(jié)果使得實際金屬的強度一般高于單晶體。試驗證明，金屬的強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：因為金屬的晶粒尺寸越小，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。這是因為此時單位體積內(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晶粒過大變形而導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，甚至導(dǎo)致金屬的過早斷裂。基于這樣的理論，工程上常將金屬中晶粒的大小作為評定金屬產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量好壞的一個重要指標。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晶粒度的影響將放在第九章中講述。
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