01-第一章金屬學(xué)基本原理

1、第一章金屬學(xué)基本原理金屬學(xué)是研究金屬和合金的成分、組織、性能及其變化規(guī)律的一門科學(xué)。學(xué)習(xí)金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)在于掌握組織、組織的形成及其變化規(guī)律等方面的基本概念和基本原理，因?yàn)檫@是物理金相實(shí)驗(yàn)工借以了解各種金屬材料的成分、熱處理、組織與性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)。本章的主要內(nèi)容是：金屬及合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶方面的基礎(chǔ)知識(shí)；合金的基本組織及狀態(tài)圖；有關(guān)鐵碳平衡圖的一些基本知識(shí)。第一節(jié)純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體是由原子在空間嚴(yán)格按照一定的規(guī)律周期性重復(fù)排列所構(gòu)成的，這是把晶格中的原子排列看成是絕對(duì)完整的。其實(shí)這是一種完全理想化的晶體結(jié)構(gòu)，因此被稱為理想晶體。但在實(shí)際金屬晶體中，原子的排列不

2、可能這樣規(guī)則和完整。在晶體內(nèi)部，由于種種原因，在局部區(qū)域或局部地帶內(nèi)原子的規(guī)則排列往往受到干擾和破壞，形成了各種形式的晶體缺陷。因此，實(shí)際晶體是以結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列為主，兼有不規(guī)則排列，這就是實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。金屬晶體中缺陷的種類較多，根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可以將它們分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。點(diǎn)缺陷：是指長(zhǎng)、寬、高的尺寸都很?。ㄏ喈?dāng)于原子的尺寸）的缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子以及由它們組合而成的復(fù)合點(diǎn)缺陷。線缺陷：是在兩個(gè)方向上（晶體的某一個(gè)平面上）的尺寸很小，第三個(gè)方向的尺寸相對(duì)很大的缺陷，是指各類位錯(cuò)。其中較簡(jiǎn)單的有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。面缺陷：是在兩個(gè)方向上尺寸很

3、大，而第三個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。有晶界、亞結(jié)構(gòu)、相界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)等?？瘴缓烷g隙原子金屬晶體中的原子應(yīng)處在晶格的結(jié)點(diǎn)上。但在實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)中，并非每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有原子占據(jù)，而在某些應(yīng)該占據(jù)原子而實(shí)際空缺的結(jié)點(diǎn)位置稱為空位。見圖11。晶格內(nèi)部除了原子占有絕大部分體積外，還有空隙存在，其中某些尺寸較大的空間有可能被原子擠入，這種占據(jù)晶格空隙的原子稱為間隙原子，見圖11。在空位和間隙原子的附近，由于原子間作用力的平衡被破壞，使其周圍的其他原子發(fā)生靠攏（如空位附近的原子）或撐開（如間隙原子附近的原子）的現(xiàn)象，這種變化稱為晶格畸變，見圖12。位錯(cuò)位錯(cuò)是指在晶體中某處一列，或若干列原子，發(fā)生了有規(guī)律的

4、錯(cuò)排現(xiàn)象。它是一種“線型”的不完整結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)的形式很多，比較簡(jiǎn)單的兩種是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。（1）刃型位錯(cuò)見圖13，在一個(gè)完整晶體的某一晶面（圖中為ABC面）以上，多出了一個(gè)原子面，這個(gè)多余的原子面象刀刃一樣，沿EF線垂直插入，使晶體中位于ABC面上下兩部分的晶體之間產(chǎn)生了錯(cuò)排現(xiàn)象，因而稱為刃型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)又被分成正刃型位錯(cuò)和負(fù)刃型位錯(cuò)兩種。即在晶體上半部分出現(xiàn)多余原子面的刃型位錯(cuò)，稱為正刃型位錯(cuò)，符號(hào)為“丄；多余原子面的刃型位錯(cuò)，稱為負(fù)刃型位錯(cuò)，符號(hào)為“T”。產(chǎn)生位錯(cuò)的邊緣線EF稱為位錯(cuò)線。在位錯(cuò)線附近，由于錯(cuò)排使晶格畸變，造成了一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)?？瘴婚g隙原子圖11金屬晶體中的空位和間隙原子

5、圖12點(diǎn)缺陷附近的晶格畸變a）空位附近的畸變b）間隙原子附近的畸變a)b)圖13刃型位錯(cuò)示意圖a）立體模型b）平面圖（2）螺型位錯(cuò)見圖1-4a，如果將晶體沿ABCD面局部切開，并使這上下兩部分晶體相對(duì)移動(dòng)（即“撕開”）一個(gè)原子的距離，然后上下接合起來，見圖14b。由圖中可進(jìn)一步看出aa右邊晶體的上層原子與下層原子相對(duì)移動(dòng)了一個(gè)原子間距，而在BC和aa之間形成了一個(gè)上下原子不相吻合的過渡區(qū)域，這里的原子平面被扭成螺旋面，這種過渡地帶即螺型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)的中心線（BC線）稱為位錯(cuò)線（有時(shí)用符號(hào)“S“示），在原子面上每繞位錯(cuò)一周就推進(jìn)了一個(gè)晶面間距。根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)的方向，螺型位錯(cuò)分為右螺旋位錯(cuò)（圖1

6、4）和左螺旋位錯(cuò)兩種。在螺型位錯(cuò)附近，晶格發(fā)生了嚴(yán)重畸變，因此，位錯(cuò)附近是應(yīng)力集中區(qū)。圖14螺型位錯(cuò)示意圖a）立體圖b）俯視圖晶粒由許多晶軸取向相同的晶胞所組成，有邊界將它們之間相分開的小塊單晶體稱為晶粒。晶粒在光學(xué)金相顯微鏡下，往往呈具有邊界的不規(guī)則幾何外形的顆粒狀晶體。晶界工業(yè)上使用的金屬材料，絕大部分是多晶體，多晶體是許多晶粒的集合體。多晶體中不同晶粒之間的交界面稱為晶界。由于各晶粒的位向不同（即各晶粒的晶軸在空間的位向是不同的），見圖15。因此，其原子排列的規(guī)律性相互交界處（即晶界）就無法統(tǒng)一，只能從一個(gè)位向逐步過渡到另一個(gè)位向，見圖16a?？梢?，晶界實(shí)際上是不同位向晶粒之間的過渡層。

7、晶界上的原子處于兩種不同位向晶格的折衷位置，見圖17。圖15多晶體中各晶粒的位向示意圖度。位向差越小，純度越高，晶界就越薄。純金屬的晶界寬度般只有幾個(gè)原子厚，當(dāng)金屬中含有雜質(zhì)時(shí)，由于雜質(zhì)常富集于晶界處，因此晶界將加寬。相鄰晶粒之間位向差的大小用e角表示，見圖16b。實(shí)際使用的金屬材料，相鄰晶粒間的位向差一般都大于10。這種晶界，被稱為大角度晶界；另一種位向差較?。╡vio）的晶界,稱為小角度晶界。金屬多晶體的晶界一般都屬于大角度晶界，各晶粒的位向差大多在3040。由于晶界是具有畸變大和有較大晶界能的特殊結(jié)構(gòu)，因此，金屬的晶界都具有以下幾個(gè)方面的特征：（1）晶界的能量較高，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使

8、金屬在腐蝕環(huán)境中，晶界的腐蝕速度往往比晶粒內(nèi)部的腐蝕速度要快。利用這一特征，在金相分析中，常用化學(xué)試劑侵蝕（不銹鋼可用電解侵蝕）試樣的拋光表面，使晶界首先被腐蝕成凹槽，從而在顯微鏡下觀察到黑色的晶界，顯露出金屬組織形貌特征。但是另一方面，由于晶界容易腐蝕，因此在進(jìn)行失效分析時(shí)，應(yīng)對(duì)金屬零件可能由于受到晶界腐蝕而造成開裂的情況予以足夠的重視。（2）較高的晶界能有自發(fā)地向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，而晶粒長(zhǎng)大和晶界的平直都能減少晶界的總面積，從而降低晶界的總能量。由于溫度升高，原子動(dòng)能增大，就會(huì)促使晶粒長(zhǎng)大。這就是鋼在熱處理時(shí)，奧氏體的晶粒會(huì)隨著溫度的升高而長(zhǎng)大的原因。此外，溫度越高，原子的動(dòng)能越大，就越

9、有利于晶粒的長(zhǎng)大和晶界的平直化，所以在測(cè)定鋼的本質(zhì)晶粒度時(shí)，所選擇的試驗(yàn)溫度規(guī)定在930C次上。（3）晶界處的原子偏離了正常的平衡位置，它具有較高的動(dòng)能，使得晶界的熔點(diǎn)較低。因此，金屬總是從晶界上先開始熔化。（4）晶界處原子排列不規(guī)則，并且有較多空位存在，因此，原子沿晶界的擴(kuò)散速度要比晶粒內(nèi)部快。（5）晶界具有較高的能量，所以在發(fā)生相變時(shí)，新相往往首先在母相的晶界上形核。原始晶粒越細(xì)，晶界越多，新相的晶核也越多。為了獲得細(xì)晶組織，熱處理的加熱溫度不宜太高。（6）晶界處的原子處于畸變狀態(tài)，在常溫下，對(duì)金屬的塑性變形有阻礙作用，因此晶界比晶粒內(nèi)的強(qiáng)度和硬度高?？梢娋ЯＴ郊?xì)，畸變區(qū)域越大，金屬的強(qiáng)度

10、、硬度越高。（7）晶界處原子排列不規(guī)則，晶界的電阻高于晶內(nèi)。亞結(jié)構(gòu)和亞晶界實(shí)際金屬晶粒內(nèi)部，存在著許多尺寸很小、位向差也很?。ㄒ话闶菐资值?2）的小晶塊，相互嵌鑲而成一顆晶粒。這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)或亞晶、嵌鑲塊，見圖18。在亞結(jié)構(gòu)內(nèi)部，原子的排列位向是一致的。相鄰亞結(jié)構(gòu)間的邊界稱為亞晶界，它是由一系列刃型位錯(cuò)組成的小角度晶界。亞晶界附近的原子排列不規(guī)則，存在晶格畸變和較高的能量。二、純金屬的結(jié)晶金屬材料通常都要經(jīng)過冶煉和鑄造，因此要經(jīng)歷由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固（結(jié)晶）過程。了解金屬結(jié)晶的過程及規(guī)律，對(duì)于控制鑄件的內(nèi)部組織和性能，是十分重要的。同時(shí)，金屬的結(jié)晶過程也是一種重要的相變過程。1.純金屬

11、的結(jié)晶固態(tài)金屬是通過熔融的金屬液體結(jié)晶而得到的。當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到該金屬的凝固溫度以下時(shí)，液體中就開始結(jié)晶。首先，在液體中形成晶核，然后晶核再逐漸長(zhǎng)大成為晶粒。液態(tài)金屬結(jié)晶就是通過形核及長(zhǎng)大這兩個(gè)基本過程進(jìn)行的。這兩個(gè)過程不斷地在液體中不同的地方同時(shí)并進(jìn)，直至液體全部結(jié)晶為固體。液態(tài)固態(tài)圖18亞結(jié)構(gòu)示意圖圖19液態(tài)相界面增意圖（1）過冷是金屬結(jié)晶的條件純金屬結(jié)晶是在一個(gè)恒定溫度下進(jìn)行的，這個(gè)溫度就是該金屬的凝固溫度，也是該金屬的熔化溫度。每種純金屬都有自己的結(jié)晶溫度，即其理論結(jié)晶溫度。但是，液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度時(shí)并不發(fā)生結(jié)晶，必須繼續(xù)冷卻到某一個(gè)溫度時(shí)才開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為結(jié)晶過程的過冷

12、。實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱為過冷度。過冷度的大小與冷卻速度、金屬的性質(zhì)以及純度等因素有關(guān)。對(duì)于某一種金屬而言，冷卻速度越大，過冷度也越大。因此，過冷是結(jié)晶的動(dòng)力。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。（2）晶核的形成在液態(tài)金屬的內(nèi)部，存在著許多體積微小的有規(guī)則排列的原子團(tuán)。這種原子團(tuán)時(shí)聚時(shí)散，是不穩(wěn)定的，它們就是液態(tài)金屬中可能形成結(jié)晶核心的胚芽，稱為晶胚。晶胚的存在，為液態(tài)金屬結(jié)晶的形核創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)條件。在過冷的條件下，液態(tài)金屬的晶胚得到了結(jié)晶的動(dòng)力，從而逐漸長(zhǎng)大，形成晶核。晶核的形成過程簡(jiǎn)稱為形核。形核有兩種方式。第一種形核方式，是在勻一的純金屬液體內(nèi)，由許多體積微小的原子團(tuán)直接萌生出晶核，這種形

13、核方式稱為自發(fā)形核，又稱為勻質(zhì)形核。第二種形核這些小質(zhì)點(diǎn)的表面而形核，這種形方式，是由于某種原因造成金屬液體中有異質(zhì)的固態(tài)小質(zhì)點(diǎn)（例如難熔雜質(zhì)）存在，致使晶核依附在核方式稱為非自發(fā)形核，又稱為異質(zhì)形核。實(shí)際生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要依靠非自發(fā)形核。原因是：1）在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬都要在鑄模中凝固結(jié)晶，因此模壁就成為非自發(fā)形核的基底；2）實(shí)際使用的金屬并不是很純凈，其內(nèi)部總會(huì)有一些雜質(zhì)存在。金屬熔化后，在液態(tài)金屬中不可避免地有一些難熔雜質(zhì)的固態(tài)細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，如氧化物、氮化物等存在，造成非自發(fā)形核；3）由于非自發(fā)形核比自發(fā)形核所需要的形核功和過冷度均較小，因此，非自發(fā)形核易形成。（3）晶核的長(zhǎng)大形核以后，

14、晶核迅速成長(zhǎng)。晶核生長(zhǎng)的具體方式及形態(tài)是和金屬液相與固相間界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。所有的典型金屬，結(jié)晶時(shí)液態(tài)一固態(tài)相界面的微觀結(jié)構(gòu)都是粗糙界面，見圖19。在這個(gè)高低不平的界面上，存在著有幾個(gè)原子厚度的過渡層，在過渡層中大約有50的結(jié)點(diǎn)是空的，因此液態(tài)金屬中的原子很容易在這個(gè)凹凸不平的界面上堆積起來，與晶核連成一體，使之均勻地得到長(zhǎng)大。實(shí)際生產(chǎn)的金屬，晶核大多是按照樹枝狀形式長(zhǎng)大的。因?yàn)樵诮饘僖后w內(nèi)部存在著一些雜質(zhì)，在雜質(zhì)周圍小體積內(nèi)的液體的過冷度比較大，在這個(gè)小體積以外的液態(tài)金屬的過冷度則比較小。由于液體內(nèi)部存在著這種過冷度較大的小區(qū)域，晶核表面存在局部微小凸出部分就會(huì)向液體中過冷度較大的區(qū)域生長(zhǎng)

15、，這樣就形成了一系列伸向過冷液體的結(jié)晶軸（一次軸）。在這些一次晶軸的側(cè)面又會(huì)長(zhǎng)出新的分軸（二次軸），依此類推，還可以在二次軸生長(zhǎng)出三次晶軸，這些晶軸彼此交錯(cuò)，其外形如樹枝狀，故稱為樹枝狀晶體，見圖110。在整個(gè)晶核長(zhǎng)大過程中，高次晶軸不斷長(zhǎng)出，同時(shí)原有的低次晶軸不斷向長(zhǎng)、粗方向長(zhǎng)大，直到相鄰的樹枝骨架相遇時(shí)，骨架才停止擴(kuò)展。但在骨架內(nèi)，由于還有液體，更高次的晶軸仍不斷長(zhǎng)出來，整個(gè)樹枝狀晶體仍在繼續(xù)長(zhǎng)大，使液體越來越少，直到晶軸之間的液體結(jié)晶完了。各次晶軸互相接觸而形成一個(gè)完整的晶粒。由于液態(tài)金屬中同時(shí)有很多晶核在不斷地生成和長(zhǎng)大，最后使長(zhǎng)成的晶粒相互接觸，成為等軸形的多晶體。結(jié)晶過程，就是在液

16、態(tài)金屬內(nèi)部各處不斷形核和長(zhǎng)大的過程，直至液態(tài)金屬全部消失，此時(shí)金屬的結(jié)晶過程即告結(jié)束。這個(gè)過程，見圖111。圖110枝晶生長(zhǎng)示意圖（4）形核與長(zhǎng)大對(duì)金屬晶粒大小的影響液態(tài)金屬的結(jié)晶過程，是不斷形核和長(zhǎng)大的過程。晶核數(shù)越多，長(zhǎng)大速度越慢，則凝固后的晶粒越細(xì)；反之，則晶粒越粗大。形核的多少，用形核率（單位時(shí)間單位體積中所形成的晶核數(shù)目）來表示。形核率一般都隨著過冷度的增加而增大。晶核的長(zhǎng)大速度用長(zhǎng)大線速度（單位時(shí)間中晶體增加的長(zhǎng)度）來表示。對(duì)于具有粗糙界面的大多數(shù)金屬來說，它的長(zhǎng)大線速度是與過冷度成正比的。晶粒大小與形核率和長(zhǎng)大線速度有關(guān)。因此，控制上述兩個(gè)因素，就能控制金屬晶粒的大小。為了獲得細(xì)

17、晶粒的金屬，在日常工業(yè)生產(chǎn)中，常采用下列途徑：1）增大過冷度晶粒數(shù)與形核率成正比，與長(zhǎng)大線速度成反比。金屬結(jié)晶時(shí)，形核率與長(zhǎng)大線速度一般都隨著過冷度的增加而增大，在一般過冷度下，形核率的增長(zhǎng)大于長(zhǎng)大線速度的增長(zhǎng)。若增大過冷度，使晶粒數(shù)增多，晶粒變細(xì)。增大過冷度的方法是提高金屬的連續(xù)冷卻速度，冷卻速度越大，過冷度越大。因此，快冷可以獲得細(xì)晶粒的鑄態(tài)組織。這種方法適用于中、小鑄件。對(duì)于大件，則需用其他方法使晶粒細(xì)化。2）變質(zhì)處理在液態(tài)金屬結(jié)晶前加入一些細(xì)小的形核劑（又稱為變質(zhì)劑或孕育劑），使它分散在液體中作為非自發(fā)形核的基底，使形核率大大提高，晶粒顯著細(xì)化，這種細(xì)化晶粒的方法即為變質(zhì)處理。鋼中加入

18、鈦、硼、鋁等，鑄鐵中加入硅、鈣等，都能起到細(xì)化晶粒的作用。圖11l金屬結(jié)晶過程示意圖3）振動(dòng)處理在結(jié)晶時(shí)，對(duì)金屬熔液附加機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)等措施，以提高形核率，即使生長(zhǎng)的晶粒破碎從而提供更多的結(jié)晶核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。鑄錠的結(jié)晶1）鑄錠的結(jié)晶和組織典型的鑄錠結(jié)晶的宏觀組織見圖112。它是由表層細(xì)晶區(qū)、次表層柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)三個(gè)部分組成。結(jié)晶過程及組織簡(jiǎn)述如下：1）細(xì)晶區(qū)金屬熔液澆入錠模后，與較冷的模壁相接觸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的過冷，萌生了大量的晶核，特別是模壁的非自發(fā)形核作用，使晶核數(shù)急劇增加。這些晶核迅速長(zhǎng)大并迅即結(jié)晶完畢，致使在鑄錠的最外層獲得了很薄的一層細(xì)小等軸晶區(qū)。2）柱

19、狀晶區(qū)在細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，模壁溫度不斷升高，剩余液體的冷卻變慢，加上結(jié)晶釋放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核變得困難，只有細(xì)晶區(qū)中已生成的晶體向液體中生長(zhǎng)。此時(shí)散熱的方向仍由心部垂直流向模壁，使晶粒沿著與散熱相反的方向擇優(yōu)長(zhǎng)大，而形成柱狀晶區(qū)，見圖113。對(duì)于純度很高的金屬，結(jié)晶后柱狀晶往往貫穿了整個(gè)鑄錠，這種組織稱為穿晶。3）等軸晶隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，模壁溫度繼續(xù)升高，模壁的散熱速度變慢；加上結(jié)晶潛熱不斷釋放，使柱狀晶區(qū)周圍的液態(tài)金屬溫度升高。而鑄錠中心區(qū)的液體溫度卻逐漸降低，并漸趨均勻，以至幾乎是同時(shí)進(jìn)入過冷狀態(tài)。在外面柱狀晶尚未長(zhǎng)大到鑄錠中心之前，在中心區(qū)液體中同時(shí)形核并長(zhǎng)大，

20、而形成等軸晶區(qū)。由于此處液體的冷卻速度緩慢，各個(gè)方向過冷度均較小，因此晶粒較粗大，見圖112。（2）鑄錠組織的控制鑄錠的組織與合金成分和澆注條件等因素有關(guān)，改變這些因素，就能改變鑄錠組織中三層晶區(qū)的相對(duì)厚度和晶粒大小，甚至可獲得只有兩個(gè)或一個(gè)晶區(qū)所組成的鑄錠。影響鑄錠組織中三個(gè)晶區(qū)成長(zhǎng)的主要因素是：1）液態(tài)金屬的過熱度較高，會(huì)減少非自發(fā)晶核的數(shù)量，使鑄錠中心部分的液態(tài)金屬在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能結(jié)晶，而柱狀晶則容易粗大。2）澆注溫度較高，會(huì)提高液態(tài)金屬中的溫度梯度，鑄錠中心部位結(jié)晶推遲，導(dǎo)致柱狀晶區(qū)增厚。3）提高錠模的冷卻能力和定向散熱，會(huì)增大鑄錠中液態(tài)金屬的溫度梯度，促使柱狀晶區(qū)增厚。4）液態(tài)金屬在

21、錠模中靜止冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，又未采取附加振動(dòng)或攪拌等措施，也會(huì)使柱狀晶區(qū)厚度增長(zhǎng)。5）液態(tài)金屬的過冷度小，冷卻速度慢，散熱均勻，澆注溫度低，采用變質(zhì)處理及附加振動(dòng)攪拌等，都有利于等軸晶區(qū)的發(fā)展。圖112鑄錠結(jié)晶構(gòu)造示意圖圖113柱狀晶區(qū)的長(zhǎng)大示意圖a）縱剖面b）橫剖面第二節(jié)合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金具有比純金屬更好的機(jī)械性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能，因此目前應(yīng)用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。一、基本概念1.合金合金在工業(yè)中應(yīng)用比較普遍，它是由兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成的并具有金屬特性的物質(zhì)，稱為合金。組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)（如各元素或穩(wěn)定化合物）稱為組元。如碳

22、鋼和鑄鐵，是由鐵和碳元素所組成的合金，又稱為鐵碳合金。如果除鐵、碳外，尚有其他合金元素存在時(shí)，則稱為多元合金。2.相相是合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，以及同一性能的均勻組成部分。在固態(tài)下，可以形成均勻的單相合金，也可能由幾種不同的相組成多相合金。不同的相之間有明顯的界面，稱為相界面。組織合金的組織是由相組成的。通常是指它是由哪些相所組成的，以及這些相的數(shù)量、大小、分布和形態(tài)等。純金屬一般以單相組織存在。合金的組織則較復(fù)雜，如鐵碳合金中，鐵素體和滲碳體都是相，它們可以構(gòu)成珠光體組織。合金的性能一般是由組成合金的各相本身的結(jié)構(gòu)特性和各相的組合情況決定的。因此，必須研究合金的相結(jié)構(gòu)

23、。二、合金的基本組織根據(jù)合金的各元素之間相互作用的不同，合金中的相結(jié)構(gòu)大致可以分為固溶體和金屬化合物兩大類型。這兩大類合金相，又可按其成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)一步分成若干具體類型。合金的組織組成物主要有三種：固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物。固溶體固溶體是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的均一結(jié)晶相。合金固溶體是由組成合金的各種元素，以合金元素為溶質(zhì)，溶人基體金屬（溶劑）中，而形成的均勻的金屬晶體。固溶體的晶體結(jié)構(gòu)仍保持基體金屬的結(jié)構(gòu)。例如，碳鋼中的鐵素體是以aFe為基體（溶劑）和碳為合金元素（溶質(zhì)）相互溶解而成的固溶體，其晶體結(jié)構(gòu)仍保持aFe的體心立方晶格。但是由于基體中溶入了溶質(zhì)原子，因此往往引起晶格畸變和

24、晶格常數(shù)的變化。根據(jù)溶質(zhì)原子在基體晶格中所處的位置不同，固溶體分為間隙固溶體和置換固溶體兩種。（1）間隙固溶體溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙位置的固溶體，稱為間隙固溶體，見圖114a。只有溶質(zhì)原子半徑很小，溶劑的晶格間隙較大的條件下，才能形成間隙固溶體。如碳、氮、硼等非金屬元素溶入a-Fe中，鎳溶入丫一Fe中，形成的就是間隙固溶體。間隙固溶體所溶解的溶質(zhì)數(shù)量是很有限的，如果溶質(zhì)原子的數(shù)量超過飽和溶解度時(shí)，將生成一種新的合金相。（2）置換固溶體溶質(zhì)與溶劑兩種元素的原子直徑大小相近時(shí)，溶質(zhì)原子只能取代溶劑（基體）原子而位于晶格的結(jié)點(diǎn)上，形成的固溶體，稱為置換固溶體，見圖1-14b。大多數(shù)合金元素溶入鐵中

25、都形成置換固溶體。按照溶質(zhì)原子的溶解度大小，置換固溶體分為有限固溶體和無限固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格中具有有限溶解度的固溶體，稱為有限固溶體。多數(shù)的金屬合金都是有限固溶體。如果在形成固溶體時(shí)，各組元之間能以任意比例互相溶解，稱為無限固溶體。例如Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr合金都是無限固溶體。通常，置換固溶體中的溶質(zhì)原子在溶劑金屬晶格中的分布是任意的，無規(guī)律的，這種固溶體稱為無序固溶體。在固溶體中，溶質(zhì)原子和溶劑原子各占溶劑晶格的一定位置，即溶質(zhì)、溶劑原子呈有序排列的固溶體，稱為有序固溶體。圖114固溶體結(jié)構(gòu)示意圖a）間隙固溶體b）置換固溶體實(shí)際上，在固溶體中，往往是既有間隙原子又有置換原子，兩種固溶

26、形式同時(shí)存在。例如，40Cr鋼中的鐵素體就是這種結(jié)構(gòu)。決定固溶體類型和溶解度大小的基本因素是原子的大小和元素的電化學(xué)性質(zhì)。均勻固溶體具有單相組織。例如，鐵碳合金中的鐵素體是單相等軸晶。金屬化合物（中間相）合金中，溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解限度時(shí)，就可能形成新相。這種新相是由兩個(gè)組元按一定的、或大致一定的原子比相互化合而成的，并且完全不同于原來組元晶格和性質(zhì)的固體，稱為金屬化合物。由于金屬化合物在二元相圖中總是處在兩個(gè)固溶體區(qū)之間的中間部位，所以又稱為中間相。中間相可用化學(xué)分子式來表示，但是其成分往往可在一定范圍內(nèi)變化。大多數(shù)金屬化合物是以金屬鍵相結(jié)合，有一定的金屬性質(zhì)（如導(dǎo)電性）。金屬化合物一般

27、具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，因此，熔點(diǎn)高，硬而脆。金屬化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金及其他有色金屬的重要組成相。合金化合物的類型很多，主要有正常價(jià)化合物、電子化合物以及間隙相和間隙化合物等。（1）正常價(jià)化合物在元素周期表上位置相距較遠(yuǎn)、而電化學(xué)性質(zhì)相差很大的兩種元素相結(jié)合，組成為正常價(jià)化合物。僅有少數(shù)合金系形成這種化合物，如MnS、FeS（常在鋼中以?shī)A雜物形式出現(xiàn)）和Mg2Si等。其特點(diǎn)是：組元之間化合比例符合正常的原子價(jià)規(guī)律，其成分是固定不變的，可用一個(gè)化學(xué)式表示。（2）電子化合物這類化合物是由元素周期表中的第一族元素、過渡族元素與第二至第五族元素化合而成的。電子化合物不遵守化合價(jià)規(guī)律，它是按照一定電

28、子濃度的比值（32、2l13和74）組成一定晶格類型的化合物，因此稱為電子化合物。電子濃度（C）是指化合物中的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之間的比電值（C=價(jià)電子數(shù)/原子數(shù)）。電電子化合物的晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：電子濃度為3/2時(shí)，具有體心立方或復(fù)雜立方晶格（稱為0相）;電子濃度為21/13時(shí)，具有復(fù)雜立方晶格（稱為Y相；電子濃度為7/4時(shí)，具有密排六方晶格（稱為相）。決定電子化合物晶體結(jié)構(gòu)的因素，主要是電子濃度，但尺寸因素及電化學(xué)性質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)也有影響。電子化合物雖然也用化學(xué)分子式表示，但實(shí)際上它們的成分是在一個(gè)范圍內(nèi)變化著，其電子濃度實(shí)際上也有一定的成分范圍，所以把它們稱做以化合物為基的

29、固溶體。電子化合物中原子間是金屬鍵結(jié)合。它是合金（特別在有色金屬）中的重要組成相。它與固溶體適當(dāng)?shù)呐浜希墒购辖饛?qiáng)化。（3）間隙相和間隙化合物過渡族金屬（如鐵、鉻、鉬、鎢、釩等）與原子半徑甚小的非金屬元素（如氫、硼、碳、氮等）形成的化合物，即碳化物、氮化物、硼化物等，具有金屬的性質(zhì)，并有很高的熔點(diǎn)和極高的硬度。其中，當(dāng)非金屬（X）與金屬（M）的原子半徑比值（r/rM）小于0.59時(shí)，化合物具有比較簡(jiǎn)單的xM晶體結(jié)構(gòu)，稱為間隙相，如VC、TiC、WC、FeN、TiN等。間隙相的分子式一般為M4X、M2X、MX和MX2。間隙相的結(jié)合既422具有共價(jià)性質(zhì)，又帶有金屬鍵性質(zhì)。間隙相具有極高的硬度、很脆

30、、有金屬光澤，因此在合金工具鋼和硬質(zhì)合金中得到了應(yīng)用。此外，通過對(duì)鋼件表面滲入或涂層等工藝使之形成間隙相薄層，可顯著增加鋼的表面硬度和耐磨性，延長(zhǎng)零件的使用壽命。當(dāng)非金屬（X）與金屬（M）的原子半徑比值（rxrM）大于xM0.59時(shí)，形成具有很復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)的化合物，稱為間隙化合物。如鉻、錳、鐵、鈷、鎳等的碳化物均是。間隙化合物的類型很多，在合金鋼中常見的有：M3C型：如Fe3C,Mn3C及合金滲碳體（Pe、Mn）3C等。M7C3型：如Cr7C3。M23C6型：如Cr23C6及（Cr、Fe、Mo、W）23C6等。MC型：女口FeWCFeWC及（Ni、Fe）（W、Mo）633423C等。以上分子

31、式中的M可表示一種金屬元素，也可表示幾種金屬元素固溶在內(nèi)（見上述各種碳化物例子）。上述碳化物中，F(xiàn)e3C中的鐵原子，可被其他金屬原子，如Mn、Cr、Mo、W、V等所置換，形成合金滲碳體；Fe3C中的碳，可被硼置換，但不能被氮置換。M23C6是以鉻為主的碳化物。Cr23C的硬度約為1050HV。它是不銹鋼中的主要碳化物，在鐵基或鎳基高溫合金中也常存在。M6C也是常見的碳化物，具有高硬度，約為61100HV，是高速鋼中重要的組成相，在一些含鎢和鉬的耐熱鋼或高溫合金中也會(huì)出現(xiàn)以上三種是合金中常見的金屬化合物。還有一些金屬化合物，例如拉弗斯（Laves）相、相、p相、X相及p相、r相、M相等，屬于金屬

32、化合物中的拓?fù)涿芏严啵ê?jiǎn)稱TCP相）。機(jī)械混合物組成合金的各組元，在固態(tài)下既不能互相溶解，又不能形成化合物，而以混合形式組成的，稱為機(jī)械混合物。機(jī)械混合物是由兩種或兩種以上的相混合組成，其中各個(gè)相仍保持原來的晶格和性能。因而，機(jī)械混合物的性能取決于各組成相的相對(duì)量、形狀、大小和分布情況。最常見的機(jī)械混合物是鐵碳合金中的共析組織珠光體。它是由鐵素體和滲碳體兩種單獨(dú)的相機(jī)械混合成的。珠光體的性能，完全取決于其中的鐵素體及滲碳體的相對(duì)量、形狀、大小和分布情況等。三、二元狀態(tài)圖的類型與應(yīng)用二元相圖的特點(diǎn)純金屬的結(jié)晶是在某一恒定溫度下進(jìn)行的，結(jié)晶時(shí)各相（液相及固相）的成分始終不變。其狀態(tài)圖只要用一個(gè)溫度

33、坐標(biāo)軸及某些特性點(diǎn)表示即可。圖115為純鐵相圖，溫度坐標(biāo)軸上1538是純鐵的熔點(diǎn)；A4點(diǎn)是Fe與丫一Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn)；A3點(diǎn)是y-Fe與a-Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn)；A2點(diǎn)（768C）是磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。合金結(jié)晶過程和純金屬有相似之處。但由于合金元素的加入，使結(jié)晶情況比純金屬要復(fù)雜，首先合金的結(jié)晶過程有時(shí)是在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的；其二，在結(jié)晶過程中，各相的成分是在變化的。因此合金的狀態(tài)圖比純金屬相圖要復(fù)雜得多。其特點(diǎn)是：（1）二元合金相圖需要兩根坐標(biāo)軸來表示：縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示成分。溫度常用攝氏度（C）作為單位，成分一般用合金組元的重量百分?jǐn)?shù)（Wt%或wt）表示，橫坐標(biāo)的兩個(gè)端點(diǎn)則分別表示兩個(gè)純組元。因此該

34、二元系中的任何一個(gè)成分的合金都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的位置。（2）由于結(jié)晶時(shí)溫度和成分是在變化著的，因此發(fā)生相變時(shí)要用相界線（純金屬是點(diǎn)）來表示。例如，在二元相圖中，都有液相線和固相線。其中液相線是由各成分的二元合金開始凝固溫度連接起來的相界線；固相線是由凝固終止溫度連接而成的相界線。相圖中還有表示固態(tài)中所發(fā)生相變的其他相界線。（3）相圖中，由相界線劃出來的區(qū)域稱為相區(qū)。二元相圖中，有單相區(qū)和兩相區(qū)，但其相區(qū)中最多只能有兩個(gè)相。若二元合金中出現(xiàn)三相共存時(shí)，則必定有一個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變，在相圖上表示為水平線。（4）二元相圖中，當(dāng)某成分的合金處于兩相區(qū)時(shí)，這兩個(gè)相之間的重量比可用“杠桿法則”求得，并可找出

35、這兩個(gè)相的成分。（5）由于能組成二元合金的元素很多，而且它們的性能不盡相同，因此由兩組元配合而得到的二元合金的相圖也是多種多樣的，有的甚至很復(fù)雜。但是任何復(fù)雜的相圖，都可以分解為幾種基本類型的簡(jiǎn)單相圖。圖115純鐵的相圖二元相圖的基本類型（1）兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶的相圖，簡(jiǎn)稱勻晶相圖。（2）具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖，稱為共晶相圖。（3）具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖，稱為包晶相圖。（4）有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖，如共析相圖等。（5）其他相圖，如二組元能形成化合物的一類相圖；熔晶轉(zhuǎn)變的相圖；有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖等等。只要正確地掌握了這些基本相圖，分析復(fù)雜的二元合金相圖就比較容易了。特別是其中的勻晶相圖、共晶相圖、包

36、晶相圖及共析相圖，是在鋼鐵和常用有色金屬合金中經(jīng)常出現(xiàn)的一些基本類型，因此必須對(duì)其熟悉。常見的二元相圖現(xiàn)將勻晶、共晶、包晶、共析四種基本相圖分述如下。（1）勻晶相圖凡是二組元在液態(tài)和固態(tài)都能互溶的二元合金系，其相圖屬勻晶相圖。在這類合金中，由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。絕大多數(shù)的二元合金相圖都包含勻晶轉(zhuǎn)變部分。銅鎳相圖是最典型的勻晶相圖。（2）共晶相圖由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分不同的固相共晶體的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變。具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為共晶相圖。形成共晶相圖的二組元之間，在液態(tài)時(shí)能無限互溶，在固態(tài)下互不溶解，或形成有限固溶體或形成化合物，并具有共晶轉(zhuǎn)變。鐵碳合金中的鑄鐵部分的相圖

37、屬于共晶相圖，如鋁一硅、鉛銻、鉛錫、銀銅等合金相圖，都屬這一類相圖。（3）包晶相圖在一定條件（溫度、成分）下，由已結(jié)晶的一定成分的固相與剩余的一定成分的液相反應(yīng)生成另一固相，這種轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變。具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包晶相圖。例如，鐵碳合金在低碳（009%）范圍有包晶反應(yīng)（1495C的HJB線）的部分就是包晶相圖。具有包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系，還有銀錫、銀鉑、鎘汞、銅鋅、銅一錫等。（4）共析相圖一定成分的一種固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨煞N固相，這種轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。具有共析轉(zhuǎn)變的相圖稱為共析相圖。例如，鐵碳合金在727C發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由固相奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體兩種固相。二元相圖的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)

38、中，常利用二元相圖來分析所研究的合金在某成分下的結(jié)晶過程、組織組成物、相組織的成分以及相變溫度、溶解度等，使人們可利用相圖來了解合金的相組織性質(zhì)以及可否進(jìn)行熱處理來改善其性能等。（1）利用基本相圖的特點(diǎn)和轉(zhuǎn)變規(guī)律分析復(fù)雜二元相圖。工業(yè)上用的二元相圖，一般不象基本相圖那樣簡(jiǎn)單。這些相圖線條繁多，初看起來似乎很復(fù)雜，難于分析。其實(shí)，仔細(xì)分析還是離不開前述的各類簡(jiǎn)單相圖。只要掌握各類簡(jiǎn)單相圖基本特點(diǎn)，再根據(jù)相圖遵循的規(guī)律進(jìn)行分析，就能化繁為簡(jiǎn)，比較容易地分析復(fù)雜的二元相圖。例如，F(xiàn)eFe3C相圖，看起來似乎較復(fù)雜,但只要分析一下，即可知它是由主個(gè)基本相圖構(gòu)成的：左上角是一個(gè)包晶相圖，左下部是一個(gè)共析

39、相圖，右側(cè)是一個(gè)共晶相圖。將這三部分弄清楚了，整個(gè)相圖就容易讀懂了。（2）相圖能夠表明合金可以進(jìn)行何種熱處理，并為制定熱處理工藝提供參考。1）對(duì)于沒有固態(tài)相變的合金，只能進(jìn)行消除枝晶偏析的擴(kuò)散退火。2）如合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，則可以通過重結(jié)晶退火或正火使合金晶粒細(xì)化。3）如合金固溶體的溶解度隨著溫度而變化，則可通過固溶處理和時(shí)效處理來提高合金的強(qiáng)度。4）具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的合金，凡是具有共析轉(zhuǎn)變的，原則上都可以進(jìn)行淬火處理。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，根據(jù)相圖只能判斷合金熱處理的可能性，但是否具有實(shí)際的使用價(jià)值，還要根據(jù)熱處理的實(shí)際效果而定。（3）根據(jù)相圖判斷合金的性能。相圖與合金在平衡狀態(tài)下的性能之間有一定

40、的聯(lián)系。形成機(jī)械混合物的合金的性能，是組成相性能的平均值，即成分與性能呈直線關(guān)系。固溶體的力學(xué)性能及物理性能與合金成分呈曲線變化。當(dāng)形成穩(wěn)定化合物時(shí)，化合物的性能在曲線上出現(xiàn)奇點(diǎn)。在形成機(jī)械混合物的合金中，各相的分散度對(duì)組織敏感的性能有較大影響。例如，共晶合金如果呈細(xì)小分散相，則其強(qiáng)度和硬度均提高。相圖與合金的工藝性能也有一定關(guān)系。例如，共晶合金的鑄造性能一般比較好，這是因?yàn)樗诤銣叵逻M(jìn)行結(jié)晶，而且熔點(diǎn)又低的結(jié)果。對(duì)于那些在相圖上凝固區(qū)間較大的合金，則其流動(dòng)性差，并且易形成分散疏松。反之，則易增加集中縮孔。第三節(jié)鐵碳平衡圖鐵碳平衡圖，是分析鐵碳合金的結(jié)晶過程，找尋該合金的組織形成及變化規(guī)律，以

41、便利用這些規(guī)律來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。我們已經(jīng)介紹了鐵一碳平衡圖的構(gòu)成，以及典型合金結(jié)晶過程等基本知識(shí)，下面將繼續(xù)介紹有關(guān)相變過程中各相成分及相對(duì)含量變化的定量關(guān)系。鐵碳平衡圖，通常稱為鐵碳合金相圖，因?yàn)樗軌虮硎驹摵辖鹣抵校我缓辖鹪谌魏螠囟认滤嬖诘南?，故稱為相圖。相圖又可以表示任何成分的合金，在任何溫度下的組織狀態(tài)，所以又稱為狀態(tài)圖。鐵碳平衡圖是在極緩慢冷卻條件下（接近平衡條件）測(cè)制的，它可以表示合金在平衡狀態(tài)下組織的變化，所以稱為鐵碳平衡圖。、鐵碳合金雙重相圖鐵一碳平衡圖（簡(jiǎn)稱鐵一碳相圖）按鐵一滲碳體（Fe3C）相圖進(jìn)行結(jié)晶和固態(tài)轉(zhuǎn)變。但是滲碳體（Fe3C）是一個(gè)亞穩(wěn)定的相，在某種條件下，滲碳體會(huì)分解為鐵的固溶體和石墨，即Fe3C-（丫一Fe）+石墨。石墨是穩(wěn)定相。因此，可以測(cè)得一個(gè)新的鐵一碳合金相圖，即鐵石墨相圖。把鐵一滲碳體相圖和鐵一石墨相圖迭合在一起，即得到鐵一碳合金雙重相圖，見圖1一16。圖中實(shí)線部分表示鐵一滲碳體相圖、部分實(shí)線再加上虛線表示鐵一石墨相圖。可以看出，虛線在實(shí)線的上方或左上方，并且兩個(gè)相圖的液相線、固相線、固溶度線在位置上是有明顯差別的