金屬學基礎(chǔ)知識

17/17金屬學基礎(chǔ)知識一.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

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。晶體的特點是：有規(guī)則的外形；有固定熔點；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就是原子所在的正常位置?？梢园衙績蓚€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立方體，在立方體的每一個角上和立方體的中心都有一個原子。如α-鐵、鉻、鎢、釩、鉬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立方體，在立方體的每一個角上(共8個角)和每一個面上(6個面)的中心都有一個原子。具有這種晶格形式的金屬有γ-鐵、鋁、銅、鎳等。

03密排六方晶格

密排六方晶格晶胞是一個六方柱體。在六方柱體的每一個角上和上下底面的中心各排列一個原子，在柱體中心還排列有三個原子。具有這種晶格形式的金屬有鎂、鋅、鈦等。

三.實際金屬的晶格結(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。

01單晶體與多晶體

晶體分為單晶體和多晶體。晶胞都按相同方向排列的晶體稱為單晶體。例如，單晶硅(制造半導體元件的材料)。由許多結(jié)晶方位不同的小晶體集合而成的晶體稱為多晶體，如圖1-1所示。大多數(shù)金屬材料都是多晶體結(jié)構(gòu)。

02晶粒與晶界

金屬結(jié)晶后形成外形大小不規(guī)則而內(nèi)部晶格排列方向一致的每一個微小晶體稱為晶粒。多晶體就是由許多大小不一、外形不規(guī)則的晶粒所組成。晶粒與晶粒之間的交界面稱為晶界。

03實際金屬的晶體缺陷

實際晶體結(jié)構(gòu)是不完整的，這對金屬材料的性能有顯著的影響。實際晶體缺陷有三類。

(1)空位和間隙原子

由于原子熱振動的影響，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1-2所示。

空位和間隙原子的運動，是金屬晶體中原子擴散運動的主要方式之一。它直接影響著金屬的某些性能和在金屬中發(fā)生的某些物理化學過程。例如，化學熱處理過程的進行，就是依賴于原子的這一擴散運動。

(2)位錯

它是一種線性的晶體不完整性。實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)律的錯排現(xiàn)象。這種錯排的類型很多，其中最簡單的一種形式為刃型位錯，如圖1-3所示。

刃型位錯是沿著某一個晶面插入了一個原子平面但沒有插到底而形成的位錯。實際金屬晶體中存在大量的位錯，一般在一平方厘米面積上含有10^8個位錯。經(jīng)冷加工變形后位錯數(shù)目可達到每平方厘米10^12個。由于位錯密度增加，因而使金屬強度大大提高了。

(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；細晶粒金屬(由于晶界面積大)的硬度、強度比粗晶粒金屬的高。

在實際金屬晶體的每一個晶粒內(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，對金屬的性能起著重要影響。亞結(jié)構(gòu)的細化，可使金屬強度提高。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：1538℃。

(3)力學性能：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、錳、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。

由圖可知液態(tài)純鐵在1538℃時進行結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的δ-Fe，繼續(xù)冷卻到1394℃時，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦摩?Fe，繼續(xù)冷卻到912℃時，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α-Fe。如果再繼續(xù)冷卻，晶格類型不再發(fā)生轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可用下式表示：

(3)鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特點

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，γ-Fe(面心立方)原子排列密度較大而體積較小，冷卻到912℃時，轉(zhuǎn)變?yōu)樵优帕忻芏刃《w積大的α-Fe(體心立方)會產(chǎn)生體積的變化。盡管這種體積變化的其絕對值不大，但當轉(zhuǎn)變溫度較低時會產(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)中才能對鋼和鑄鐵進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性能和物理化學性能指標。

(2)組元

組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。組元一般是指組成合金的純元素，或是穩(wěn)定的化合物，如鐵碳合金中的Fe3C。

(3)合金系

由若干個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。

(4)相

在合金系中，具有相同的物理、化學性能并與該系統(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相的結(jié)構(gòu)、性能、形態(tài)、分布和各相的相對量所決定的。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，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。

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)點的位置而形成的固溶體叫置換固溶體，如圖1-8所示。如硅、錳、鉻、鎳、鎢、鉬等能溶于鐵中形成置換固溶體。

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，當溶質(zhì)原子只能以一定比例溶解于溶劑中時,即稱之為有限固溶體。由于溶劑晶格的間隙是有限的,所以間隙固溶體只能是有限固溶體。

2)固溶強化

形成固溶體后，由于在溶劑晶格中溶入了溶質(zhì)元素，必然會使溶劑晶格發(fā)生畸變，圖1-9所示為形成固溶體時的晶格畸變。

晶格畸變對金屬性能會產(chǎn)生很大影響，是提高金屬材料力學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，使金屬材料的強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。例如，適當控制固溶體中溶質(zhì)的含量，可以使固溶體不但具有比純金屬高的強度和硬度，同時仍具有良好的塑性和韌性。固溶體還具有比純金屬更高的電阻率、更小的電阻溫度系數(shù)和線脹系數(shù)。實際使用的金屬材料，大多數(shù)是以固溶體作為合金中的基本相。

(2)化合物

由多種元素按一定原子比數(shù)結(jié)合的物質(zhì)稱為金屬化合物，它的結(jié)構(gòu)不同于組成元素的結(jié)構(gòu)。金屬化合物有一定的化學成分(一般可用分子式來表示其組成)，并具有與組成它的任一組元素完全不同的復(fù)雜晶格，而且組元原子在晶格中占據(jù)有固定的位置。

金屬化合物一般比純金屬熔點高，硬而脆，塑性、韌性差。當合金中存在有金屬化合物時，根據(jù)金屬化合物本身的結(jié)構(gòu)