1、首飾貴金屬材料材料學基礎首飾貴金屬材料的晶體學基礎貴金屬合金的相結構首飾貴金屬材料加工工藝及性能 貴金屬材料的晶體學基礎2.1 晶體結構金的AFM 照片決定材料性能實質：決定材料性能實質：構成材料原子的類型：構成材料原子的類型：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有關以外，還和材料經歷的生產加工過程有自身的性質有關以外，還和材料經歷的生產加工過程有密切的關系。密切的關系。w 1 1晶體學基礎晶體學基礎 w晶體結構的基本特征

2、：晶體結構的基本特征：w 原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復排列排列, ,即存在長程有序即存在長程有序w性能上兩大特點：性能上兩大特點： 固定的熔點固定的熔點 各向異性各向異性一、晶體的空間點陣一、晶體的空間點陣1.1. 空間點陣的概念空間點陣的概念將晶體中原子或原子團抽象為純幾何點，將晶體中原子或原子團抽象為純幾何點，即可得到一個由無數幾何點在三維空間排列成規則的陣列即可得到一個由無數幾何點在三維空間排列成規則的陣列空間點陣空間點陣特征：每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環境特征：每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環境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）底心單斜簡單三斜簡單單斜底心正交簡單正交面心正交體心正交簡單菱方簡單六方簡單四方體心四方簡單立方體心立方面心立方1 12 23 3面心立方結構（A） face-centred cubic lattice面心立方結構（A） face-centred cubic lattice常見金屬晶體結構 體心立方結構（A ） body-centred cubic lat常見金屬晶體結構 體心立方結構（A ） body-centred cubic lattice tice 密排立方結構（A ） hexagonal close-packed

4、 lattice密排立方結構（A ） hexagonal close-packed lattice2 貴金屬的晶體結構體心立方點陣體心立方點陣面心立方點陣面心立方點陣密排六方點陣密排六方點陣間隙（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構w相：合金中同一化學成分、同一聚集狀態，并以界面相互分開的各個均勻組成部分 。w相圖：用來表示合金體系中的合金狀態與溫度、成分之間的關系。相圖分析相圖分析鐵碳相圖鐵碳相圖w 工業上廣泛使用的金屬材料絕大多數是合金。所謂合金是指由兩種或兩種

5、以上的金屬或金屬與非金屬經熔煉、燒結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質。組成合金的基本的獨立的物質稱為組元。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，在其晶體點陣中溶人其他組元原子（溶質原子）所形成的均勻混合的固態溶體，它保持著溶劑的晶體結構類型。它包括置換固溶體以及間隙固溶體兩大類。 1.置換固溶體 當溶質原子溶人溶劑中形成固溶體時，溶質原子占據溶劑點陣的陣點，或者說溶質原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原子，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，有些能無

6、限溶解，有的只能有限溶解。間隙固溶體 又稱插(嵌)入固溶體.若干溶質質點嵌入固相溶劑質點的間隙中而構成的固溶體。通常，插入溶質的半徑與溶劑質點的半徑相比特別小時易于形成。間隙固溶體的形成常有助于晶體的硬度、熔點和強度的提高。 w固溶體的性質 和純金屬相比，由于溶質原子的溶入導致固溶體的點陣常數改變，產生固溶強化及力學性能、物理和化學性能產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）。 中間相通常可用化合物的化學分子式表示。大多數中間相中原子間的結合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵（如離子鍵、共價鍵和分子鍵）相混合的一

7、種結合方式。因此，它們都具有金屬性。 1.正常價化合物 2.電子化合物 3.原子尺寸因素有關的化合物 4.超結構(有序固溶體) 5.金屬間化合物非晶態w非晶態固體 noncrystalline solid 又稱無定形體或玻璃體。其內部原子或分子的排列無周期性，如同液體那樣雜亂無章地分布，可看作過冷液體 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律如圖 所示。這樣，兩條斜率不同的曲線必然相交于一點，該點表示液、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T

8、m。事實上，在此兩相共存溫度，既不能完全結晶，也不能完全熔化，要發生結晶則體系必須降至低于Tm溫度，而發生熔化則必須高于Tm。合金的形核w均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內無軌則均勻形成。內無軌則均勻形成。w非均勻形核：新相晶核依附于其它物質擇優非均勻形核：新相晶核依附于其它物質擇優形成。形成。 2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.2003Brooks/Cole,adivisionofThoms

9、onLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense. 純金屬純金屬的長大的長大 1 液體中溫度梯度與晶體的長大形態液體中溫度梯度與晶體的長大形態 （1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越高）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越高） 2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.第四節 晶核的長大 3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態液體中溫度梯度與晶體的長大形態

10、（2）負溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越低）負溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越低） 2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.w 液態合金的凝固過程除了遵循金屬結晶的一般規律外，由于二元合金中第二組元的加入， 溶質原子要在液、固兩相中發生重新分布，這對合金的凝固方式和晶體的生長形態產生重要影響，而且會引起宏觀偏析和微觀偏析。 貴金屬飾品的鑄造工藝及性能w合金鑄造的流動性w 貴金屬或合金材料在進行澆鑄成型過程中，液態金屬充填型腔的流動

11、能力稱為澆鑄流動性.鑄件的凝固與收縮w鑄件的收縮主要存在兩個問題: 縮孔與縮松w縮孔縮孔 出現在鑄件上部或鑄件最后凝固的部位，多呈錐形、內表面粗糙，一般隱藏在鑄件的內部 w結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域沒有得到液態金屬或合金的補縮形成分散和細小的縮孔。 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，它主要出現在結晶溫度范圍寬的合金中。 鑄件裂紋w 鑄件在固態收縮的過程中，由于各部分冷卻速度不同，將引起不均衡收縮，不均衡收縮產生的應力稱為鑄造熱應力。鑄造熱應力是鑄件產生變形和裂紋的主要原因。 鑄件的氣孔和夾雜

12、w夾雜:外來夾雜和內生夾雜.氣孔氣孔:析出型和反應型.貴金屬材料的機械性能w機械性能：金屬材料在不同性質外力作用下表現的抵抗能力，也稱力學性能。如：彈性、塑性、強度、硬度、韌性等 .w其中對于飾品金合金最重要的一些力學性質主要有硬度、強度和塑性。硬度w硬度硬度指金屬材料抵抗更硬物體壓入的能力，或者說金屬表面對局部塑性變形的抵抗能力。它是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高，材料的耐磨性越好。 在飾品領域，最常用的是維氏硬度。w維氏硬度試驗原理是根據壓痕單位表面積上的試驗力大小來計算硬度值。壓頭采用錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗力壓入試樣表面，按規定保持一定時間后卸除試驗力，測

13、量壓痕兩對角線長度， 強度w強度 ：金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形（不可恢復變形）和斷裂的能力。 w 抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，強度越高。根據受力狀況的不同，可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗扭、抗剪強度等。一般以抗拉強度作為最基本的強度指標。 w 塑性是指金屬材料在載荷作用下產生塑性變形而不致破壞的能力常用的塑性指標是延伸率和斷面收縮率。延伸率又叫伸長率是指材料試樣受拉伸載荷摺斷后總伸長度同原始長度比值的百分數。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同原截面面積比值的百分數。 首飾貴金屬材料的強化技術q 金屬材料的強化機制金屬材料的強化機制 ： 當合金由單相固溶體構成時，隨溶質

14、原子含量的增當合金由單相固溶體構成時，隨溶質原子含量的增加，其塑性變形抗力大大提高，表現為強度和硬度上升，加，其塑性變形抗力大大提高，表現為強度和硬度上升，塑性和韌性值下降。塑性和韌性值下降。b晶體結構中的彈性交互作用、晶體結構中的彈性交互作用、 電電 交互作用和化學交互作用。其中最主要的是：溶質交互作用和化學交互作用。其中最主要的是：溶質 原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。溶質原子與位錯彈性交互作用的結果，溶質原子與位錯彈性交互作用的結果，使溶質原子趨于聚集在位錯的周圍，以減小點陣畸變，使溶質原子趨于聚集在位錯的周圍，以減小點陣畸變，降低體系

15、的能量。（它對位錯有降低體系的能量。（它對位錯有“釘扎釘扎”作用）作用） ：合金的晶粒越細小，內部的晶粒和晶界的數目就越合金的晶粒越細小，內部的晶粒和晶界的數目就越多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規則性，原子能多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規則性，原子能量高這一特點，對材料進行強化。量高這一特點，對材料進行強化。 ：加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強度、硬度升高；塑性、韌性下降的現象。加工硬化（冷變度、硬度升高；塑性、韌性下降的現象。加工硬化（冷變形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強

16、化方法。晶體結構對加工硬化曲線的影響晶體結構對加工硬化曲線的影響 ：時效強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下時效強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過渡相、第二相等而實現對材料強化的方法。保溫析出過渡相、第二相等而實現對材料強化的方法。 ：通過各種工藝手段使第二相質點彌散分布，可以阻通過各種工藝手段使第二相質點彌散分布，可以阻礙合金內部的位錯運動，從而提高合金強度的方法。礙合金內部的位錯運動，從而提高合金強度的方法。 第二相一般指各種化合物質點。第二相一般指各種化合物質點。生產中可通過對馬氏體進行回火的方法獲得彌散分布生產中可通過對馬氏體進行回火的方法獲得彌散分布 的第二相；的第二相；也可通過共晶化合物進行熱壓力加工獲得；也可通過共晶化合物進行熱壓力加工獲得；還可通過共析反應獲得；還可通過共析反應獲得；另外還可通過粉末冶金方法獲得。另外還可通過粉末冶金方法獲得。顆粒直徑顆粒直徑第二相含量（體積分