首饰贵金属材料基础

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：决定材料性能实质：构成材料原子的类型：构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元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。素种类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质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有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。密切的关系。w 1 1晶体学基础晶体学基础 w晶体结构的基本特征

2、：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原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列排列, ,即存在长程有序即存在长程有序w性能上两大特点：性能上两大特点： 固定的熔点固定的熔点 各向异性各向异性一、晶体的空间点阵一、晶体的空间点阵1.1. 空间点阵的概念空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，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点在三维空间排列成规则的阵列即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列空间点阵空间点阵特征：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 2晶胞晶

3、胞 代表性的基本单元（最小平行六面体）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1 12 23 3面心立方结构（A） face-centred cubic lattice面心立方结构（A） face-centred cubic lattice常见金属晶体结构 体心立方结构（A ） body-centred cubic lat常见金属晶体结构 体心立方结构（A ） body-centred cubic lattice tice 密排立方结构（A ） hexagonal close-packed

4、 lattice密排立方结构（A ） hexagonal close-packed lattice2 贵金属的晶体结构体心立方点阵体心立方点阵面心立方点阵面心立方点阵密排六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、成分之间的关系。相图分析相图分析铁碳相图铁碳相图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

5、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和两大类。 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

6、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 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

7、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

8、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。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非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。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. 纯金属纯金属的长大的长大 1 液体中温度梯度与晶体的长大形态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）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 li

10、cense.第四节 晶核的长大 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态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）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

11、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 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

12、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

13、力大小来计算硬度值。压头采用锥面夹角为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

14、同原截面面积比值的百分数。 首饰贵金属材料的强化技术q 金属材料的强化机制金属材料的强化机制 ： 当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增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，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。塑性和韧性值下降。b 晶体结构中的弹性交互作用、晶体结构中的弹性交互作用、 电电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质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。原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。溶质原子与位错弹性交互作用的结果，溶质原

15、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，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。（它对位错有降低体系的能量。（它对位错有“钉扎钉扎”作用）作用） ：合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越合金的晶粒越细小，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。量高这一特点，对材料进行强化。 ：加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变度

16、、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。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晶体结构对加工硬化曲线的影响 ：时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下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。保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。 ：通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻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。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。第二相一般指各种化合物质点。生产中