首飾貴金屬材料基礎(chǔ)

1、首飾貴金屬材料材料學(xué)基礎(chǔ)首飾貴金屬材料的晶體學(xué)基礎(chǔ)貴金屬合金的相結(jié)構(gòu)首飾貴金屬材料加工工藝及性能 貴金屬材料的晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1 晶體結(jié)構(gòu)金的AFM 照片決定材料性能實(shí)質(zhì)：決定材料性能實(shí)質(zhì)：構(gòu)成材料原子的類型：構(gòu)成材料原子的類型：材料的成分描述了組成材料的元材料的成分描述了組成材料的元素種類以及各自占有的比例。素種類以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素原子的排列方式除了和元素自身的性質(zhì)有關(guān)以外，還和材料經(jīng)歷的生產(chǎn)加工過(guò)程有自身的性質(zhì)有關(guān)以外，還和材料經(jīng)歷的生產(chǎn)加工過(guò)程有密切的關(guān)系。密切的關(guān)系。w 1 1晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體學(xué)基礎(chǔ) w晶體結(jié)構(gòu)的基本特征

2、：晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：w 原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列排列, ,即存在長(zhǎng)程有序即存在長(zhǎng)程有序w性能上兩大特點(diǎn)：性能上兩大特點(diǎn)： 固定的熔點(diǎn)固定的熔點(diǎn) 各向異性各向異性一、晶體的空間點(diǎn)陣一、晶體的空間點(diǎn)陣1.1. 空間點(diǎn)陣的概念空間點(diǎn)陣的概念將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點(diǎn)，將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點(diǎn)，即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣特征：每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境特征：每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境2 2晶胞晶

3、胞 代表性的基本單元（最小平行六面體）代表性的基本單元（最小平行六面體）底心單斜簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單四方體心四方簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方1 12 23 3面心立方結(jié)構(gòu)（A） face-centred cubic lattice面心立方結(jié)構(gòu)（A） face-centred cubic lattice常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu) 體心立方結(jié)構(gòu)（A ） body-centred cubic lat常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu) 體心立方結(jié)構(gòu)（A ） body-centred cubic lattice tice 密排立方結(jié)構(gòu)（A ） hexagonal close-packed

4、 lattice密排立方結(jié)構(gòu)（A ） hexagonal close-packed lattice2 貴金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方點(diǎn)陣體心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣密排六方點(diǎn)陣密排六方點(diǎn)陣間隙（Interstice）八面體間隙fcc，hcp 間隙為正多面體，且八面體和四面體間隙相互獨(dú)立bcc 間隙不是正多面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中 貴金屬合金的相結(jié)構(gòu)w相：合金中同一化學(xué)成分、同一聚集狀態(tài)，并以界面相互分開(kāi)的各個(gè)均勻組成部分 。w相圖：用來(lái)表示合金體系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間的關(guān)系。相圖分析相圖分析鐵碳相圖鐵碳相圖w 工業(yè)上廣泛使用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。所謂合金是指由兩種或兩

5、種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是化合物。 固態(tài)下所形成的合金相基本上可分為和兩大類。 w固溶體w 固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶人其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。它包括置換固溶體以及間隙固溶體兩大類。 1.置換固溶體 當(dāng)溶質(zhì)原子溶人溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說(shuō)溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為置換固溶體。金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異，有些能

6、無(wú)限溶解，有的只能有限溶解。間隙固溶體 又稱插(嵌)入固溶體.若干溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)嵌入固相溶劑質(zhì)點(diǎn)的間隙中而構(gòu)成的固溶體。通常，插入溶質(zhì)的半徑與溶劑質(zhì)點(diǎn)的半徑相比特別小時(shí)易于形成。間隙固溶體的形成常有助于晶體的硬度、熔點(diǎn)和強(qiáng)度的提高。 w固溶體的性質(zhì) 和純金屬相比，由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點(diǎn)陣常數(shù)改變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化及力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度的變化。 w2.3.2 中間相中間相 中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體（第二類固溶體或稱二次固溶體）。 中間相通?？捎没衔锏幕瘜W(xué)分子式表示。大多數(shù)中間相中原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵（如離子鍵、共價(jià)鍵和分子鍵）相混合的

7、一種結(jié)合方式。因此，它們都具有金屬性。 1.正常價(jià)化合物 2.電子化合物 3.原子尺寸因素有關(guān)的化合物 4.超結(jié)構(gòu)(有序固溶體) 5.金屬間化合物非晶態(tài)w非晶態(tài)固體 noncrystalline solid 又稱無(wú)定形體或玻璃體。其內(nèi)部原子或分子的排列無(wú)周期性，如同液體那樣雜亂無(wú)章地分布，可看作過(guò)冷液體 非晶體的原子排列 晶體的原子排列 首飾貴金屬材料加工工藝及性能貴金屬飾品的鑄造工藝及性能金屬以及合金的凝固 純金屬的液、固兩相的自由能隨溫度變化規(guī)律如圖 所示。這樣，兩條斜率不同的曲線必然相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)表示液、固兩相的自由能相等，故兩相處于平衡而共存，此溫度即為理論凝固溫度，也就是晶體的熔點(diǎn)

8、Tm。事實(shí)上，在此兩相共存溫度，既不能完全結(jié)晶，也不能完全熔化，要發(fā)生結(jié)晶則體系必須降至低于Tm溫度，而發(fā)生熔化則必須高于Tm。合金的形核w均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個(gè)體積均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個(gè)體積內(nèi)無(wú)軌則均勻形成。內(nèi)無(wú)軌則均勻形成。w非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。形成。 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.2003 Brooks/Col

9、e, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 純金屬純金屬的長(zhǎng)大的長(zhǎng)大 1 液體中溫度梯度與晶體的長(zhǎng)大形態(tài)液體中溫度梯度與晶體的長(zhǎng)大形態(tài) （1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高） 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under li

10、cense.第四節(jié) 晶核的長(zhǎng)大 3 液體中溫度梯度與晶體的長(zhǎng)大形態(tài)液體中溫度梯度與晶體的長(zhǎng)大形態(tài) （2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低） 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.w 液態(tài)合金的凝固過(guò)程除了遵循金屬結(jié)晶的一般規(guī)律外，由于二元合金中第二組元的加入， 溶質(zhì)原子要在液、固兩相中發(fā)生重新分布，這對(duì)合金的凝固方式和晶體的生長(zhǎng)形態(tài)產(chǎn)生重要影響，而且會(huì)引起

11、宏觀偏析和微觀偏析。 貴金屬飾品的鑄造工藝及性能w合金鑄造的流動(dòng)性w 貴金屬或合金材料在進(jìn)行澆鑄成型過(guò)程中，液態(tài)金屬充填型腔的流動(dòng)能力稱為澆鑄流動(dòng)性.鑄件的凝固與收縮w鑄件的收縮主要存在兩個(gè)問(wèn)題: 縮孔與縮松w縮孔縮孔 出現(xiàn)在鑄件上部或鑄件最后凝固的部位，多呈錐形、內(nèi)表面粗糙，一般隱藏在鑄件的內(nèi)部 w結(jié)晶溫度范圍窄的鑄造合金傾向于逐層凝固，容易形成縮孔。 w縮松縮松 縮松是指鑄件最后凝固的區(qū)域沒(méi)有得到液態(tài)金屬或合金的補(bǔ)縮形成分散和細(xì)小的縮孔。 w 形成縮松的基本原因雖然和形成縮孔的原因相同，但是形成的條件卻不同，它主要出現(xiàn)在結(jié)晶溫度范圍寬的合金中。 鑄件裂紋w 鑄件在固態(tài)收縮的過(guò)程中，由于各部

12、分冷卻速度不同，將引起不均衡收縮，不均衡收縮產(chǎn)生的應(yīng)力稱為鑄造熱應(yīng)力。鑄造熱應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的主要原因。 鑄件的氣孔和夾雜w夾雜:外來(lái)夾雜和內(nèi)生夾雜.氣孔氣孔:析出型和反應(yīng)型.貴金屬材料的機(jī)械性能w機(jī)械性能：金屬材料在不同性質(zhì)外力作用下表現(xiàn)的抵抗能力，也稱力學(xué)性能。如：彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度、韌性等 .w其中對(duì)于飾品金合金最重要的一些力學(xué)性質(zhì)主要有硬度、強(qiáng)度和塑性。硬度w硬度硬度指金屬材料抵抗更硬物體壓入的能力，或者說(shuō)金屬表面對(duì)局部塑性變形的抵抗能力。它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。硬度越高，材料的耐磨性越好。 在飾品領(lǐng)域，最常用的是維氏硬度。w維氏硬度試驗(yàn)原理是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗(yàn)

13、力大小來(lái)計(jì)算硬度值。壓頭采用錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，按規(guī)定保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度， 強(qiáng)度w強(qiáng)度 ：金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形（不可恢復(fù)變形）和斷裂的能力。 w 抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，強(qiáng)度越高。根據(jù)受力狀況的不同，可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗扭、抗剪強(qiáng)度等。一般以抗拉強(qiáng)度作為最基本的強(qiáng)度指標(biāo)。 w 塑性是指金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致破壞的能力常用的塑性指標(biāo)是延伸率和斷面收縮率。延伸率又叫伸長(zhǎng)率是指材料試樣受拉伸載荷摺斷后總伸長(zhǎng)度同原始長(zhǎng)度比值的百分?jǐn)?shù)。斷面收縮率是指材料試樣在受拉伸載荷拉斷后斷面縮小的面積

14、同原截面面積比值的百分?jǐn)?shù)。 首飾貴金屬材料的強(qiáng)化技術(shù)q 金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制 ： 當(dāng)合金由單相固溶體構(gòu)成時(shí)，隨溶質(zhì)原子含量的增當(dāng)合金由單相固溶體構(gòu)成時(shí)，隨溶質(zhì)原子含量的增加，其塑性變形抗力大大提高，表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度上升，加，其塑性變形抗力大大提高，表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度上升，塑性和韌性值下降。塑性和韌性值下降。b 晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作用、晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作用、 電電 交互作用和化學(xué)交互作用。其中最主要的是：溶質(zhì)交互作用和化學(xué)交互作用。其中最主要的是：溶質(zhì) 原子與位錯(cuò)的彈性交互作用阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。原子與位錯(cuò)的彈性交互作用阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。溶質(zhì)原子與位錯(cuò)彈性交互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原

15、子與位錯(cuò)彈性交互作用的結(jié)果，使溶質(zhì)原子趨于聚集在位錯(cuò)的周圍，以減小點(diǎn)陣畸變，使溶質(zhì)原子趨于聚集在位錯(cuò)的周圍，以減小點(diǎn)陣畸變，降低體系的能量。（它對(duì)位錯(cuò)有降低體系的能量。（它對(duì)位錯(cuò)有“釘扎釘扎”作用）作用） ：合金的晶粒越細(xì)小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越合金的晶粒越細(xì)小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越多。細(xì)晶強(qiáng)化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能多。細(xì)晶強(qiáng)化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能量高這一特點(diǎn)，對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。量高這一特點(diǎn)，對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。 ：加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強(qiáng)加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強(qiáng)度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變度

16、、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變形）是熱處理不能強(qiáng)化的金屬材料的主要強(qiáng)化方法。形）是熱處理不能強(qiáng)化的金屬材料的主要強(qiáng)化方法。晶體結(jié)構(gòu)對(duì)加工硬化曲線的影響晶體結(jié)構(gòu)對(duì)加工硬化曲線的影響 ：時(shí)效強(qiáng)化是指獲得過(guò)飽和固溶體后，在一定溫度下時(shí)效強(qiáng)化是指獲得過(guò)飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過(guò)渡相、第二相等而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料強(qiáng)化的方法。保溫析出過(guò)渡相、第二相等而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料強(qiáng)化的方法。 ：通過(guò)各種工藝手段使第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布，可以阻通過(guò)各種工藝手段使第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布，可以阻礙合金內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金強(qiáng)度的方法。礙合金內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金強(qiáng)度的方法。 第二相一般指各種化合物質(zhì)點(diǎn)。第二相一般指各種化合物質(zhì)點(diǎn)。生產(chǎn)中