金属材料的结构与特性

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1、金屬晶體缺陷金屬材料以肉眼觀察其外表似乎是完美的；實際不然，金屬晶體含有許多缺陷，這些缺陷可分類為點缺陷、線缺陷及面缺陷。這些缺陷對金屬材料的性質有很重要的影響。點缺陷金屬最簡單形式的點缺陷就是空孔(vacancy)°如圖十四所示的小方塊，代表一個原子從結晶格子上消失了。造成空孔形成的原因主要與晶體裡面的原子在高溫時劇烈熱振動有關。溫度愈高，金屬的空孔濃度也愈大；並且空孔在高溫時的跳動，也造成原子的遷十五所示，深顏色的原子由一個結晶格子位置移動至另一位置，這種現象稱為原子在晶體中的「擴散」(diffusion)。由於在高溫下，原子可以較快地在晶體裡面擴散，各種

2、金屬熱處理方能施行，而我們藉著熱處理才可以控制金屬材料的性質。十四，空孔是最簡單形式的點缺陷，原子在結晶格子位置上消失‘以小方塊表示°圖十五，空孔的移動方向與原子的移動方向相反；如深色原子位置的變化與其旁邊空孔位置的變化相反。線缺陷線缺陷一般通稱為「差排」(dislocation)°差排的產生主要與金屬在機機加工時的塑性變形有關；亦即金屬塑性變形量愈大，差排也就愈多°十六為穿透式電子顯微鏡所拍攝之不銹鋼在塑性加工變形後產生的大量差排線。差排線可區可成二種：「刃差排」(edgedislocation)與「螺旋差排」(screwdislocation)°刃差排的幾

3、何外形可描繪成如圖十七(a)，刃差排位於像刀刃的半平面之終界丄的記號處。圖十八為高解析電子顯微鏡拍攝到刃差排，每一白點代表一個原子而刃差排即位於左下方多餘晶面之終界處。螺旋差排的幾何外形可描繪成十七(b)°螺旋差排線的命名，即源於此種差排線被外圍螺旋狀的晶面所包圍。圖中的小點連線顯示晶面成螺旋狀5而螺旋差排線即位於箭頭處。由於差排線旁邊的原子位置有些微的扭曲，因此差排比其他無缺陷的基地含有較高的能量。金屬塑性加工時，即外界對金屬作功，功轉變為能量，大部分能量以摩擦熱或聲音消耗掉，約有20%的能量即以差排線的衍生來儲存能量。此觀點可以解釋前面所提到的「金屬塑性變

4、形量愈大,差排線也就愈多了」。十六，穿透式電子顯微鏡顯示不鋪鋼塑性加工變形產生大量的差排線。十七，刃差排（a）及螺旋差排（b）的幾何外形。圖十八，高解析電子顯微鏡拍攝到的刃差排，每一白點代表一個原子，而刃差排即位於左下方多餘晶面之終界處。面缺陷金屬的缺陷有：外表面、晶粒界面（簡稱晶界）及疊差等。金屬晶體外表面的原子（見圖十九）比內部的原子少掉一半的相鄰原子，因此外表面被視為面缺陷的一種；外表面的原子也由於少掉一半的相鄰原子，而具有比內部原子較高的能量。面的原子少掉了一半的鄰原子，因此可視為一種面缺陷。十九，金屬晶體之外表絕大多數的金屬材料是由許多細小的結晶（或

5、稱晶粒）所組成（見二十）。蓋因熔融的金屬凝固時，由多處結晶，而這些微小的結晶於冷卻時逐漸成長而互相連接在一起5因此大多數的金屬材料為多結晶（簡稱多晶）結構。晶粒與晶粒的界面，原子晶格排列無法連續，此處的原子填充程度亦較為鬆散，因而具有較高的能量。在金相製作時，將拋光的多晶金屬材料以化學藥品處理，晶界容易被侵蝕，在光學顯微鏡下可以看出晶界將一粒粒的晶粒分開（見圖二十一）。晶粒的大小關係著整體界面積；晶粒愈小，則整體晶粒的晶界面積愈大。金屬晶粒的大小對其室溫及高溫下的機械性質有決定性的影響。二十，多結晶中，晶粒與晶粒的界面（晶界）處原子晶格排列無法連續，這是由於晶

6、粒的晶格方位不同的關係。的晶界。前面曾說面心立方結構，可視為由原子最密層面ABCABC...逐層堆積出來。面心立方結構金屬，從高溫冷卻至室溫時，由於高溫下產生的空孔聚集在一起，而於局部區域消失一個最密層面，即排列順序變為AB/ABC…，這種層面的消失所造成的排列順序中斷，也可視為一種面缺陷，亦具有較高的能量，此缺陷稱為「疊差」。疊差在金屬塑性加工時，亦可能產生。疊差對金屬材料的性質亦影響相當大。一•簡介二•金屬晶體結構三•金屬晶體缺陷四-金屬的加工特性五・合金與相變態六・參考資料