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1、第五章 金属与青铜的基本知识,金属的键结构,金属的原子结构特征是最外层电子少，易于脱落，而形成自由电子（free electron）自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云（cloud of electrons）。电子云带有负电，另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子，因此，电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合。这种结合叫做金属键（metallic bond）。,金属的键合方式决定金属的如下特性1、良好的塑性（plastic property） 2、良好的导电性（electrical conductivity） 3、良好的传热性 （hea
2、t transfer property）,晶体：组成晶体的原子或离子在三维空间呈周期性、规律性排列的固态物质。金属在固态下通常都是晶体,(a)原子钢球模型,(b)晶格,(c) 晶胞,金属晶体结构的描述方式,自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同。根据单位晶胞中上述六个参数（a、b、c、）将晶体进行分类，分类时只考虑a、b、c是否相等，、是否相等以及它们是否呈直角等方面的特征，将晶体划分成七个晶系（crystal system）， 14种晶格（布拉菲（Bravais）晶格）,晶系与布拉菲晶格,绝大多数金属的晶体结构是下列三种类型面心立方结构（face-centered cubic，简
3、写为“fcc”） 体心立方结构（body-centered cubic，简写为“bcc”） 密排六方结构（hexagonal closed-packed，简写为“hcp”）,(1) 面心立方结构面心立方结构的单位晶胞如图所示，除单位晶胞的八个角上各有一个原子外，在各个面的中心还有一个原子。具有面心立方晶格的金属有-Fe，Al，Cu，Ni，Au，Ag，-Co，Pb等。,铜是面心立方晶体,(2) 体心立方结构体心立方结构的单位晶胞如图所示，除单位晶胞的八个角上各有一个原子外，在中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有-Fe，Cr，W，V，-Ti，Mo等。,(3) 密排 六方结构密排六方结构的单位
4、晶胞如图所示，在六方单位晶胞的十二个角上以及上下底面的中心各有一个原子，单位晶胞内部还有三个原子。具有密排六方晶格的金属有-Ti，-Co，Mg，Zn，Be，Cd等。,单晶体与多晶体,古代青铜器的青铜一定是多晶体,晶界实际上是原子错排的地方,晶界实际上是原子错排的地方,由于晶界原子错排，能量高，不稳定，故晶界处易于腐蚀。当温度达到金属的熔点时，晶界处首先熔化。,金属的塑性变形 主要是通过滑移来实现的,理想晶体的滑移示意图,按此模型，理论值与实测值相差1001000倍！,实际金属是有晶体缺陷的 （即原子的错排）,刃型位错,位错是一种线缺陷,实际金属的滑移模型,重要结论实际金属的滑移过程就是位错运动
5、的过程，因此凡是阻碍位错运动的因素都阻碍滑移的进行，从而使金属的塑性下降，强度升高。,滑移带,1、塑性变形使得晶粒变形拉长形成纤维组织,冷塑变对金属性能与组织的影响,2、产生“”（加工硬化）形变强化,没有“加工硬化”，就没有均匀厚度的金属制品,加工硬化（形变强化）,随着冷塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错运动的阻力由此不断加大，导致金属塑性下降，强度升高的现象。,是否具有滑移带、纤维组织或是否在同一成分时有强度的升高，是判断青铜器件是否经过塑性变型加工的重要手段。,由硬度试验判断是否有加工硬化,由金相显微镜观察是否有纤维组织,越南样品W FB003麻江型44铜鼓为低铅的锡铅青铜.组织为 等
6、轴晶，颗粒铅和残留的( + ）共析组织分布在晶界。 ( + ）共析组织中出现聚集，说明样品铸造以后经过热锻。晶内大量滑移带的存在表明样品还经过冷加工。,样品W FB046 HN93. 45铜鼓H1为锡青铜冷加工组织,沿加工方向。树枝晶拉长变形.存在大量滑移带。此样品硫化物夹杂多.呈小颗粒和花朵状沿变形的枝晶均匀分布。,合金的组织,青铜是铜与锡、铅、等其它元素的合金，其在显微镜下的组织遵从所有合金的规律，即由固溶体和金属化合物两大类“相”组成。,合金相的分类,固 溶 体固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体（
7、substitutional solid solution）与间隙固溶体（interstitial solid solution）。,间隙固溶体当溶质原子比较小时，如碳、氢、氮、硼等，它们插入晶格空隙而形成的固溶体称为间隙固溶体，如下图所示。,置换固溶体溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体，如同在这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换，所以称为置换式固溶体，如下图所示。,置换固溶体示意图,固溶强化,由于溶质原子溶入导致溶剂晶格发生畸变而使位错运动受阻，合金塑性下降，强度升高的现象。固溶强化是青铜比红铜强度高的重要原因之一。合金中合金元素的固溶度越高，固溶强化效果越好。,金属化合物在合
8、金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将形成晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属化合物。金属化合物往往具有较高的熔点、较高的硬度、它们的存在阻碍位错运动，使合金强度升高，因此，金属化合物是合金中的重要强化相。,纯铜（红铜、紫铜）的结构与性能,外观： 新鲜表面是玫瑰红色，表面形成氧化亚铜Cu2O皮膜后呈紫色，故又称紫铜。 密度：8.898.95 l03kg/m3 晶体结构：面心立方晶体（fcc) 熔点：1083 沸点：2593,化学性能：惰性金属，耐蚀性与周期表上同族金属金、银相似，在清洁的乾燥空气中不受腐蚀。空气中含有S02、H2S、CO2和Cl2时，则生成CuSO43C
9、u(OH)2、CuCO3Cu(OH)2、和CuC12 3Cu(OH)2等化合物，在Cu表面上形成一薄层青绿色铜锈（铜绿）。 力学性能：,Sn青铜的室温相组成,相是Sn固溶于Cu中的固溶体，是面心立方晶格，塑性良好。Sn在室温的溶解度极低，由 520 到室温的分解极慢，实际应用时可不考虑。,锡青铜中的金属化合物相,相：以体心立方晶格的电子化合物Cu5Sn为基的固溶 体，只在高温（586 ）下稳定。相：以CuSn化合物为基的固溶体，只在520 以上稳定。相：是复杂立方晶格的金属化合物Cu31Sn8。在室温极端硬脆，不能塑性加工。在350 发生的 一 共析反应极慢，在实际生产条件下室温只能看到相，
10、很难见到相。,相：Cu3Sn，极硬脆，极其缓慢冷却才能出现，实际铸造的青铜器中很难发现该相。相：Cu6Sn5，极硬脆，它的出现使锡青铜的塑性、韧性明显下降。当Sn含量超过38%时开始出现该相。但实际铸件也很少见到该相。,锡青铜中锡含量对其力学性能的影响,吕氏春秋 别类编载有： “金柔锡柔，合两柔则刚” 的记述。我们祖先早就认识到这一规律，即合金强化规律。,青铜的金相组织,组织 用肉眼、放大镜、显微镜观察到的材料的形貌图像。 宏观组织 用肉眼或放大镜观察到的材料的形貌图像。 微观组织 用显微镜观察到的材料的形貌图像。 金相组织 用金相显微镜观察到的金属材料材料的形貌图像。 生物组织 用生物显微镜
11、观察到的生物体的形貌图像。,结构组织决定材料的性能,铅炮铜的金相组织 Sn:4.06.0 Zn: 4.06.0 Pb: 4.06.0 固溶体（ ）Pb,炮铜的金相组织 Sn:7.58.5 Zn:3.54.5 Pb: 0.5 固溶体上分布着（ ）共析体Pb,锡青铜 Sn:5.0 Cu:95.0 树枝状固溶体，有偏析，黑色处富Sn，白亮区富Cu,磷青铜的金相组织 Sn10.0 P0.5 固溶体（ ）共析体+ Cu3P（在共析体中不易区别）,（ ）共析体,（ ）共析体,固溶体内的偏析（褐色处富Sn）,中国古代青铜器的成分,周礼考工记中指出：“金有六齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一
12、，谓之斧斤之齐。四分其金，而锡居一，谓之戈戟之齐。三分其金，而锡居一，谓之大刃之齐。五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐。金锡半，谓之鉴燧之齐”。 这六种不同成分青铜合金的配方，是世界上最早研究成分与性能、用途的关系的科学文献，它指出了青铜合金的性能随其配方比的不同而引起变化的规律。用以指导制造不同的器具。,“六齐”中的“金”，当指铜及铜合金而言，古人把金、银、铜分别称为黄金、白金、赤金，单个的“金”则指铜。所谓“金无足赤”，即“铜无纯铜”。,关于“六齐” 的问题,学术界对于“六齐”的解释尚不一致，主要是对其中“金”、“锡”的含义有不同理解，因而对合金中的元素比例产生了不同解释。“六齐”共有7个“
13、金”字。“金有六齐”的“金”字当作“铜合金”解。问题是，“六分其金而锡居一”的“金”，是指“青铜合金”还是指合金中的“铜组元”？ 对 “锡”的解释，大多数人认为“锡”指金属锡，也有人把“金”释为金、银、铜、铁之总和，认为“锡”是铅和锡的总称。,所有的“金”均作“青铜合金”解； “金”作纯铜解将“金锡半”释为锡占合金 之半； “金”作纯铜解，但将“金锡半”释为锡占纯铜之半； 把“金”按“合金”及“纯铜”的双重含义而将锡含量划为一个范围； “金”作为金银铜铁之总和，“锡”为铅锡之总和。,对“六齐”的五种解释,从实物分析可见，“六齐”的成分规律和出土青铜制品的实际成分不大一致。越是含锡高的“齐”类，
14、实际成分与六齐差别越大，由此引起人们对“六齐”可靠性和科学价值的种种怀疑。其实上述对于“六齐”成分的各种解释，都忽视了古代没有任何化学分析手段的现实，古人所说的合金配比，决不是成品中的纯元素之比，而是他们在熔铸时采用的原料之比，由此换算器物的实际成分，还要考虑原料的纯度及烧损率等因素。至于“六齐”中的“金”究竟指“铜合金”还是“铜原料”当然要作具体分析。这里不妨把两种可能性都考虑进去。“六齐”中的“锡”，当指“锡原料”。但也不能排除把铅、锡之总和简化为“锡”来叙述的可能性。古人也有“铅黑锡也”、“铅锡也”、“铅，锡之类也”的说法。,合金含锡量 锡原料占原料总量的比率锡原料的纯度 (1锡的烧损率),周礼考工记作为“官书”，显然是士大夫调查整理之作。调查整理的局限性，可能导致“六齐”内容难以避免的理论缺陷，然其作为当时合金配制经验的总结，说明当时人们对于合金成分与性能的关系已经有了深刻认识，这是毫无疑意的。“六齐”作为中国乃至世界关于合金成分的最早记载，在科技史及冶金史的重要地位，应该是肯定的。,
