鎂課堂：（三）說說鎂的晶體結構
2015年01月16日 15:54 18187次瀏覽 來源： 中國有色網 分類： 鎂應用 作者： 王祝堂
金屬材料的許多性能與其內部原子的排列方式即晶體結構息息相關。例如，面心立方晶格的銅、鋁的塑性比體心立方晶格的鐵、鎢的高，而密排（集）六方晶格的鎂、鈹的塑性卻很差。同時，熱處理過程中的相變和原子擴散也與晶體結構有關。因此，了解鎂的晶體結構，對于掌握其性能變化的實質，對進一步改善和發展鎂和鎂合金材料都有重要意義。
在已發現的106種元素中，金屬元素約占4/5，鎂是其中之一，而且它是常用金屬元素之一，它的電子軌道分布1S22S22P63S2，即其最外層電子軌道上有2個電子，它們和原子核的結合力較弱，很容易脫離原子核的束縛變成自由電子，因此鎂在化學反應中易失去這2個電子，而變成正2價的離子。正是由于鎂原子結構的這一特點，決定了鎂原子在化學反應中的行為和原子間的結合方式。鎂有三種同位數：78.99%24Mg，10.00%25Mg，11.01%26Mg。
當大量鎂原子聚合在一起構成鎂晶體時，絕大部分鎂原子都失去其價電子而成為正離子，正離子按一定幾何形式有規律地排列起來，且分別以一定平衡位置為中心作三維高頻振動，而脫離鎂原子核束縛的價電子，為整個鎂離子所共有，在各離子之間自由運動，形成所謂“電子氣”（“電子云”）。但大多數自由電子在其瞬間也可能如某些正離子結合成為中性原子。因此，在際的固態鎂中，不是所有的鎂原子都變成正離子，而是絕大多數處于正離子狀態。
鎂晶體就是依靠各正離子與“電子氣”間的相互引力牢固地結合起來，而離子與離子之間及電子與電子間的斥力與這種引力相平衡，使鎂處于穩定的平衡狀態。這種金屬原子依靠其正離子與電子氣之間的相互作用而結合的方式稱為金屬鍵。鎂的許多特性諸如良好的導電性及正的電阻溫度系數、相當好的導熱性、較好的熱塑性、尚可的冷塑性等等，都可用金屬鍵理論得到圓滿的解釋。
密排六方晶格決定鎂的塑性較低
大家知道，自然界的固態物質，雖然外形各異，種類繁多，但都是由粒子（原子、離子、分子、原子基因）堆積而成的。根據內部粒子堆積情況可將固態物質分為晶體和非晶體。晶體就是內部粒子呈現則排列的物質，非晶體中粒子排列不規則。除少數固態物質如玻離、松香、硬橡膠等外，絕大多數固態無機物都是晶體。
由于晶體內部粒子呈規則排列，所以晶體一般有規則的外形，若晶體形成條件不具備，其外形也可能變得不規則；晶體具有各向異性，即在晶體的不同方向上具有不同的物理和化學性能；晶體有固定的熔點，如鐵的熔點為1538℃，銅的熔點為1084.5℃，鋁的熔點為660.37℃，鎂的熔點為650℃。晶體與非晶體雖有這些根本區別，但在一定條件下是可以互相轉化的，例如液態鎂在極高的冷卻速度下凝固可以成為非晶態的，具有很高的強度性能與韌性。
為了研究晶體結構，在結晶學上通常取晶胞角上某一結點作為原點，沿其三條棱邊作為三個坐標軸X、Y、Z，稱為晶軸，而且規定在坐標原點的前、右、上方為軸的正方向，反之為負方向，并常以晶胞的棱邊長度a、b、c和棱邊夾角α、β、γ等6個參數表示晶胞的幾何形狀。a、b、c稱為晶格常數，單位為A°（1A°＝10－10m），而α、β、γ稱為晶軸夾間，單位為度。
金屬中常見的晶體結構為體心立方、面心立方和密排六方。具有面心立方晶格的金屬有γ－Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni等，具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn、Cd、Be、α-Ti、α-Co等。大家知道，單晶體的塑性變形方面只有滑移和孿生，它們都是剪切應變，即在剪應力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿著特定的晶面和晶向發生平移。
面心立方晶格金屬有4個不同取向的原子密排面，每個面上有3個密排方向，因此有12個晶體學等價的滑移系統，塑性良好，工業純鋁及大多數變形鋁合金的道次冷加工率可高達50%以上。可是鎂及鎂合金為密排六方晶格，在225℃以下，只有3個滑移系，故塑性差，冷軋總加工率只不過20%，熱軋時塑性可高得多，因為滑移系會增加，這就是鎂及鎂合金為什么應于在線加熱狀態下實現可塑軋制。鎂的塑性低是“天生”的，決定于晶體結構。
責任編輯：淮金
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