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镁课堂:(三)说说镁的晶体结构

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2015-01-16 15:54:00 来源:中国有色网 
  导读: 在已发现的106种元素中,金属元素约占4/5,镁是其中之一,而且它是常用金属元素之一,它的电子轨道分布1S22S22P63S2,即其最外层电子轨道上有2个电子,它们和原子核的结合力较弱,很容易脱离原子核的束缚变成自由电子,因此镁在化学反应中易失去这2个电子,而变成正2价的离子。

  金属材料的许多性能与其内部原子的排列方式即晶体结构息息相关。例如,面心立方晶格的铜、铝的塑性比体心立方晶格的铁、钨的高,而密排(集)六方晶格的镁、铍的塑性却很差。同时,热处理过程中的相变和原子扩散也与晶体结构有关。因此,了解镁的晶体结构,对于掌握其性能变化的实质,对进一步改善和发展镁和镁合金材料都有重要意义。

  在已发现的106种元素中,金属元素约占4/5,镁是其中之一,而且它是常用金属元素之一,它的电子轨道分布1S22S22P63S2,即其最外层电子轨道上有2个电子,它们和原子核的结合力较弱,很容易脱离原子核的束缚变成自由电子,因此镁在化学反应中易失去这2个电子,而变成正2价的离子。正是由于镁原子结构的这一特点,决定了镁原子在化学反应中的行为和原子间的结合方式。镁有三种同位数:78.99%24Mg,10.00%25Mg,11.01%26Mg。

  当大量镁原子聚合在一起构成镁晶体时,绝大部分镁原子都失去其价电子而成为正离子,正离子按一定几何形式有规律地排列起来,且分别以一定平衡位置为中心作三维高频振动,而脱离镁原子核束缚的价电子,为整个镁离子所共有,在各离子之间自由运动,形成所谓“电子气”(“电子云”)。但大多数自由电子在其瞬间也可能如某些正离子结合成为中性原子。因此,在际的固态镁中,不是所有的镁原子都变成正离子,而是绝大多数处于正离子状态。

  镁晶体就是依靠各正离子与“电子气”间的相互引力牢固地结合起来,而离子与离子之间及电子与电子间的斥力与这种引力相平衡,使镁处于稳定的平衡状态。这种金属原子依靠其正离子与电子气之间的相互作用而结合的方式称为金属键。镁的许多特性诸如良好的导电性及正的电阻温度系数、相当好的导热性、较好的热塑性、尚可的冷塑性等等,都可用金属键理论得到圆满的解释。

  密排六方晶格决定镁的塑性较低

  大家知道,自然界的固态物质,虽然外形各异,种类繁多,但都是由粒子(原子、离子、分子、原子基因)堆积而成的。根据内部粒子堆积情况可将固态物质分为晶体和非晶体。晶体就是内部粒子呈现则排列的物质,非晶体中粒子排列不规则。除少数固态物质如玻离、松香、硬橡胶等外,绝大多数固态无机物都是晶体。

  由于晶体内部粒子呈规则排列,所以晶体一般有规则的外形,若晶体形成条件不具备,其外形也可能变得不规则;晶体具有各向异性,即在晶体的不同方向上具有不同的物理和化学性能;晶体有固定的熔点,如铁的熔点为1538℃,铜的熔点为1084.5℃,铝的熔点为660.37℃,镁的熔点为650℃。晶体与非晶体虽有这些根本区别,但在一定条件下是可以互相转化的,例如液态镁在极高的冷却速度下凝固可以成为非晶态的,具有很高的强度性能与韧性。

  为了研究晶体结构,在结晶学上通常取晶胞角上某一结点作为原点,沿其三条棱边作为三个坐标轴X、Y、Z,称为晶轴,而且规定在坐标原点的前、右、上方为轴的正方向,反之为负方向,并常以晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ等6个参数表示晶胞的几何形状。a、b、c称为晶格常数,单位为A°(1A°=10-10m),而α、β、γ称为晶轴夹间,单位为度。

  金属中常见的晶体结构为体心立方、面心立方和密排六方。具有面心立方晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni等,具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Cd、Be、α-Ti、α-Co等。大家知道,单晶体的塑性变形方面只有滑移和孪生,它们都是剪切应变,即在剪应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿着特定的晶面和晶向发生平移。

  面心立方晶格金属有4个不同取向的原子密排面,每个面上有3个密排方向,因此有12个晶体学等价的滑移系统,塑性良好,工业纯铝及大多数变形铝合金的道次冷加工率可高达50%以上。可是镁及镁合金为密排六方晶格,在225℃以下,只有3个滑移系,故塑性差,冷轧总加工率只不过20%,热轧时塑性可高得多,因为滑移系会增加,这就是镁及镁合金为什么应于在线加热状态下实现可塑轧制。镁的塑性低是“天生”的,决定于晶体结构。

(责任编辑:HN666)

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