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(ΔGS)隨核增大而增加，且為正值；核之體自由能(ΔGV)則相反，ΔGS + ΔGV = ΔGT (核之總自由能)。

※ 在臨界大小(r*)時，ΔGT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Fe3C (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 = 10-8cm。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)。

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