金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

一.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

自然界中，一切物質(zhì)都是由原子組成的。按照原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列

方式，可以把物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。金屬和合金屬于晶體。

01晶體的特點(diǎn)

原子按一定幾何形狀有規(guī)則、有次序地排列的物質(zhì)稱為晶體。晶體的

特點(diǎn)是：有規(guī)則的外形；有固定熔點(diǎn)；具有各向異性。

02晶體結(jié)構(gòu)

(1)晶格

為了便于分析各種晶體中原子排列的規(guī)律可以用假想線將各原子的中

心連接起來，這樣就構(gòu)成了空間格子。這種用來描述晶體原子排列形成的空間

格子叫做"晶格〃。晶格中線與線的交點(diǎn)就是原子所在的正常位置?？梢园衙?/p>

兩個(gè)原子中心的連線想像成原子之間的結(jié)合力，只要原子處于晶格中的正常位

置，它所受到的每一對(duì)力都正好相互抵消。

(2)晶面和晶向

晶格是由一層層的原子堆砌而成，晶格中各種方位的原子層叫"晶

面〃。晶格中由原子組成的任一條直線，它代表原子在晶體中的排列方向，這

些直線就叫做"晶向"。

(3)晶胞

用晶格來描述晶體結(jié)構(gòu)很不方便，為了方便起見，通常取晶格中的一

個(gè)最基本的單元，稱之為“晶胞〃。

二,金屬晶體中最常見的晶格類型

01體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的每一個(gè)角上和立方體

的中心都有一個(gè)原子。如a-鐵、銘、鋁、鋼、鋁等金屬均具有這種晶格形式。

02面心立方晶格

面心立方晶格晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的每一個(gè)角上（共8個(gè)角）

和每一個(gè)面上（6個(gè)面）的中心都有一個(gè)原子。具有這種晶格形式的金屬有卜

鐵、鋁、銅、銀等。

03密排六方晶格

密排六方晶格晶胞是一個(gè)六方柱體。在六方柱體的每一個(gè)角上和上下底

面的中心各排列一個(gè)原子，在柱體中心還排列有三個(gè)原子。具有這種晶格形式

的金屬有鎂、鋅、鈦等。

三.實(shí)際金屬的晶格結(jié)構(gòu)

以上所講的晶體結(jié)構(gòu)是理想狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu),實(shí)際上金屬的晶體結(jié)

構(gòu)與理想的晶體結(jié)構(gòu)相差很大。

03實(shí)際金屬的晶體缺陷

實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)是不完整的，這對(duì)金屬材料的性能有顯著的影響。實(shí)際晶

體缺陷有三類。

(1)空位和間隙原子

由于原子，樹辰動(dòng)的影響，在晶體中原子可能離開原來占有的位置而造

成"空位"。而離開了原來位置的原子(或外來雜質(zhì)原子)跑到晶格間隙中便

形成了“間隙原子"，如圖L2所示。

間隙原f

品格空位

圖1-2晶體中空位和間隙原子示意性

空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)，是金屬晶體中原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的主要方式之一。

它■妾影響著金屬的某些性能和在金屬中發(fā)生的某些物理化學(xué)過程。例如，化

學(xué)熱處理過程的進(jìn)行,就是依賴于原子的這一擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

(2)位錯(cuò)

它是一種線性的晶體不完整性。實(shí)際上就是晶體中某處有一列或若干

列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排的類型很多，其中最簡單的一種形

式為刃型位錯(cuò)，如圖1-3所示。

b)

圖1一3刃型位錯(cuò)示意圖

a)立體圖b)平面圖

刃型位錯(cuò)是沿著某一個(gè)晶面插入了一個(gè)原子平面但沒有插到底而形成的

位錯(cuò)。實(shí)際金屬晶體中存在大量的位錯(cuò)，一般在一平方厘米面積上含有10八8

個(gè)位錯(cuò)。經(jīng)冷加工變形后位錯(cuò)數(shù)目可達(dá)到每平方厘米10人12個(gè)。由于位錯(cuò)密度

增加，因而使金屬強(qiáng)度大大提高了。

(3)晶界與亞結(jié)構(gòu)

多晶體金屬中,晶界處原子排列不規(guī)則,并常有雜質(zhì)存在,這是金屬

材料中存在的一種很普遍的缺陷，它會(huì)使金屬晶格產(chǎn)生畸變,圖1-4所示為晶

界的過渡結(jié)構(gòu)示意圖。所以晶界處無論化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和性能都與晶體內(nèi)部有

所差別。如抗蝕性晶界比晶粒內(nèi)部差；細(xì)晶粒金屬(由于晶界面積大)的硬

度、強(qiáng)度比粗晶粒金屬的高。

圖14晶界的過渡結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際金屬晶體的每一個(gè)晶粒內(nèi)部，都是由許多位向差很小的小晶塊

相互鑲嵌而成，這些小晶塊叫亞晶,如圖1-5所示。亞晶與亞晶之間的分界稱

為亞晶界，它的作用與晶界相似，對(duì)金屬的性能起著重要影響。亞結(jié)構(gòu)的細(xì)

化,可使金屬強(qiáng)度提高。

四.純鐵的性能與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

01純鐵的性能

(1)雜質(zhì)：不超過0.01%。

(2)熔點(diǎn):1538℃e

(3)力學(xué)性能:硬度HB80。

02同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

(1)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱

為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬只有鐵、鎰、錫、鈦等少數(shù)

金屬，而多數(shù)金屬結(jié)晶以后的晶體結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。

(2)鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

純鐵的冷卻曲線如圖1-6所示。

圖16純鐵的同索異構(gòu)轉(zhuǎn)變

由圖可知液態(tài)純鐵在1538P時(shí)進(jìn)行結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的5-

Fe，繼續(xù)冷卻到1394。(：時(shí)，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦难?/p>

-Fe,繼續(xù)冷卻到912。(：時(shí)，又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方晶格

的a-Fe。如果再繼續(xù)冷卻，晶格類型不再發(fā)生轉(zhuǎn)變。純鐵的司素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可用

下式表示：

==,

8-FeY?FeT-Fe

(3)鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特點(diǎn)

鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鐵原子由一種晶格形式向另一種晶格形式的過

渡。這種過渡必然伴隨著原子排列形式的重新組合，而這種組合實(shí)際上是一種

結(jié)晶過程。不過它不是從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，而是由一種固態(tài)晶格向另一種固

態(tài)晶格形式的轉(zhuǎn)變。這種結(jié)晶過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程有相似之處，即有一

定的轉(zhuǎn)變溫度，同樣遵循晶核的形成和長大的結(jié)晶規(guī)律，伴有放熱或吸熱現(xiàn)

象。

由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下發(fā)生的，與液態(tài)金屬結(jié)晶相比又具有不

同之處。例如，Y-Fe（面心立方）原子排列密度較大而體積較小，冷卻到912℃

時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵优帕忻芏刃《w積大的a-Fe（體心立方）會(huì)產(chǎn)生體積的變化。

盡管這種體積變化的其絕對(duì)值不大，但當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)

力。這就是零件在熱處理過程中產(chǎn)生變形、開裂的重要原因之一。

金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變具有很重要的意義。正是由于鐵具有這一特性，

生產(chǎn)中才能對(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)行熱處理以改變其內(nèi)部組織，改善其性能。

五.合金的相結(jié)構(gòu)

01關(guān)于合金的概念

(1)合金

合金是指由兩種或兩種以上的元素(主要是金屬元素)熔合在一起組成

的具有金屬特性的物質(zhì)。例如，鋼、鑄鐵、黃銅、硬鋁等都是合金。合金除具

有純金屬的基本特性外，還具有純金屬不具有的一些力學(xué)性能和物理化學(xué)性能

指標(biāo)。

(2)組元

組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。組元一般是指組成合金的

純?cè)?，或是穩(wěn)定的化合物，如鐵碳合金中的

Fe3Co

(3)合金系

由若干個(gè)給定組元可以配制成一系列成分不同的合金稱為合金系。例

如，F(xiàn)e-C合金系。根據(jù)組元數(shù)目的多少可稱為二元合金系、三元合金系。

⑷相

在合金系中，具有相同的物理、化學(xué)性能并與該系統(tǒng)的其他部分以界

面分開的這部分稱為相。例如，液態(tài)合金是一個(gè)相，而在結(jié)晶過程中固體和液

體并存，即為兩相。合金的性能主要是由組成合金的各個(gè)相的結(jié)構(gòu)、性能、形

態(tài)、分布和各相的相對(duì)量所決定的。要了解合金的性能，必須先了解合金的基

本相結(jié)構(gòu)。

02合金的基本結(jié)構(gòu)

由兩種以上元素組成合金時(shí)，在固態(tài)下合金的基本組織結(jié)構(gòu)分為三

類：固溶體、化合物、機(jī)械混合物。

(1)固溶體

1)定義

所謂固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑的晶格中而仍保持溶劑晶格類型的

一種合金晶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置不同，固溶體又分為間隙

固溶體和置換固溶體。

①間隙固溶體溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格間隙位置而形成的固溶體叫間

隙固溶體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-7所示。鐵能與碳、氮、硼等非金屬元素形成

間隙固溶體。組成間隙固溶體的溶質(zhì)組元都是一原子半徑很小的非金屬元素，

而溶劑組元多為過渡族金屬元素。

O溶劑?溶亞

供予原f

圖1—7間隙固溶體結(jié)構(gòu)示意圖

②置換固溶體溶質(zhì)原子在晶格中占據(jù)了部分溶劑原子結(jié)點(diǎn)的位置而形成

的固溶體叫置換固溶體，如圖1-8所示。如硅、鎰、銘、銀、鋁、鋁等能溶于

鐵中形成置換固溶體。

圖1—8置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)溶質(zhì)在溶劑中的溶解情況,置換固溶體可分為無限固溶體和有限固

溶體。若兩組元能以任意比例相互溶解即稱之為無限固溶體。反之，當(dāng)溶質(zhì)原

子只能以一定比例溶解于溶劑中時(shí)，即稱之為有限固溶體。由于溶劑晶格的問

隙是有限的，所以間隙固溶體只能是有限固溶體。

2）固溶強(qiáng)化

形成固溶體后,由于在溶劑晶格中溶入了溶質(zhì)元素，必然會(huì)使溶劑晶

格發(fā)生畸變，圖1-9所示為形成固溶體時(shí)的晶格畸變。

圖1-9形成固溶體時(shí)的晶格畸變

晶格畸變對(duì)金屬性能會(huì)產(chǎn)生很大影響，是提高金屬材料力學(xué)性能的重

要途徑之一。這種通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度提

高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。例如，適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的含量，可以使固溶體

不但具有比純金屬高的強(qiáng)度和硬度,