1、金属学及热处理基础知识第一章 金属学及热处理基础知识一、金属的基本结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。1、金属的原子结构及原子的结合方式（1）金属原子的结构特点最外层的电子数很少，一般为12个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一
2、个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的12个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。强度高。由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。（2）金属键处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子
3、核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。（3）结合力与结合能固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d0时，其结合能最低，原子最稳定。任何对d0
4、的偏离，都会使原子的势能增加，从而使原子处于不稳定状态，原子就力图回到低能状态，即恢复到平衡距离的倾向，这里的EAB成为原子间的结合能或键能。2、金属的晶体结构（1） 晶体的特性a、 晶体具有一定的熔点。b、 晶体具有各向异性，在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。（2） 晶格和晶胞晶格：将构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称之为阵点或结点，这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各个阵点的周围环境都相同，用平行的直线将这些阵点连接起来，构成一个三维的空间格架，这种用于
5、描述晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架成为空间点阵，简称点阵或晶格。晶胞：用来分析晶体中原子排列的规律性而在晶格中选取的能够完全反映晶格特征的最小的几何单元成为晶胞。（3） 3种典型的金属晶体结构a、 基本概念原子数：一个晶胞中含有的原子数目。配位数：晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。致密度：原子所占体积与晶胞体积之比，用于表示原子排列的紧密程度。b、 3种典型的金属晶体结构（图11）1 体心立方晶格原子半径r；原子数N2；配位数为8；致密度K0.682 面心立方晶格原子半径r；原子数N4；配位数为12；致密度K0.743 密排六方晶格原子半径r；原子数N6；配位数为12
6、；致密度K0.74 （a）体心立方 （b）面心立方 （c）密排六方图11 典型的晶体结构（4） 晶向指数和晶面指数在晶体中，由一系列原子所组成的平面成为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向成为晶向。a、 晶向指数的确定步骤1 以晶胞的三个棱边为坐标轴X、Y、Z，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位；2 从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向；3 在所引有向直线上任取一点，求出该点在X、Y、Z轴上的坐标值；4 将三个坐标值按比例化为最小简单整数，即得所求得晶向指数，记为uvw。b、 晶面指数的确定步骤1 以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免
7、出现零截距；2 以棱边长度（即晶格常数）为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距；3 取各截距的倒数，并化为最小简单整数，即为所求的晶面指数，记为(hkl)。注：在立方结构的晶体中(1) 当一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）时，必须满足此关系：hu+kv+lw=0;(2) 当某一晶向与某一晶面指数垂直时，其晶向指数和晶面指数须完全相等。3、实际金属的晶体结构在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为以下三类：（1） 点缺陷：其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，如空位、间隙原子等。
8、（2） 线缺陷：其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸很大，如位错。（3） 面缺陷：其特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，如晶界、亚晶界等。二、金属的结晶基本过程金属由液态转变为固态的过程成为凝固。由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称之为结晶。金属结晶后所形成的组织，包括各种相的晶粒形状、大小和分布等，将极大地影响到金属的加工性能和使用性能，对于铸件来说，结晶过程就基本上决定了它的使用性能和使用寿命，因此，研究和控制金属的结晶过程，已成为提高金属机械性能和工艺性能的一个重要手段。1金属结晶的条件（1） 过冷度：金属在结晶之前，温度连续下降，
9、当液态金属冷却到理论结晶温度Tm（熔点）时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到Tm之下的某一温度Tn，液体金属才开始结晶，金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称之为过冷度，以T表示，TTmTn。结论：金属结晶必须要有一定的过冷度，一般来说，过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。金属不同，过冷度的大小不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。当以上两因素确定后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低，故对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于这个值，结晶过程不能进行。（2） 结晶潜热：一摩尔物质从一个相转变为
10、另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。结晶时从液相转变为固相时要放出热量，称为结晶潜热。一般地，用冷却曲线表示结晶的过程（图12），冷却曲线上的第一个转折点，对应着结晶过程的开始，第二个转折点则对应着结晶过程的结束。结论：结晶潜热的释放和散失是影响结晶过程的一个重要因素，如果释放的结晶潜热大于向周围环境中散失的热量，温度将会回升，甚至已经发生结晶的区域会发生重熔现象。图12 金属结晶的冷却曲线（3） 金属结晶的微观过程结晶过程是形核和长大的过程。结晶时，首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后，这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。结晶过程需要一个孕育期，当液态金属过冷至理论结
11、晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过一定时间后才开始出现第一批晶核，结晶开始的这段停留时间称为孕育期。（4） 金属结晶的热力学条件如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，即金属发生结晶，从而使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态。液相金属和固相金属的自由能之差就是促进金属结晶的驱动力，即GGSGL0。结论：过冷度越大，液固两相的自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快。（5） 金属结晶的结构条件1 近程有序：在液体中的微小范围内存在着紧密接触规律排列的原子集团，称为近程有序。2 远程有序：在在液体中的大范围内原子是无序分布的，而在晶体中大范围内的
12、原子却是呈有序排列的，称之为远程有序。3 相起伏：液态金属中近程规则排列的原子集团并不是固定不动、一成不变的，而是处于不断地变化之中，由于液态金属原子的热运动很激烈，而且原子间距较大，结合较弱，所以液态金属原子在其平衡位置停留的时间很短，很容易改变自己的位置，这就使近程有序的原子集团只能维持短暂的时间即被破坏而消失，以此同时，在其它地方又会出现新的近程有序的原子集团，液态金属中的这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏或称为相起伏。4 晶胚：根据结晶热力学条件可以判断，只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才有可能在结晶时转变成为晶核，这些相起伏就是晶核的胚芽，称为晶胚。结论：液态金属的一
13、个重要特点是存在着相起伏，只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。但是，并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核。2晶核的形成在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式：一种是均匀形核，又称均质形核或自发形核；另一种是非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。（6） 均匀形核1 晶核：在过冷液体中并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核，只有那些尺寸等于或大于某一临界尺寸的晶胚才能稳定的存在，并能自发地长大。这种等于或大于临界尺寸地晶胚即为晶核。2 均匀形核：在液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式即为均匀形核。3 结晶过程中系统自由能的变化为其中，为液固两相单位体积自由能差，为单位面积的
14、表面能。4 临界晶核半径：当r = rK时，晶胚既可能消失，也可能长大成为稳定的晶核，因此把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临界晶核半径，如图13所示。，其中，为理论结晶温度，为熔化潜热。图13 临界晶核半径5 形核功a、 定义：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，称之为形核功，记为，其表达式如下：其中，为临界晶核的表面积。b、 形核功的能量来源：在液态金属中存在着结构起伏和能量起伏。6 形核率a、 定义：形核率是指在单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，以N表示，单位为cm3s1。b、 影响形核率的两个
15、因素：一是随着过冷度的增加，晶核的临界半径和形核功都随之减小，结果使晶核易于形成，形核率增加；二是取决于原子的扩散能力，温度越高（过冷度越小），则原子的扩散能力越大，形核率越高。二者综合作用的结果是在形核率的曲线上出现了极大值，开始时形核率随过冷度的增加而增大，当超过极大值之后，形核率又随过冷度的增加而减小，当过冷度非常大时，形核率接近于零，如图14所示。图14 形核率与温度及过冷度的关系（7） 非均匀形核1 定义：在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，这种形核方式就是非均匀形核，或称异质形核、非自发
16、形核。2 影响非均匀形核的形核率的因素a、 过冷度的影响由于非均匀形核所需的形核功很小，因此，在很小的过冷条件下其形核率就很大。另外，由于非均匀形核取决于适当的夹杂物质点的存在，因此，其形核率可能越过最大值，并在高的过冷度处中断。b、 固体杂质结构的影响非均匀形核的形核功与接触角有关，角越小，形核功越小，形核率越高。c、 固体杂质形貌的影响固体杂质表面的形状各种各样，其基面具有不同的形核率，在曲率半径、接触角相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同而改变。凹曲面的形核效能最高，因为较小体积的晶胚便可以达到临界晶核半径，平面居中，凸曲面的效能最低。因此，对于相同的固体杂质颗粒，若其表面曲率不同，它
17、的催化作用也不同，在凹曲面上形核所需过冷度比在平面、凸面上的形核所需的过冷度都要小。d、 过热度的影响过热度是指金属熔点与液态金属温度之差。当过热度较大时，有些质点的表面状态改变了，凹曲面变为平面，使非均匀形核的核心数目减少；当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，这就使非均匀形核转变为均匀形核，形核率大大降低。e、 其它影响因素一些物理因素对形核率也有影响，如振动、搅拌等，一方面可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心，另一方面又可使受振动的液体金属中的晶核提前形成。（8） 金属的结晶形核有以下要点：1 液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行，液态金属的过冷度必须大于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于
18、临界晶核半径rK。前者提供形核的驱动力，后者是形核的热力学条件所要求的。2 rK值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比。过冷度越大，则rK值越小，形核率越大，但是，形核率有一极大值。如果表面能越大，形核所需的过冷度也应越大。凡是能降低表面能的办法都能促进形核。3 均匀形核既需要结构起伏，也需要能量起伏，二者皆是液体本身存在的自然现象。4 晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此，结晶必须在一定的温度下进行。5 在工业生产上，液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。3晶核长大（1）晶体长大的条件晶体的长大从宏观上来看，是晶体的界面向液相中的逐步推移过程；从微观上看，则是依靠原子逐个由液相中扩
19、散到晶体表面上，并按晶体点阵规律要求，逐个占据适当的位置而与晶体稳定牢靠地结合起来的过程。由此可见，晶体长大的条件是：第一要求液相能继续不断地向晶体扩散供应原子，这就要求液相有足够高的温度，以使液态金属原子具有足够的扩散能力；第二要求晶体表面能够不断而牢靠地接纳这些原子，但是晶体表面上任意地点接纳这些原子地难易程度不同，晶体表面接纳这些原子的位置多少与晶体的表面结构有关，并应符合结晶过程的热力学条件，这就意味着晶体长大时的体积自由能的降低应大于晶体表面能的增加，因此，晶体的长大必须在过冷的液体中进行，只不过它所需的过冷度远比形核时小得多而已。（2）决定晶体长大方式和长大速度的主要因素决定晶体长
20、大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构和界面附近的温度分布状况，潜热的释放及逸散条件。这两者的结合，就决定了晶体长大后的形态。（3）晶体的长大机制二维晶核长大机制当固液界面为光滑界面时，若液相原子单个的扩散迁移到界面上是很难形成稳定状态的，这是由于它所带来的表面能的增加，远大于其体积自由能的降低。这种情况下，晶体的长大只能依靠所谓的二维晶核方式，即依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使一定大小的原子集团差不多同时降落到光滑界面上，形成具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团。根据热力学的分析，这个原子集团带来的体积自由能的降低必须大于其表面能的增加，它才能在光滑界面上形成稳定状态。二维晶核
21、形成后，它的四周就出现了台阶，后迁移来的液相原子一个个填充到这些台阶处，这样所增加的表面能较小。直到整个铺满一层原子后，便又变成了光滑界面，而后又需要新的二维晶核的形成，否则成长即告中断。晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢。2 螺型位错长大机制螺型位错在晶体表面露头处，即在晶体表面形成台阶，这样，液相原子一个个地堆砌到这些台阶处，新增加的表面能很小，完全可以被体积自由能的降低所补偿。每铺一排原子，台阶即向前移动一个原子间距，所以，台阶各处沿着晶体表面向前移动的线速度相等。3 垂直长大机制在粗糙界面上，从液相中扩散来的原子很容易填入这些位置，与晶体连接起来，由于这些位置接待原子的能力是等效
22、的，在粗糙界面上的所有位置都是生长位置，所以液相原子可以连续、垂直地向界面添加，界面的性质永远不会改变，从而使界面迅速地向液相推移。这种长大方式称为垂直长大，它的长大速度很快，大部分金属晶体以这种方式长大。a) 晶体长大的要点如下i. 具有粗糙界面的金属，其长大机理为垂直长大，长大速度大，所需过冷度小。ii. 具有光滑界面的金属化合物、亚金属或非金属等，其长大机理可能有两种方式，其一为二维晶核长大方式，其二为螺型位错长大方式，它们的长大速度都很慢，所需的过冷度较小。iii. 晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关，在正的温度梯度下长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈
23、锯齿状；粗糙界面的形态为平行于Tm等温面的平直界面，呈平面长大方式。在负的温度梯度下长大时，一般金属和亚金属的界面都呈树枝状，只有那些值较高的物质仍然保持着光滑界面形态。4 金属结晶过程中的生长形态a) 正温度梯度： 生长过程的特点：i. 相变潜热只能通过固相单向散失，界面向液体内推进的速度受固体散热控制。ii. ，在S/L界面处的任何凸起都不会很快长大故结晶过程的生长形态为：光滑界面：保持台阶状长大（或小平面长大），其生长的形态呈台阶状。粗糙界面：为垂直长大，其S/L界面的生长形态呈平面状。b) 负温度梯度： 生长过程的特点：i. 相变潜热可通过固相和液相两个方向散失，其S/L界面移动的速度
24、不受散热所控制。ii. ，在S/L界面处的任何一个凸起，其前沿随着T的增大，使生长速度随之加快，所以任何凸起均会迅速长大。故结晶过程的生长形态为：光滑界面：a、 如果T较大，其S/L界面的生长形态则为带有小平面的树枝状。b、 如果T较小，其S/L界面的生长形态则为小平面长大，呈台阶状。粗糙界面：为垂直长大，其S/L界面的生长形态呈树枝状长大。三、合金的概念1合金的定义所谓合金是指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。2合金的组元组成合金最基本的、独立的物质叫做组元，或简称元。一般说来，组元就是组成合金的元素，但也可以是稳定的化合物。由两个
25、组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金。3合金的相（1） 定义相是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。由一种固相组成的合金称为单相合金，由集中不同固相组成的合金称为多相合金。（2） 分类不同的相具有不同的晶体结构，根据相的晶体结构特点可以将其分为两大类。1 固溶体：合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组元合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。这种组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。按溶质原子在晶格中所占的位置分为：置换固溶体、间隙固溶体。2 金属化合物在合金系中，组元间发生相互作用
26、，除彼此形成固溶体外，还可能形成一种具有金属性能的新相，即为金属化合物。金属化合物具有它自己独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶体结构和性质不同，一般可以用分子式来大致表示其组成。常见的金属化合物：正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物。（3） 影响相结构的因素1 负电性因素负电性因素是指组成合金的组元原子，吸引电子形成负离子的倾向。越容易吸引电子形成负离子的元素，则其负电性越强。组元间的负电性相差越小，则越容易形成固溶体；组元间的负电性相差越大，则越不容易形成固溶体，而易于形成金属化合物相。2 原子尺寸因素原子尺寸因素一般用组元间原子半径之差与其中一组元的原子半径之比表示，若rA、rB
27、分别为A、B两组元的原子半径，则表示原子尺寸因素的大小。当组元的负电性相差不大时，则越小，越容易形成固溶体，否则，将增加形成化合物的倾向性。3 电子浓度因素电子浓度是指合金晶体中的价电子数与其原子数之比，可用下式表示：式中，、分别为溶剂和溶质的原子价，为溶质B的物质的量比。当电子浓度越小，则形成固溶体的倾向越大，电子浓度增大，则固溶体将变得不稳定，形成化合物的倾向增大。四、铁碳相图铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面有很重要的指导意义。1铁碳合金的组元及基本相（1） 纯铁1 铁的同素异晶转变2
28、铁素体与奥氏体a、 铁素体是碳溶于铁中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号为F或。b、 奥氏体是碳溶于铁中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号A或表示。c、 碳溶于体心立方晶格Fe中的间隙固溶体，称为铁素体。（2） 渗碳体渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物Fe3C，含碳量wc6.69，可以用符号Cm表示，是铁碳相图中的重要基本相。2 FeFe3C相图分析图15为铁渗碳体的相图。图15 铁渗碳体相图（1）合金的基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体（其中铁素体、奥氏体、渗碳体在上一节已经做了介绍）1 珠光体是FeFe3C相图上的共析转变产物，是在727恒温下，由wc0.77的奥氏体转变为
29、wc0.0218的铁素体和渗碳体组成的混合物，用符号P表示。2 莱氏体是FeFe3C相图上的共晶转变产物，是在1148恒温下，由wc4.3的液相转变为wc2.11的奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符号Ld表示。（2）相图中的点、线、区1）点相图中各特性点的温度、碳浓度2） ABCD液相线；AHJECF固相线；MO铁素体的磁性转变线；230虚线为渗碳体的磁性转变线；HJB包晶转变线；ECF共晶转变线；PSK共析转变线3） 单相区ABCD以上液相区（L）；AHNA固溶体区（）；NJESGN奥氏体区（或A）；GPQG铁素体区（或F）；DFKL渗碳体区（Fe3C或Cm）。双相区L、L、LFe3C、Fe3
30、C、Fe3C3铁碳合金的结晶过程（图16）（1）工业纯铁：wc0.0218，其室温组织为Fe3C相变过程：L L Fe3C（L） （） （） （Fe3C）（2）共析钢：wc0.77，其室温组织为P相变过程：L L Fe3C Fe3C（L） （0.77P） （Fe3C）（3）亚共析钢：wc0.02180.77，其室温组织为Fe3CP相变过程：L L L （L） （L） （） （） Fe3C Fe3C(0.77P) （Fe3C）（4）过共析钢：wc0.772.11，其室温组织为PFe3C相变过程：L LFe3CFe3CFe3C(L) (Fe3C) (0.77P) (Fe3C)a) 共晶白口铁：wc4.3，其室温组织为变态LdPFe3C共晶Fe3C相变过程：L LFe3C Fe3C Fe3C(L4.32.11+ Fe3C6.69) (Fe3C) (0.77P) Fe3C(Fe3C)b) 亚共晶白口铁：wc2.114.3，其室温组织为PFe3CLd相变过程：L L LFe3C Fe3C(L) (L4.32.11+ Fe3C6.69
