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郑州槽钢:纯金属的晶体结构介绍

槽钢是金属材料是现代机械制造工业中应用最广泛的工程材料。不同的金属材料具有不同的力学性能,即使是相同的金属材料,在不同的条件下其力学性能也是不同的。如用高碳钢制造的锉刀,没有淬火时硬度不高,经淬火后可以使锉刀具有很高的硬度和耐磨性。金属材料力学性能的这种差异是由其化学成分和组织结构所决定的。为了合理应用郑州槽钢,金属材料,必须首先了解郑州槽钢金属的成分、组织结构和性能之间的关系。

第一节 纯金属的晶体结构

一、晶体与非晶体

物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同,可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。

1.非晶体

固态物质内部原子呈无规则堆积的聚集状态称为非晶体,如松香、玻璃、沥青、石蜡等都属于非晶体。非晶体材料往往没有固定的熔点,随着温度的升高,固态非晶体将逐渐变软,最终成为有流动性的液体,而其液体冷却时逐渐稠化,最终变成固体。非晶体在各个方向的性能是相同的,即所谓各向同性。

2.晶体

固态下原子呈规则排列而形成的聚集状态称为晶体,如纯铝、纯铁、纯铜等都属于晶体。绝大多数金属和合金在固态下都属于晶体,晶体通常具有固定的熔点和各向异性等特性。晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。例如,通常是晶态的金属,加热到液态后急冷,若冷却速度足够大,也可获得非晶态金属。非晶态金属与晶态金属相比,具有高的强度、硬度、韧性和耐腐蚀性等一系列优良性能;而玻璃经高温长时间加热可以变为晶态玻璃。

二、晶体结构的基本概念

1.晶格

晶体内部原子是按一定的几何规律排列的,为了便于理解,把金属内部的原子近似地看成是刚性小球,则金属晶体就可看成是由刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成的物体,如图2-1(a)所示。

图2-1 晶体内部原子排列、晶格及晶胞

(a)晶体内部原子排列;(b)晶格;(c)晶胞

为形象地描述晶体内部原子的排列规律,可以将原子抽象为一个个的几何点,用假想的线条将这些点连接起来,构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格,如图2-1(b)所示。

2.晶胞

由图2-1(b)可知,晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞,如图2-1(c)所示。

三、金属晶格的类型

由于金属中原子之间的结合力较强,且无方向性,所以在金属晶体中,原子有总是趋于结合得最紧密的特性。工业上常用的金属中,除少数具有复杂晶体结构外,室温下有85%~90%金属的晶体结构都属于比较简单的三种类型:体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

1.体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是一个立方体,在立方体中心有一个原子,八个顶角各排列一个原子,因每个顶角上的原子同属于周围八个晶胞所共有,故晶胞中实际原子数为1/8×8+1=2(个),如图2-2所示。属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钒(V)、钨(W)、钼(Mo)及α -铁(α -Fe)等金属。晶体结构为体心立方晶格的金属材料,其强度较大而塑性相对较差一些。

图2-2 体心立方晶格晶胞示意图

2.面心立方晶格

晶胞也是一个立方体,在立方体六个面的中心和八个顶角各有一个原子,因每个面中心的原子同属于两个晶胞所共有,故晶胞中实际原子数为1/8×8+1/2×6=4(个),如图2-3所示。属于这种晶格类型的金属有铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)及γ -铁(γ -Fe)等金属。晶体结构为面心立方晶格的金属材料,其强度较低而塑性很好。

图2-3 面心立方晶格晶胞示意图

3.密排六方晶格

密排六方晶格晶胞如图2-4所示,该晶胞是一个六方柱体,在六方柱体的十二角和上下底面中心各有一个原子,在顶面和底面之间还有3个原子。其晶胞中实际原子数为1/6×12+1/2×2+3=6(个),属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、铍(Be)及锌(Zn)等。这类金属强度和塑性都不好,脆性较大。


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