关于单晶体和多晶体力学性能的探讨

摘 要： 本文主要针对教学中单晶体与多晶体相关力学性能知识的阐述展开的，通过对于单晶体力学性能的各向异性分析以及多晶体的力学性能的各向同性（伪无向性）分析比较，从而解决教学中存在的疑问。

【中图分类号】 O782 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）10-0194-02

引言：在机械工业出版社出版的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《机械制造基础》课程教材中，第二章金属与合金的晶体结构的第三节讲到单晶体因为具有一致的结晶位向，所以表现出各向异性[1]。实际的金属是由许多的晶体组成的聚合体，因而实际的金属是多晶体，但是因为每个晶粒的位向不同，而每个晶粒的内部晶格是相同的，从宏观上来看多晶体在各个方向上的原子分布的密度大致平均一致，因而多晶体具有各向同性的特征；第三章“金属与合金的结晶”的第一节纯金属结晶章节中涉及到金属结晶后的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度，硬度，塑性和韧性[1]。在这些内容的教学中存在以下疑惑：一是单晶体产生各向异性力学性能的原因是什么？这与晶格的结构有何关系？二是多晶体产生“伪无向性”的力学性能又是怎么回事？三是多晶体中细晶粒晶体和粗晶粒晶体力学性能差异缘由又是什么？

1、单晶体产生各向异性的缘由分析

探究单晶体的各向异性缘由不得不从晶体的结构谈起，晶体是由一系列原子通过原子间的原子键联接并规律排列形成的，这种有规律的排列在微观上我们称为晶格，常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排立方晶格，我以体心立方晶格为例来分析体心立方单晶体的各向异性。

体心立方晶格是一个立方体，即有a=b=c，体心立方晶格原子分部为立方体的8个顶点各有一个原子，另外在立方体的中心还有一个原子，体心立方晶格的各原子处于平衡状态，根据法国数学家拉普拉斯的物理学简略纲领我们可以知道，在微观世界的原子间的平衡即为粒子间吸引力和排斥力的平衡，根据最具有代表性的基本的库仑定律的数学表达式：，可知原（粒）子间的力与原（粒）子间的距离的平方成反比，由我们对于立方体的几何知识可知，原子1、4间的距离为a，原子1、9间的距离为a，所以在晶格的空间各晶向上，处于键联接的原子间作用力无论是方向还是大小都是不同的，体心立方晶格是单晶体最小组成单元，无数晶格所构成的单晶体在宏观上就体现处在沿立方体各沿晶向方向的力学性能是不同的，这也就是我们所说的单晶体的各向异性。正是因为单晶体具有各向异性，因而在需要力学性能优异的零件我们都会考虑单晶体，比如航空发动机涡轮叶片采用单晶体结构，为了能够在某一方向上具有良好的力学性能，在制造单晶体叶片时，采用定向结晶来获得。

2、对于多晶体的力学性能的各向同性即伪无向性

多晶体的晶体结构为有数量庞大的晶粒无规则的聚合而成，而每个晶粒内部是由原子规律排列的晶格组成的，前面我们讨论过单晶体的力学性能在沿着晶格的晶向而显现的各向异性，在这里多晶体的每个晶粒都表现为各向异性，数量庞大的晶粒经过聚合而形成的多晶体在宏观上的力学特性是怎么样的呢？这一点我们可以通过法国数学家拉普拉斯，把数学中的分析概率论的方法运用于物理学，[2]根据晶粒沿着不同晶向的各向异性，晶粒与晶粒间的各向异性可以采用类似于力系的加减定理，这样通过概率统计可以得到每个晶粒在各晶向的进行加减运算，其结果是一致的，从而宏观的多晶体的力学特性就表现为各向同性，即为“伪无向性”。

3、细晶粒晶体比粗晶粒晶体的力学性能优良的原因

大家熟知的多晶体是由数量巨大的晶粒聚合而成，而多晶体的力学性能与晶粒的粗细有着直接的关系，究其原因，这与晶体的晶界和晶格缺陷有着重要的关系。那么就先来了解晶界对于晶体力学性能的影响：所谓晶界就是晶粒与晶粒之间的界线，晶界上的原子因为受到相邻晶粒的晶格位向影响而处于一个折衷的位置，这些原子排列不规则，因而晶界上的原子会阻碍晶粒内部的原子在外力下的位错，质量一定的多晶体，晶粒越细，对应的晶界越多，这种数量巨大的晶界的这种阻碍作用，在宏观上就表现为金属的强度、硬度和屈服强度明显比粗晶粒的优良；接下来我们来讨论晶格缺陷对于晶体力学性能的影响，我们熟知的晶体常见的缺陷空位和间隙原子、位错和晶界和亚晶界，无论对于细晶粒的晶体还是粗晶粒的晶體而言，点缺陷由于粗晶粒的晶体所处的温度条件较细晶粒的晶体高，原子热运动更加剧烈，更易形成空位或间隙原子，原子的空位和间隙引起晶格畸变，但是细晶粒的晶粒数量也存在明显的优势，从概率统计的角度来说，两种晶粒在空位和间隙原子的缺陷上有着相近的数量，这种缺陷对于宏观的力学性能影响几近相同；位错和晶界和亚晶界对于晶粒粗细的晶体而言就不同了，这和晶粒的粗细密不可分，因为晶粒越细，单位质量所对应的晶粒数量越多，所对应的晶界数量也越多；亚晶界一般是由刃型位错所形成的小角度晶界，处于亚晶界出的原子同样产生晶格畸变，在对于晶体的力学性能而言，亚晶界和晶界是相似的，因而细晶粒金属在强度、硬度和韧性上要比粗晶粒要优良，主要是晶界处的晶格发生晶格畸变，产生应力场，从而强化了金属的力学性能。

到此我们很容易了解单晶体与多晶体力学性能差异的原因和产生差异的机理，这为我们今后更好在教学中阐述相关知识打下很好的理论基础。

参考文献

[1] 孙学强.《机械制造基础》 北京：机械工业出版社，2008.2

[2] 盛骤.《概率论与数理统计》 北京：高等教育出版社，2008.

作者简介：张虎，出生年 1983.4，性别：男，民族：汉族，籍贯：江苏徐州，单位：常州交通技师学院，职称：助理讲师，研究方向：汽车维修

张昊，1988，男，汉，江苏常州，常州交通技师学院，技师，工程机械底盘、电气 。

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