機械材料 第二章 金屬 合金之組織及結晶構造 2-1 金屬之晶粒及組織 2-2 金屬之結晶構造 2-3 結晶格子的點 方向和平面 2-4 相 相變化及合金平衡圖
2-1 金屬之晶粒及組織 金屬由液態凝固時, 所會發生的現象 瞭解金屬的組織 溫度降到極接近凝固點時 凝聚體的原子團很小, 自由能高很不穩定, 稱為核胚 (embryo) 凝聚得夠大, 超過一定的臨界大小, 即成為穩定的晶核 (nuclei), 為繼續凝固的中心, 此一現象稱為凝核或孕核 (nucleation) 結晶化 (crystallization): 溫度降抵凝固點, 晶核乃到處出現 ; 金屬原子不斷地分別向各個晶核聚集, 且以一定的規則排列起來, 這種現象稱為結晶化
核之表面能 (ΔG S ) 隨核增大而增加, 且為正值 ; 核之體自由能 (ΔG V ) 則相反,ΔG S + ΔG V = ΔG T ( 核之總自由能 ) 在臨界大小 (r*) 時,ΔG T 抵最大, 故往左 右變化, 皆可降低能量, 而趨於穩定 若往左, 則核變小為不穩定核胚而消失 ; 若往右變化, 則核長大成為穩定的晶核 晶核具有特定的方向性 ; 金屬原子不斷凝集於各晶核上, 沿其軸向生成較大的晶粒 完全凝固後, 所有的晶粒互相接觸在一起, 每一個晶粒仍保存其初結晶時 ( 晶核 ) 的軸向, 這種晶粒在顯微鏡下可以清楚的看出來
倘若用極高速的冷卻方法, 如超音速噴粉法 熔液旋淬法 (melt-spinning) 等 快速凝固技術 (rapid solidification technique), 簡稱 (RST 或 RSP), 金屬凝固時, 沒有足夠時間產生結晶化及晶粒, 即能使其保留液態的原子組織, 具有短程規律 (short range order, 即特定的鄰居關係 ) 而無長程規律, 稱為非晶態 (amorphous) 非晶質合金 只能製成薄膜 薄帶 細線或細粉 ( 過去 ) 晶粒界面 粒界 (grain boundary): 晶粒與晶粒交接之處 因原子受兩方影響, 以致排列混亂, 無一定軸向, 能量很高, 是許多冶金現象 - 如再結晶 金屬間化合物及異相析出, 甚至腐蝕發生之處, 其寬度約為 100~200Å 粒界阻隔滑動面, 故有阻止變形的能力, 因此粒界較多之金屬, 抵抗變形之能力 ( 亦即強度 ), 比粒界較少之同一金屬為大 晶粒愈小則粒界愈多, 故強度愈大
初凝固時晶核愈多則晶粒愈細, 故雜質較多者晶粒愈細 工程上利用此原理, 在融液內接種 (innoculation) 以得細晶粒成品 凝固後急速冷卻者, 晶粒比緩冷者細 室溫下的金屬晶粒大小, 還會受到兩個因素影響 : 1. 溫度升至某限度 ( 即再結晶溫度或變態溫度 ) 以上時, 晶粒會再生或增大 ( 小晶粒逐漸被大晶粒併吞 ); 2. 受機械加工 ( 如鍛 壓 ) 後, 晶粒會破碎且沿加工方 向排列起來, 以肉眼觀之成纖維狀之流線組織, 機械性能極佳 一般金屬之晶粒大小約在 0.001 mm 至 0.1 mm 之間
典型的晶粒形狀, 有下述幾種 : 1. 多邊形晶粒 (equiaxed grains): 具有多數為五至七邊之晶粒, 為較正常之組織 2. 針狀晶粒 (anicular grains): 外觀如針形, 常在硬化的金屬內發現, 如 (pp. 167, 圖 7-9: 共析鋼的於 290 C 恆溫變態所生之針狀變韌鐵 (1300 ))
3. 柱狀形晶粒 (columnar grains): 為柱形, 其長軸垂直於較外的表面, 常見於鑄件 這類晶粒有異方性 4. 樹枝狀晶粒 (dendritic grains): 為具有許多分枝的晶粒, 鑄件內也常可發現樹枝狀晶粒 這類晶粒機械強度較差 5. 伸長型晶粒 (elongated grains): 為多邊形晶粒受到輾延後, 沿輾延方向伸長變形而成之晶粒 如 (pp. 67, 圖 3-22: 冷加工後的金屬在加熱至高溫過程中 ( 持溫時間一定 ) 的變化情形 ) 所示, 圖 2-5 亦因伸長之晶粒而呈現流線組織 6. 破碎晶粒 (fragmented grains): 為多邊形晶粒受鎚鍛加工而破碎的晶粒碎片, 如 (pp. 64, 圖 3-20: 冷加工對無氧銅顯微鏡組織及機械性質之影響 ) 下所示
相 (phase): 指一物系內 ( 按 : 物系為考慮中的物體, 不管其周圍的狀況 ) 物理與化學性質一致之均勻部份 ( 鹽 - 水 ) 非均態物系 : 含有不止一相的物系 ( 碳溶解與鐵 ) 在溶解度以內的鐵 - 碳系 α- 鐵 ( 單相 ) 超過溶解度 生成 Fe 3 C ( 新相 ) 的化合物, 於 α- 鐵內出現 基地 基材 (matrix): 在材料學上, 若有多相共存, 則含量最多的相稱之 正常組織 (normal structure): 受正常化或退火處理後金屬的組織
2-2 金屬之結晶構造 規則排列 : 乃指原子按照結晶格子 (crystal lattice) 排列起來的意思 結晶格子是一種假想的格子, 它恰好可以代表晶體內原子在空間的配列, 因此又稱為空間格子 (space lattice) 單位晶胞 (unit cell): 將結晶格子 (crystal lattice) 一再分割至最小程度, 而猶能代表其重複性的單位者 金屬的單位晶胞主要有三種 : 1. 體心立方 (body-centered cubic, 簡寫 BCC) 格子 2. 面心立方 (face-centered cubic, 簡寫 FCC) 格子 3. 六方密排 六方密方 (hexagonal close-packed, 簡 寫 HCP) 格子
一個 BCC 單位晶胞所含原子數為兩個 :(1/8 8 + 1) 每一個 BCC 原子都有八個鄰近的原子與其相接, 這種最密接的鄰近原子數稱為配位數
填滿因子 (packing factor):( 原子總體積 ) / ( 單位晶胞體積 ) 之比 BCC 晶體之填滿因子為 0.68 在 BCC 晶體內有 32 % 為空隙 ( 可容納如 B C N 等小原子 ) 一個 FCC 單位晶胞含有四個原子數 (1/8 8 + 1/2 6 = 4), 配位數 12, 填滿因子為 0.74 一個 HCP 單位晶胞含有六個原子數 (1/6 12 + 1/2 2 + 3 = 6), 配位數 12, 填滿因子為 0.74 FCC 與 HCP 都是緊密排列, 大部分金屬晶體都是緊密排列的 FCC 或 HCP BCC: 鐵 鹼金屬 釩族及鉻族元素 FCC: 銅 銀 金 鋁 鎳 鈣 HCP: 鋅 鎘 鎂 鈦
正方晶系 (tetragonal system): 其特徵為長 = 寬 高 ( 但三邊垂直 ) 常見於非金屬晶體 鎵 銦為面心正方 (FCT) 錫為體心正方 (BCT) 錳 : 在室溫下為簡單立方 (simple cubic, 簡寫 SC), 亦即其體心或面心皆無原子 ( 為金屬中很奇特的唯一例子 ) 在高溫下仍會轉變成 FCC (1095 C 以上 ) 及 BCC (1134 C 以上 )
鉍及固態汞成斜方六面體 (rhombohedral), 其高不與底面垂直 同素異形體 (allotrope): 某些金屬的結晶形態不只一種, 互為同素異形體 鐵在室溫下為體心立方 ( 稱為 α- 鐵 ), 高溫下形成面心立方 (γ- 鐵 ) 錫在低溫時為面心立方金剛石型結晶格子, 室溫下時為體心立方 格子常數 (lattice constant): 一般將單位晶胞之邊長稱為格子常數, 以埃 (Å,Ångstrom) 表示,1 Å = 10-8 cm 一般以 a 代表 長 b 代表 寬 c 代表 高 即長軸
格子常數隨溫度之升高而增大, 降低而縮小, 也因雜質存在或殘留應力使格子扭曲而受到影響, 但不因塑性加工而變 ( 除非產生殘留應力 ) 粒界處或粒界附近結晶格子亦受扭曲, 已如 (pp. 11, 圖 2-4: 晶粒界面處原子排列之示意圖 ( 劃斜線的原子群構成粒界 ), 注意格子的扭曲情形 ) 所示 結晶構造須用繞射法 (diffraction) 鑑定, 繞射法中最常用者為 X- 光繞射法, 其次為電子繞射法 中子繞射法等 由繞射所得的圖樣, 可以判定結晶方位 計算結晶面間距 再以之計算格子常數 判斷其單位晶胞種類
單晶 (single crystal): 所有的單位晶胞排列的方位一致 ( 金屬單晶較少見 ) 電子工業 : 矽與鍺單晶 音響用銅單晶導線 鬚晶 : 鐵 銅 鎢 航空渦輪引擎 : 超合金單晶葉片 大部分金屬因含有大量晶粒, 故為複晶, 又稱多晶 (polycrystal)