1、工程材料及热处理第二章材料的结构、结晶与相图2金属在固态下通常为晶体，晶体中原子排列的规律不同，其性能也不同，因而有必要研究金属的晶体结构。纯金属的结构与结晶2.12.1.1 纯金属的晶体结构31晶体的概念晶体是指原子（离子、分子或原子团）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质。在自然界中，除了少数物质（如玻璃、松香及木材等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。晶体之所以具有这种规则的原子排列，主要是由于原子之间的相互吸引力与排斥力平衡的结果。晶体往往具有规则的外形，如钻石、食盐及明矾等。各种金属制品，如门锁、钥匙以及汽车、飞机上的各种金属构件等，虽然看不到规则的外形，但它们同样是晶体。
2、4为了便于研究晶体中的原子排列规律，将晶体中的原子想象成几何结点，如图2-1（a）所示，用直线将其中心连接起来而构成的空间格子称为晶格或点阵，如图2-1（b）所示。显然，由于晶体中原子重复排列的规律性，可从晶格中选取一个能够代表其晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞，如图2-1（c）所示。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a，b，c和棱边夹角，六个参数来表示。其中，a，b，c称为晶格常数，其长度单位为（埃），1 等于 m。图2-1（c）中的简单立方晶胞，其晶格常数a=b=c，且=90，这种具有简单立方晶胞的晶格称为简单立方晶格。简单立方晶格只见于非金属晶体中，在金属中则看不到。（a）原子排列模型
3、 （b）晶格 （c）晶胞图2-1 晶体中原子排列示意图i5根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系十四种空间点阵。各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，可表现出不同的物理、化学和机械性能。2三种常见的金属晶格金属中由于原子间通过较强的金属键结合，因此金属原子趋于紧密排列，构成少数几种高对称性的简单晶体结构。约有90%以上的金属晶体都属于以下三种典型晶格形式。6如图2-2所示，体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，体心处还有一个原子，因其晶格常数a=b=c，故通常只用一个常数a表示即可。晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密接触排列的，故可计算出其原子半径 。因每个顶
4、点上的原子同属于周围八个晶胞所共有，故每个体心立方晶胞实际包含原子数为：。1）体心立方晶格（bcc晶格）34ra18 12()8个 （a）刚球模型 （b）质点模型 （c）晶胞原子数图2-2 体心立方晶胞示意图7晶格的致密度用来表示晶体中原子排列的紧密程度，它是指晶胞中所包含的原子所占体积与该晶胞体积之比。每个晶胞含有两个原子，原子半径为 ，晶胞体积为，故体心立方晶格的致密度为：，即晶格中有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。34a3a3333434223430.68araa8如图2-3所示，在晶格中有两种空隙，一种为四面体空隙，另一种为八面体空隙。而空隙半径是指在晶胞中放入刚性球，能放入球的
5、最大半径。体心立方晶格的四面体空隙半径为 ，而八面体空隙半径为 。0.29r原子0.15r原子（a）四面体空隙 （b）八面体空隙图2-3 体心立方晶胞中的空隙位置除致密度外，配位数也可用来定性地评定晶体中原子排列的紧密程度。配位数是指晶格中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。显然，配位数越大，原子排列也就越紧密。晶格中，以立方体中心的原子来看，与其最近邻、等距离的原子数有8个，所以其配位数为8。具有体心立方晶格的金属有Cr，Mo，W，V，-Fe和-Ti等。9如图2-4所示，面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面中心还各有一个原子。每个面对角线上各个原子彼此相互接触，因
6、此其原子半径 。又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶胞中包含原子数为：。2）面心立方晶格（fcc晶格）24ra11864()82个（a）刚球模型 （b）质点模型 （c）晶胞原子数图2-4 面心立方晶胞示意图面心立方晶格的致密度为0.74；四面体空隙半径为 ，八面体空隙半径为 ；配位数为12。具有面心立方晶格的金属有-Fe，Al，Cu，Ni，Pb，Ag和Au等。0.225r原子0.414r原子10密排六方晶格属于六方晶系。如图2-5所示，在六棱柱晶胞十二个角上和两个端面中心各有一个原子，在两个六边形面之间还有三个原子。晶格常数为六方底面的边长a和上下底面间距c，在上
7、述紧密排列情况下有：。最近邻原子间距为a，故原子半径 。每个密排六方晶胞中包含原子数为：。3）密排六方晶格（hcp晶格）密排六方晶格的致密度为0.74；四面体空隙半径为 ，八面体空隙半径为 ；配位数为12。具有面心立方晶格的金属有Mg，Zn，Be，-Ti和Cd等。0.225r原子0.414r原子81.6333ca12ra111223662（个）（a）刚球模型 （b）质点模型 （c）晶胞原子数图2-5 密排六方晶胞示意图113晶面和晶向分析在晶格中，由一系列结点所组成的平面都代表晶体的某一原子平面，称为晶面；任意两个结点的连线，都代表晶体中某一原子列的位向，称为晶向。为便于研究和表述不同晶面和晶
8、向的原子排列情况及其在空间的位向，需要给各种晶面和晶向定出一定的符号，即晶面指数和晶向指数。1）晶面指数晶面指数的确定步骤如下（见图2-6中带影线的晶面）。图2-6 晶面指数和晶向指数的确定12（1）以晶胞的三个棱边为坐标轴（X轴、Y轴、Z轴），原点选在结点上，但不便选在待标定的晶面上。（2）以棱边长度（即晶格常数）a，b，c为相应坐标轴的量度单位，求出待定晶面在各轴上的截距。（3）取各截距的倒数，按比例化为最小整数，并依次写在圆括号内，数字之间不用标点隔开，负号改写到数字的顶部，即所求晶面指数。晶面指数的一般形式为（hkl）。立方晶格中，最具有意义的是如图2-7所示的三种晶面，即（100）、
9、（110）与（111）三种晶面。图2-7 立方晶格中的三种重要晶面13注 意2）晶向指数晶向指数的确定步骤如下（见图2-6中带箭头的晶向）。（1）以晶胞的三个棱边为坐标轴（X轴、Y轴、Z轴），原点选在待定晶向的直线上。（2）以棱边长度（即晶格常数）a，b，c为相应坐标轴的量度单位，求出待定晶向上任意一点的三维坐标值。（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，并依次写在方括号内，数字之间不用标点隔开，负号改写到数字的顶部，即所求晶向指数。晶向指数的一般形式为uvw。晶面指数并非仅指晶格中的某一个晶面，而是代表着与之平行的所有晶面，它们的指数或数字相同而正、负相反。14如图2-8所示的100、110及
10、111晶向为立方晶格中最具有意义的三种晶向。将图2-8与图2-7对比可以看出，在立方晶格中，凡指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。图2-8 立方晶格中的三种重要晶向晶向指数代表的也是所有平行的晶向。相互平行但方向相反的晶向，其指数相同但符号相反，如123与 。123153）晶面族和晶向族凡是晶面指数中各数字相同但符号不同或排列顺序不同的所有晶面上的原子排列规律都是相同的，具有相同的原子密度和性质，只是位向不同。这些晶面称为一个晶面族，其指数记为hkl。例如，在立方晶系中，（100）、（010）、（001）三个独立的晶面就组成了100晶面族；而110晶面族包括了（110）、（101）、（011）、
11、（）、（）、（）六个晶面。同理，原子排列规律相同但空间位向不同的所有晶向组成了一个晶向族，其指数记为uvw。例如，在立方晶系中，100、010、001以及与之相反的 、共六个晶向组成100晶向族；而110晶向族包括了110、101、011、及与之相反的 、共十二个晶向。110101011100010001110101011110101011110101011164）晶面和晶向的原子密度晶面的原子密度是指其单位面积中的原子数，而晶向的原子密度是指其单位长度上的原子数。在各种晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。如表2-1、表2-2所示为体心立方晶格及面心立方晶格中的各主要晶面和晶向的原子
12、密度。表2-1 体心立方晶格中各主要晶面和晶向的原子密度17由表2-1、表2-2可知，在体心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是110，具有最大原子密度的晶向是111；而在面心立方晶格中具有最大原子密度的晶面是111，具有最大原子密度的晶向是110。表2-2 面心立方晶格中各主要晶面和晶向的原子密度184晶体的各向异性于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，致使原子间的相互作用力也不相同，因此在同一单晶体内的不同晶面和晶向上的物理、化学和机械性能也会不同。晶体的这种“各向异性”特点是它区别于非晶体的重要标志之一。例如，体心立方的-Fe单晶体，在原子排列最密的111方向上的弹性模量为2
13、90 000 MPa，而在原子排列较稀的100方向上仅为135 000 MPa。许多晶体物质（如石膏、云母、方解石等）易于沿着一定的晶面破裂，且具有一定的解理面，也是这个道理。提 示在工业用金属材料中，通常见不到晶体的各向异性特征。例如，上述-Fe的弹性模量，不论从何种部位取样，所测数据均在210 000 MPa左右。这是因为实际金属多为多晶体，呈现各向同性。195实际金属结构和晶体缺陷如图2-9（a）所示，若一块晶体内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体，单晶体具有各向异性。目前，单晶体在半导体元件、磁性材料、高温合金等方面已得到开发和应用，并且单晶体金属材料是今后金属材料的发展方向之
14、一。1）多晶体结构（a）单晶体 图2-9 单晶体和多晶体示意图20但是在工业生产中，单晶体金属材料除专门制作外基本上是不存在的。实际上，金属结构都包含着许多小晶体，每个小晶体的内部晶格位向均匀一致，而各个小晶体之间彼此位向都不相同，如图2-9（b）所示。由于每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，因此称之为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。由于多晶体金属各晶粒的位向不同，致使宏观上只表现出它们的平均性能，即呈现各向同性。（b）多晶体 图2-9 单晶体和多晶体示意图通过研究证明，在每个晶粒内部，不同区域的晶格位向也并非完全一致，而是存在几十分，最多12的差别。
15、这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚晶粒或镶嵌块。21晶体中凡是原子排列不规则的区域都视为晶体缺陷。实际金属中存在大量的晶体缺陷，它们对金属宏观性能的影响很大，特别是在金属的塑性变形、固态相变以及扩散等方面。晶体缺陷按照其几何形式的特点可分为如下三类。2）晶体缺陷（1）点缺陷点缺陷是指在三维尺寸上很小，不超过几个原子直径的缺陷。如图2-10所示，常见的点缺陷有三种，即晶格空位、间隙原子和置换原子。（a）晶格空位 （b）间隙原子 （c）置换原子图2-10 点缺陷示意图22不管哪类点缺陷都会造成晶格畸变，这将对金属的强度、电阻率等性能产生影响。此外，点缺陷的存在会加速金属中的扩散过程。
16、晶格空位 是指未被原子所占的晶格结点。间隙原子 是指处在晶格间隙中的多余原子。置换原子 是指占据晶格结点上的异类原子。23（2）线缺陷线缺陷是指二维尺寸很小而第三维尺寸很大的缺陷。金属中的线缺陷是指位错，它是晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的位置错动所形成的缺陷，主要分为刃型位错和螺型位错，如图2-11所示。（a）刃型位错 （b）螺型位错图2-11 位错示意图24由图2-11（a）可知，刃型位错是由于图中右上部分相对于右下部分的局部滑移，结果在晶格的上半部挤出了一层多余的原子面，好像在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘称为位错线。在位错线的周围，晶格发生畸变。由图2-11
17、（b）可知，螺型位错是由于晶体右边的上部原子相对于下部原子向后错动了一个原子间距，若将错动区的原子用线连接起来，则其具有螺旋形特征。在金属晶体中，位错线往往大量存在，它们相互连接，呈网状分布，如图2-12所示。晶体中位错的多少，可用位错密度来表示。位错密度是指单位体积内位错线的总长度，量纲为 cm-2。晶体中的位错首先产生于晶体的结晶过程。通常，金属结晶后的位错密度可达106108cm-2。在大量冷变形或淬火的金属中，位错密度大幅增加，可达1012cm-2，而退火又可使位错密度降到最低值。图2-12 实际晶体中的位错网25如图2-13所示，位错的存在极大地影响了金属的力学性能。当金属为理想晶体
18、或含有极少量位错时，金属的屈服强度很高；当含有一定量的位错时，强度降低；但当位错大量产生后，强度反而提高。生产中可通过增加位错的方式对金属进行强化，但强化后其塑性有所降低。图2-13 金属强度与位错密度的关系26（3）面缺陷面缺陷是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。金属中的面缺陷主要包括晶界和亚晶界，如图2-14所示。这两种晶格缺陷，都是因晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的。但在小角度位相差（）的亚晶界情况下，则可将它看成是一种位错线的堆积，称之为位错壁。10（a）晶界 （b）亚晶界图2-14 面缺陷示意图晶界处原子排列不规则，晶格畸变较大，故晶界处能量较高，具有与晶粒内部不同的特性
19、。例如，晶界具有强度和硬度较高、熔点较低、耐腐蚀性较差、扩散系数较大、电阻率较高、相变时优先形核等特性。27一般金属材料的获得都要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，凝固成铸锭或细粉，再通过各种加工获取成材或制件。掌握结晶过程和规律可以有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。2.1.2 纯金属的结晶物质从液态到固态的转变过程称为凝固，若通过凝固能形成晶体结构，则称为结晶。纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的平衡结晶温度，高于此温度便发生熔化，低于此温度才能进行结晶。而在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。一切非晶体物质则无此明显的平衡结晶温度，凝固总是在
20、某一温度范围逐渐完成。281金属结晶的条件自然界的一切自发转变过程，总是由能量较高的状态趋向能量较低的状态。物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外做功的这一部分能量称为自由能（F）。同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，在不同温度下的自由能变化是不同的，如图2-15所示。图2-15 液态与晶体在不同温度下的自由能变化29由图2-15可知，两条曲线的交点即液、固态的能量平衡点，对应的温度 即理论结晶温度或熔点。低于T0时，由于液相的自由能高于固相，液体向晶体的转变伴随着能量降低，因此有可能发生结晶。换言之，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差（），即
21、具有一定的结晶驱动力才行。实际结晶温度（T1）与理论结晶温度（T0）之差称为过冷度（）。金属液的冷却速度越大，过冷度便越大，液、固态自由能差也越大，即所具结晶驱动力越大，结晶倾向便越大。FFF晶液01TTT30在液态物质的冷却过程中，可以用热分析法来测定其温度的变化规律，即冷却曲线，如图2-16所示。冷却曲线上水平台阶的温度即为实际结晶温度（T1）。平台的出现是因为结晶潜热的放出补偿了金属向环境散热引起的温度下降。冷速越慢，测得的实际结晶温度便越接近于理论结晶温度。必须指出，在平台出现之前，还经常会出现一个较大的过冷现象，为结晶的发生提供足够的推动力，而一旦结晶开始，放出潜热，便会使其温度回升
22、到水平台阶的温度。图2-16 纯金属结晶时的冷却曲线示意图312金属的结晶过程金属的结晶过程是晶核形成和长大的过程，如图2-17所示。在液态金属从高温冷却到结晶温度的过程中，会产生大量尺寸不同、短程有序的原子集团，称为晶胚。此时的晶胚极不稳定，时聚时散。（a）（b）（c）（d）图2-17 金属结晶过程示意图32当过冷至结晶温度以下时，某些尺寸较大的晶胚开始变得稳定，成为晶核。形成的晶核按各自方向吸附周围原子自由长大，在长大的同时又有新的晶核出现、长大。当相邻晶体彼此接触时，被迫停止长大，而只能向尚未凝固的液体部分伸展，直至结晶完毕。因此在一般情况下，金属是由许多外形不规则、位向不相同、大小不相
23、同的晶粒组成的多晶体。晶核的形成有均匀（自发）形核和非均匀（非自发）形核两种方式。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程称为均匀形核。过冷度的增加会使液相中自发形核所需的晶胚尺寸变小，即过冷度越大越易形成均匀形核。实际上，金属熔液中总是存在某些未熔的杂质粒子，这些固态粒子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某种现成界面而成核的过程都称为非均匀形核。非均匀形核所需的过冷度比均匀形核的过冷度小得多。需要注意的是，均匀形核与非均匀形核在金属结晶中是同时存在的，而非均匀形核在实际生产中比均匀形核更为重要。33晶核的长大方式通常是树枝状长大，称为枝晶长大。如图2
24、-18所示为晶体枝晶长大的过程。（a）（b）（c）（d）图2-18 晶体枝晶长大过程示意图开始时，晶核可以生长成为很小但形状规则的晶体。随着晶核继续长大，晶体棱角开始形成，棱角处的散热条件优于其他部位，便得到优先成长，像树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后将晶间填满。冷却速度越快，过冷度越大，枝晶成长的特点就越明显。34如图2-19所示为铸锭表面因枝间未被填满而呈现的树枝状结晶。在枝晶成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用和彼此间的碰撞，以及杂质元素的影响等原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以至造成各种晶体缺陷。图2-19 铸锭表面的树枝状晶体353晶粒大小的控制金属结晶后，获得由大量
25、晶粒组成的多晶体。在一般情况下，晶粒越小，金属的强度、塑性和韧性越好。所以在工程上，晶粒细化是提高金属力学性能的重要途径之一，称为细晶强化。细化铸态金属晶粒主要采用下面两种方法。361）增大金属的过冷度金属结晶时的过冷度 对晶核的形核率N（单位时间、单位体积形成的晶核数，单位为个/（）和成长速度G（单位时间晶体长大的长度，单位为m/s）的影响如图2-20所示。从图中可看出，形核率和成长速度随过冷度的增加而增大，但形核率的增加速度更快。因此N与G的值增加，使得晶粒细化，并在一定过冷度时各自达到最大值。但当过冷度进一步增大时，N与G的值却逐渐减小。其主要原因是在过冷度较大时，原子的扩散非常困难，也
26、难使晶核形成和成长。3ms 37在一般工业条件下（见图2-20中曲线前半部的实线部分），结晶时的冷却速度越大或过冷度越大，则金属的晶粒便越细，如铸造生产中用金属型代替砂型，局部加冷铁或增大金属型的厚度等，可使铸件晶粒更加细密。至于曲线的后半部分，因为工业实际中的结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示。但近年来超高速（1051011K/s）急冷技术的发展，使得晶核的形核率和成长速度确能再度减小为零，此时金属将不再通过结晶的方式发生凝固，而是会形成非晶态金属。非晶态金属具有高强度、高韧性、高电阻率、优异的软磁性能和良好的耐腐蚀性能等特点。图2-20 晶核的形核率（N）、成长速度（G）与过冷度（T
27、）的关系382）变质处理当金属液体容积较大时，将难以获得大的过冷度；而对于形状复杂的铸件，为防止快速冷却使内应力过大产生裂纹，通常不允许过多地提高冷却速度。生产上为了获得细晶粒铸件，多采用变质处理。变质处理是在浇铸前向金属液中加入某种难熔杂质（孕育剂或变质剂），增加非自发晶核的数量或阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善性能。例如，向铝中加入微量的钛，向铝硅合金中加入少量的钠或钠盐，向铸铁中加入硅、钙等都是典型的实例。此外，可采用振动或搅拌等手段造成枝晶碎断，使晶核数目增加，从而细化晶粒。394金属铸锭的组织及缺陷在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。铸锭是各种
28、金属材料成材的毛坯，铸锭组织不但影响到其压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组织和性能。因此，应了解铸锭的组织及其形成规律，并设法改善铸锭组织。如图2-21所示为典型铸锭组织的示意图，现以其为例说明铸锭的一般特点。图2-21 铸锭组织示意图1表面细晶区；2柱状晶区；3心部等轴晶区401）表面细晶区表面细晶区的形成是因为金属液在刚浇入锭模时，由于模壁温度较低，表层金属迅速冷却，造成了较大的过冷度而产生大量的结晶核心。表面细晶区组织致密，力学性能很好，但因其很薄，所以对整个铸锭性能影响不大。2）柱状晶区在表面细晶粒形成后，随着模壁温度的升高，细晶区前面的液体散热能力下降，过冷度也下降。
29、晶核的形核率不如成长速度大，各晶粒可得到较快的成长。而此时凡是枝轴垂直于模壁的晶粒，不仅因其沿着枝轴向模壁传热比较有利，而且它们的成长也不至因互相抵触而受到限制，所以优先得到成长，从而形成柱状晶粒。41柱状晶区组织较致密，但有明显的各向异性。钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因为进行塑性变形时柱状晶区易出现晶间开裂，尤其在柱状晶层的前沿及柱状晶彼此相遇处，当存在低熔点杂质而形成一个明显的脆弱界面时，更容易发生开裂，所以生产上经常采用振动浇铸或变质处理等方法来破坏柱状晶的形成和长大。但对于某些铸件，如涡轮叶片，则常采用定向凝固的方法有意使整个叶片由同一方向、平行排列的柱状晶所构成，因为这种结构能沿一
30、定方向承受较大的负荷而使涡轮叶片具有良好的使用性能。此外，对塑性良好的有色金属（如铜，铝等）也希望得到柱状晶组织。因为这种组织较致密，对机械性能有利，而在压力加工时，由于这些金属本身具有良好的塑性，并不容易发生开裂。423）中心等轴晶区随着柱状晶的成长，通过已结晶的柱状晶区和模壁向外散热的速度越来越慢，剩余在锭模中部的液体温差也越来越小，散热方向性已不明显，而趋于均匀冷却的状态。同时，由于液体金属的流动等原因，可能将一些未熔杂质推至铸锭中心，或将柱状晶的枝晶分枝冲断，漂移到铸锭中心，它们都可成为剩余液体的晶核，这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同，最后形成较粗大的等轴晶区。由于此区最后凝固，
31、因此一些低熔点的杂质或合金元素可能多些，同时会因液态金属补充不足而出现中心偏析和疏松。综上所述，铸锭组织是不均匀且比较粗大的，还存在如缩孔、疏松、气泡、偏析、非金属夹杂等铸造缺陷。改变凝固条件可以改变各晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得只有两层或单独一个晶区所组成的铸锭。43提 示提高浇铸温度、加快冷却速度或采用定向冷却散热等方法，并减少液体中产生非自发晶核等条件，有利于柱状晶区的形成和扩展；反之则有利于等轴晶区的形成和扩展。44许多金属材料在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜等在固态下无论温度的高低，均为面心立方晶格，而钨、钼、钒等则为体心立方晶格。但有些金属在固态下，会随着外界条件（如温度
32、、压力等）的变化而转变成不同类型的晶体结构，称为同素异构转变，常见的金属有铁、钛、钴等。2.1.3 同素异构转变如图2-22所示为纯铁在结晶时的冷却曲线。液态纯铁在1 538结晶后得到体心立方晶格的-Fe，在1 394时转变为面心立方晶格的-Fe，冷却到912时又转变为体心立方晶格的-Fe。同一种金属不同晶体结构的晶体称为该金属的同素异构体。图2-22 纯铁的冷却曲线45金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。它遵循着形核与长大的基本规律，由于是在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度。同时晶型的转变会引起体积的变化，产生组织应力。纯铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行
33、热处理的内因和依据，也是钢铁材料性能多种多样、用途广泛的主要原因之一。46纯金属强度低，工程上应用的金属材料绝大多数是合金，它具有比纯金属更高的综合力学性能和某些特殊的物理化学性能。将一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼、烧结等方法形成的具有金属性质的物质称为合金。例如，碳钢和铸铁主要是由铁和碳所组成的合金，黄铜是由铜和锌所组成的合金。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。一般组元可以是组成合金的元素，也可以是稳定化合物。合金中有几种组元便称为几元合金，如碳素钢是二元合金，铅黄铜是三元合金。合金的结构2.247合金中的各个元素相互作用，可形成一种或几种相。所谓相是指合金中晶
34、体结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。而显微组织是指用金相观察等方法，所观察到的金属及合金内部涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的微观构造。合金的性能取决于成分、相、组织，以及合金的结构。根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类型。48合金在固态下，组元间会相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂，其他组元为溶质。2.2.1 固溶体1固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格所占位置的不同，可将固溶体区分为置换固溶体和间隙固溶体。491）置换固溶体置换固溶体
35、是指溶质原子代替部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置所形成的固溶体，如图2-23（a）所示。在合金中，如锰、铬、硅、镍、钼等元素都能与铁形成置换固溶体。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的最高含量（溶解度）主要取决于两者的晶格类型、原子尺寸的差别和它们在周期表中的相互位置。一般来讲，晶格类型相同、原子尺寸差别越小，在周期表中位置越靠近，则溶解度越大，甚至在任何比例下均能互溶形成无限固溶体。例如，镍和铜都是面心立方晶格，铜的原子直径为2.5510-10m，镍的原子直径为2.4910-10m，是处于同一周期并且是相邻的两元素，可以形成无限固溶体；反之，若溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种
36、固溶体则称为有限固溶体。（a）置换固溶体图2-23 固溶体晶体结构示意图502）间隙固溶体若溶质原子在溶剂晶格中不占据晶格结点位置，而是嵌入各结点的间隙中，这种固溶体称为间隙固溶体，如图2-23（b）所示。由于晶格的间隙通常很小，所以一般都是由原子半径较小的非金属元素（如碳、氮、氢、硼、氧等）溶入过渡族金属中，形成间隙固溶体。例如，钢中的奥氏体就是碳原子固溶到-Fe晶格的间隙中形成的固溶体。（b）间隙固溶体图2-23 固溶体晶体结构示意图51注 意由于溶剂晶格的空隙有限，并且溶入的溶质原子越多，所引起的畸变越大，而使溶质原子的溶入受到阻碍，所以间隙固溶体的溶解度都有一定的限度，也就是说，间隙固
37、溶体都是有限固溶体。522固溶体的性能由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，金属的强度、硬度升高，这种现象称为固溶强化，它是强化金属的重要途径之一。试验证明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料强度和硬度的同时，保持较好的塑性和韧性。53合金中溶质含量超过固溶体的溶解度后，将出现新相。这个新相可能是以另一组元为溶剂的另一种固溶体，也可能是一种晶格类型和性能完全不同于任何一合金组元的化合物。这种化合物除离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用，使这种化合物具有一定程度的金属性质，故称为金属化合物或中间相。2.2.2 金属化合物金属化合物熔点高，但硬而脆。合
38、金中金属化合物的形态、数量、大小及分布对合金性能有不同影响。金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上可使合金的强度、硬度和耐磨性进一步提高（即第二相弥散强化），但会降低塑性和韧性。若以网状或大块条状分布，则会严重降低合金的各种力学性能。通过热处理和锻造可以改变金属化合物在合金中的分布状况，以满足不同的性能要求。根据形成条件及结构条件的不同，金属化合物主要分为以下几类。541正常价化合物严格遵守化合价规律的化合物称为正常价化合物。它们是由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。例如，大多数的金属和族、族、族元素生成的诸如Mg2Si，Mg2Sn，Cu2Se
39、，ZnS，AlP和-SiC等，都是正常价化合物，其特点是硬度高、脆性大。552电子化合物电子化合物是由B族或过渡族元素与族、族、族、族元素所形成的金属化合物。这类化合物的特点是，不遵守化合价规则，但满足一定的电子浓度（化合物中价电子数与原子数之比）。一定的电子浓度对应一定的晶体结构，如表2-3所示。这类化合物虽然可用化学式表示，但它们的成分可在一定范围内变化。电子化合物主要是以金属键结合的，具有明显的金属特性，熔点和硬度较高，但塑性较差，在许多有色金属中是重要的强化相。表2-3 Cu-Zn合金和Cu-Al合金中电子化合物及其结构类型563间隙化合物由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小
40、的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，可将间隙化合物分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如具有面心立方晶格的TiC，VC（见图2-24（a），体心立方晶格的TiN，ZrN，密排六方晶格的Fe2N，Cr2N，W2C等。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度（见表2-4），且非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、热硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金的重要组成相。57表2-4 钢中常见
41、碳化物的硬度及熔点（a）VC 图2-24 间隙化合物的晶体结构58当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，可形成具有复杂结构的间隙化合物，钢中的Fe3C，Cr23C6，Fe4W2C等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，具有复杂的斜方晶格，如图2-24（b）所示。其中，铁原子可以部分被锰、铬、钨、钼等原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如（Fe，Mn）3C，（Fe，Cr）3C等。复杂结构的间隙化合物也具有较高的熔点和硬度，但比间隙相略低些，在钢中也起强化相的作用。（b）Fe3C图2-24 间隙化合物的晶体结构59相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系
42、的一种简明示图，又称平衡图或状态图。所谓平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。合金在极其缓慢的冷却条件下的结晶过程，一般可被认为是平衡的结晶过程。二元合金相图的建立一般是通过热分析法、热膨胀法、电阻法及X射线结构分析法等试验方法进行测绘的，其中最常用的是热分析法。二元合金相图2.360在常压下，二元合金的相状态取决于温度和成分，因此可用温度成分坐标系的平面图来表示。多数合金的相图较为复杂，但一般都是由几种简单相图组成的，下面主要介绍几种基本的二元相图。2.3.1 二元合金相图的基本类型1匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为匀
43、晶相图，具有这类相图的合金系有Cu-Ni，Cu-Au，Au-Ag，Fe-Ni和W-Mo等。611）相图及结晶过程分析如图2-25所示为匀晶相图的一般形式。图中a321b线为液相线，该线以上合金处于液相；线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线分别表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点（或加热熔化时的终点和始点）。为固相，是A和B组成的无限固溶体。3 2 1ab 图2-25 匀晶相图合金的结晶过程62设任一成分为K的合金，其成分垂线 与液相线、固相线分别交于1，两点。合金温度处于1点以上时，为液相L。缓慢冷却到1 点温度之间时，合金发生匀晶反应：，即从液相中逐渐结晶出固溶体。冷却到
44、 点温度时，合金结晶完毕，全部转变为相。从 点温度至室温之间为相的均匀冷却过程，室温下得到的组织全部为固溶体。KK3L33363在1 点温度区间，合金处于两相共存区，液相和固相的成分也将通过原子扩散不断变化。液相成分沿液相线变化（即 ），固相成分沿固相线变化（即 ）。某一温度时液相和固相成分的确定，可通过该温度点作一平行于成分坐标轴的水平线，分别与液、固相线相交，与液相线交点所对应的成分为此温度下液相的成分，与固相线的交点所对应的成分则为固相成分。31313642）杠杆定律在两相区结晶过程中，两相的成分和相对量都在不断变化。杠杆定律就是确定状态图中两相区内平衡相的成分和相对量的重要工具。如图2
45、-26（a）所示，设B含量为的K合金，在某温度Tx时，液相的质量百分数为QL，固相的质量百分数为Q。已知液相中B含量为L，固相中B含量为，可得方程L1QQLLQQ解方程，得LLX KQX XLLKXQX XLQKXQX K65由此得出结论，某合金两相的质量比等于这两相成分点到合金成分点距离的反比。这与力学中的杠杆定律非常相似，如图2-26（b）所示，因此也称之为杠杆定律。（a）（b）图2-26 杠杆定理的证明和力学比喻66提 示杠杆定律不仅适用于液、固两相区，也适用于其他类型的二元合金的两相区。值得注意的是，杠杆定律只适用于两相区，并且只能在平衡状态下使用。673）枝晶偏析在平衡条件下结晶时，
46、由于冷速缓慢，原子可充分进行扩散，能够得到成分均匀的固溶体。但在实际生产条件下，由于冷速较快（不平衡结晶），从液体中先后结晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于固溶体一般都以树枝状方式结晶，先结晶的树枝晶轴含高熔点的组元较多；后结晶的晶枝间含低熔点组元较多，因此晶内偏析又称为枝晶偏析。68读一读枝晶偏析严重影响合金的力学性能（尤其是塑性和韧性）和耐腐蚀性，故应设法消除。生产上通常采用均匀化退火（又称扩散退火）消除枝晶偏析，即将铸件加热到固相线以下100200的温度，保温较长的时间，然后缓慢冷却，使原子充分扩散，从而达到成分均匀的目的。692共晶相图两组
47、元在液态无限互溶，在固态有限溶解（或不溶），并在结晶时发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。具有这类相图的合金系有Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Al，Al-Si，Ag-Cu和Zn-Sn等。701）相图分析如图2-27所示为Pb-Sn合金相图。a，b分别表示Pb和Sn的熔点，adb线为液相线，acdeb为固相线。L，是该合金系的三个基本相。相是以Pb为溶剂、Sn为溶质所形成的有限固溶体，相是以Sn为溶剂、Pb为溶质所形成的有限固溶体。相图中的三个单相区即L，三个两相区是 L，L ，。还有一个三相区L （水平线cde）。图2-27 Pb-Sn合金相图71cde线为三相平衡线（共晶线）。在该温度
48、（共晶温度）下发生共晶反应：，即d点成分的液相Ld同时结晶出两种成分和结构不同的固相c 和e。其产物c+e是两个固相的机械混合物，称之为共晶体或共晶组织。共晶体的组织特征是两相交替分布，细小分散。Ldce 恒温所有成分在c点和e点之间的合金，当冷却到共晶温度时，将发生共晶反应。d点称为共晶点，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金。成分在cd间的合金称为亚共晶合金，在de间的合金称为过共晶合金。72cf线为Sn在Pb中的溶解度线，温度降低，固溶体的溶解度下降，Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时，从固态相中析出相，以降低相中Sn含量，这种由固相中析出的固相称为次生相或二次相，记为（直接从液相中
49、生成的固相称为初生相或一次相）。eg线为Pb在Sn中的溶解度线，Sn含量小于g点的合金，冷却过程将从 相中析出 。732）典型合金的结晶过程（1）合金合金的平衡结晶过程如图2-28所示。液态合金冷却至1点温度后，发生匀晶结晶过程。至2点温度时，合金完全结晶成固溶体，其后的冷却过程中（23点的温度），相不变。从3点温度开始，由于Sn在中的溶解度沿cf 线降低，从 相中析出。到室温时，相中Sn含量逐渐变为f 点。最后合金得到的组织为+。其组成相是f 点成分的相和g点成分的相。运用杠杆定律，两相的质量分数为图2-28 合金的结晶过程11100%100%x gfgfxfg合金室温组织由和组成，即组织组
50、成物。组织组成物是指合金组织中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物为单相或两相混合物。合金的室温组织组成物和皆为单相，所以它的组织组成物的相对质量和相组成物的相对质量相等。74（2）合金合金为共晶合金，其平衡结晶过程如图2-29所示。液态金属冷至共晶温度时发生共晶反应：，经一段时间后，全部转变为共晶体c+e。继续冷却时，共晶体中的相沿cf 线析出，相沿eg 线析出。由于和都相应地同和连在一起，共晶体的基本形态不发生变化。合金的室温组织全部为共晶体（见图2-30），即只含有一种组织组成物（共晶体），而其组成相仍为相和相。Ldce 恒温 图2-29 合金的结晶过程 图2-30
