首饰贵金属材料基础

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1、首饰贵金属材料材料学基础首饰贵金属材料的晶体学基础贵金属合金的相结构首饰贵金属材料加工工艺及性能贵金属材料的晶体学基础2.1 晶体结构金的AFM 照片决定材料性能实质： 构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元 素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自 身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密 切的关系。w 1晶体学基础w晶体结构的基本特征： w 原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复 排列,即存在长程有序w性能上两大特点： 固定的熔点各向异性一、晶体的空间点阵1. 空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点， 即可得到一个由无数几何

2、点在三维空间排列成规则的阵列 空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境2晶胞代表性的基本单元（最小平行六面体）底心单斜简单三斜简单单斜底心正交简单正交面心正交体心正交简单菱方简单六方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方2 贵金属的晶体结构体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵间隙（Interstice）八面体间隙fcc，hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立 bcc 间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中贵金属合金的相结构w相：合金中同一化学成 分、同一聚集状态，并 以界面相互分开的各个 均匀组成部分 。w相图：用来表示合金体 系中的合金状态与温度

3、、成分之间的关系。相图分析铁碳相图w 工业上广泛使用的金属材料绝大多数是合 金。所谓合金是指由两种或两种以上的金属 或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组 合而成并具有金属特性的物质。组成合金的 基本的独立的物质称为组元。组元可以是金 属和非金属元素，也可以是化合物。固态下所形成的合金相基本上可分为固溶固溶 体体和中间相中间相两大类。 w固溶体 w 固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶人其他组元原子（ 溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类 型。它包括置换固溶体以及间隙固溶体两大类。1.置换固溶体当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵 点，或者

4、说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称 为置换固溶体。金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度 视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。间隙固溶体又称插(嵌)入固溶体.若干溶 质质点嵌入固相溶剂质点的间 隙中而构成的固溶体。通常， 插入溶质的半径与溶剂质点的 半径相比特别小时易于形成。 间隙固溶体的形成常有助于晶 体的硬度、熔点和强度的提高 。w固溶体的性质和纯金属相比，由于溶质原子的溶入导致 固溶体的点阵常数改变，产生固溶强化及力 学性能、物理和化学性能产生了不同程度的 变化。 w2.3.2 中间相中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基 的固溶体（第二类固

5、溶体或称二次固溶体）。中间相通常可用化合物的化学分子式表示。大 多数中间相中原子间的结合方式属于金属键与其他 典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合的一 种结合方式。因此，它们都具有金属性。1.正常价化合物2.电子化合物3.原子尺寸因素有关的化合物4.超结构(有序固溶体)5.金属间化合物非晶态w非晶态固体 noncrystalline solid 又称无定形 体或玻璃体。其内部原子或分子的排列无周 期性，如同液体那样杂乱无章地分布，可看 作过冷液体 非晶体的原子排列 晶体的原子排列 首饰贵金属材料加工工艺及性能贵金属饰品的铸造工艺及性能金属以及合金的凝固纯金属的液、固两相的自由 能随温度变化

6、规律如图 所示。 这样，两条斜率不同的曲线必 然相交于一点，该点表示液、 固两相的自由能相等，故两相 处于平衡而共存，此温度即为 理论凝固温度，也就是晶体的 熔点Tm。事实上，在此两相共 存温度，既不能完全结晶，也 不能完全熔化，要发生结晶则 体系必须降至低于Tm温度，而 发生熔化则必须高于Tm。合金的形核w均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积 内无轨则均匀形成。w非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优 形成。 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used

7、 herein under license.2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.纯金属的长大 1 液体中温度梯度与晶体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.第四节

8、 晶核的长大 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.w 液态合金的凝固过程除了遵循金属结晶 的一般规律外，由于二元合金中第二组元的 加入， 溶质原子要在液、固两相中发生重新 分布，这对合金的凝固方式和晶体的生长形 态产生重要影响，而且会引起宏观偏析和微 观偏析。 贵金属饰品的铸造工艺及性能w合金铸造的流动性 w 贵金属或合金材

9、料 在进行浇铸成型过程中 ，液态金属充填型腔的 流动能力称为浇铸流动 性.铸件的凝固与收缩w铸件的收缩主要存在两个问题: 缩孔与缩松w缩孔 出现在铸件上部或铸件最后凝固的部位 ，多呈锥形、内表面粗糙，一般隐藏在铸件 的内部 w结晶温度范围窄的铸造合金倾向于逐层凝固 ，容易形成缩孔。 w缩松 缩松是指铸件最后凝固的区域没有得到 液态金属或合金的补缩形成分散和细小的缩 孔。 w 形成缩松的基本原因虽然和形成缩孔的原 因相同，但是形成的条件却不同，它主要出 现在结晶温度范围宽的合金中。 铸件裂纹w 铸件在固态收缩的 过程中，由于各部分冷 却速度不同，将引起不 均衡收缩，不均衡收缩 产生的应力称为铸造

10、热 应力。铸造热应力是铸 件产生变形和裂纹的主 要原因。 铸件的气孔和夹杂w夹杂:外来夹杂和内生夹杂. 气孔:析出型和反应型.贵金属材料的机械性能w机械性能：金属材料在不同性质外力作用下 表现的抵抗能力，也称力学性能。如：弹性 、塑性、强度、硬度、韧性等 .w其中对于饰品金合金最重要的一些力学性质 主要有硬度、强度和塑性。硬度w 硬度指金属材料抵抗更硬物体压入的能力 ，或者说金属表面对局部塑性变形的抵抗能 力。它是衡量材料软硬程度的指标。硬度越 高，材料的耐磨性越好。 在饰品领域，最常 用的是维氏硬度。w维氏硬度试验原理是根 据压痕单位表面积上的 试验力大小来计算硬度 值。压头采用锥面夹角 为

11、136的金刚石正四棱 锥体，将其以选定的试 验力压入试样表面，按 规定保持一定时间后卸 除试验力，测量压痕两 对角线长度， 强度w强度 ：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形 （不可恢复变形）和断裂的能力。 w 抵抗塑性变形和断裂的能力越大，强度越 高。根据受力状况的不同，可分为抗拉、抗 压、抗弯、抗扭、抗剪强度等。一般以抗拉 强度作为最基本的强度指标。 w 塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑 性变形而不致破坏的能力常用的塑性指标 是延伸率和断面收缩率。延伸率又叫伸长率 是指材料试样受拉伸载荷摺断后总伸长 度同原始长度比值的百分数。断面收缩率是 指材料试样在受拉伸载荷拉断后断面缩小 的面积同原截面

12、面积比值的百分数。 首饰贵金属材料的强化技术q 金属材料的强化机制导致材料失效导致材料失效 的最大应力的最大应力结构材料结构材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料金属材料金属材料强强 度度 疲劳强度疲劳强度抗拉强度抗拉强度断裂强度断裂强度屈服强度屈服强度材料强度的唯一性判据材料强度的唯一性判据 固溶强化固溶强化： 当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增 加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升 ，塑性和韧性值下降。CuCuNiNi固溶体的机械固溶体的机械性能与成分的关系性能与成分的关系AlAlMgMg固溶体的应力应变曲线固溶体的应力应变曲线b固溶强化的实质固溶强化的实质：晶体结

13、构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。不同溶质原子在位错周围的分布状态不同溶质原子在位错周围的分布状态CotrellCotrell气团模型气团模型：溶质原子与位错弹性交互作用的结果 ，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变 ，降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用） 细晶强化细晶强化：合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高这一特点，对材料进行强化。低碳钢的低碳钢的 s s 与与晶粒大小的关系晶粒大小的关系 加工硬化加工硬化：加工硬化是指金属材料随着塑性

14、变形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。晶体结构对加工硬化曲线的影响 时效强化时效强化：时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。 第二相强化第二相强化（弥散强化弥散强化）：通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。第二相一般指各种化合物质点。1 1）生产中可通过对马氏体进行回火的方法获得弥散分布的第二相；2 2）也可通过共晶化合物进行热压力加工获得；3 3）还可通过共析反应获得；4 4）另外还可通过粉末冶金方法获得。获得第二相的途径：获得第二相的途径：弥散型两相合金强化的主要影响因素弥散型两相合金强化的主要影响因素 ：1 1）颗粒直径2 2）第二相含量（体积分数）3 3）第二相的分布状态 第二相的强化机制：第二相的强化机制：绕过机制绕过机制切割机制切割机制 复合强化复合强化：利用两种或两种以上的强化方法，来达到塑性金属材料强化的目的。钢的钢的形变热处理形变热处理固溶强化固溶强化加工硬化加工硬化回火索氏体回火索氏体 第二相强化第二相强化细晶强化细晶强化固溶强化固溶强化