第一章 金属学中的几个基本概念(3)

第一章金属学中的几个基本概念

1.1纯金属的晶体结构

1 晶体

内部的原子是按一定次序作有规律排列的物质叫晶体，如水晶、结晶盐、天然金刚石等。金属在固态下一般都是晶体。见图1-1（a）2 晶格

为便于分析和描述晶体中原子排列情况，可示意地将原子缩小看成一个小球，并用假想线条将个原子的中心连起来，这样就得到一个抽象化的空间架格。描写原子在晶体中排列方式的空间架格叫晶格。见图1-1（b）

3 晶胞

由于晶体中原子排具有周期性特点，为了简化分析，通常取晶格中一个能够反映晶格特征的最小几何单元—晶胞，来描述该晶体结构的类型和原子在空间排列的规律。必须指出，位于晶格结点上的原子不是静止不动的，而是以结点为中心作热震动，并随温度升高原子的震幅加大，另外，实际使用金属材料一般为多晶体，晶体中原子排列也不是这样规则和完整。见图1-1（c）

图1-1 晶体及晶格示意图

1.2 典型晶体结构

1 体心立方晶格

它的晶胞是正方体见图1-2，属于这种类晶格的金属有α—Fe、Cr、V、Nb、W、Mn等，约有30种，占金属元素的一半左右。

图1-2 体心立方晶胞

a 体心立方晶胞

b 晶胞中原子数（示意图）

2 面心立方晶格

面心立方晶格也是一个立方体。原子处于8个菱形顶角和正方六个面的中心。见图1-3。属于这类的金属有15个，如γ—Fe、Ni、Al、Cu等。

图1-3 面心立方晶胞

a面心立方晶胞b晶胞中原子数（示意图）

3 密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞、原子排列见图1-4。原子排列成六方柱体，

六方柱体的每个顶角均有一个原子，上下底面中心各有一个原子。六方柱体还有三个原子。如Be(铍)、Cd(镉)、Zn、Mg、α—Ti等17种。

图1-4 密排六方晶胞

a密排六方晶胞b晶胞中原子数（示意图）

1.3 钢锭结晶构造

钢液浇入钢钉模后，结晶从表面向中心扩展，最后凝结成固体，见图1-5。钢锭结晶后由三个晶区组成，即：

1表层结晶区液态钢水浇入定模时，与模壁接触的部分金属液体被迅速冷却，在较大过冷度下结晶，形成一层很薄的细晶粒表面，这就是表面细晶区。

2次表面柱状晶区表面细晶区形成后，钢锭模壁已被液态金属加热，加上表层金属结晶释放出结晶热，这样细晶区前沿液体的过度冷减小，新晶核形成困难，表层晶粒便向内部成长。次层晶粒成长时，应受到相邻晶粒的限制，只能沿散热相反方向，向内部生长，所以形成垂直于模壁的柱状晶粒层。

3中心等轴晶区钢锭心部液体散热较慢，并在各方向趋于均匀，是最后结晶的区域，晶核成长比较均匀，形成粗大的等轴晶粒。等轴

晶区组织疏松，常混一些杂质，力学性能较差。

图1-5 铸锭结晶构造示意图

a 纵向剖面b横向剖面

1—细晶粒区2—柱状晶粒区3—等轴晶粒区

1.4 同素异构转变

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格的晶体，称为同素异构体。具有同素异构转变的金属有铁、钴、鈦、锡、锰等多种晶型金属。图1-6为纯铁的冷却曲线，纯铁的同素异构转变，是铁原子重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程，一般称为重结晶。它有一定转变温度，同样遵循晶核形成和晶核长大的过程，转变也有晶体潜热的释放和过冷现象，但它液态金属结晶相比有很大不同之处。

图1-6 纯铁的冷却曲线

1.5 合金的结构

1 合金

指两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合在一起所得到的具有金属特性的物质。如碳素钢、铸铁、青铜、黄铜等。

2 组元

组成合金最基本的、独立的物质叫组元。如黄铜就是由铜、锌两个元素组成的二元合金。

3 相

合金中成分、结构及性能相同的均匀组成部分称为相。

4 组织

用金相观察方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造成情况，称为组织，也叫金相组织。

1.6 合金主要组织

1 固溶体

固溶体是溶质元子溶入溶剂晶格中所形成的均匀的固体合金。基本组元称为溶剂，溶入基本是组元称为溶质。根据溶质元子在溶剂晶格

中所处的位置不同，固溶体分为两类：

（1）间隙固溶体

间隙固溶体的特点是溶质元素分布在溶剂晶格间隙处，见图1-7（a）。如C、N、B等非金属元素溶入铁中。

（2）置换固溶体

两种元子大小相近，则形成置换固溶体，溶剂晶格上的部分元子被溶质元子置换，见图1-7（b）。如铁中加入Cr、Ni等合金元素均可形成置换固溶体。

图1-7 固溶体结构示意图

a 间隙固溶体b置换固溶体

2 金属化合物

组成合金的组元，按一定元子数量比相互化合物而成的完全不同于原组元晶格的新相，且具有金属特性的固体合金称为金属化合物。如钢中的碳化物、Fe3c、Cr7c3等。

3 机械混合物

当组成合金的组元，其数量不能完全溶解或完全化合时，则形成由两相或多相构成的组织称为机械混合物，如钢在平衡状态下就是铁

素体和渗碳体的机械混合物。

1.7 相图

图1-8是Fe—Cr合金二元相图。如图合金成分在γ区，含鉻量在10.5%以上，并快速冷却得到就是马氏体不锈钢；如果合金成分在α区得到的就是铁素体不锈钢;如果通过合金化使γ区扩大到常温或常温以下，钢冷却到常温得到的也是奥氏体组织，这就是奥氏体钢。

图1-8 Fe—Cr系二元相图

1.8 变形、回复和再结晶

1 变形

金属经过冷变形后，组织结构发生了很大变化，晶粒随着变形量的增加，沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒变成纤维状。晶粒边界模糊，晶格扭曲、元子位移。

变形后金属强度、硬度提示，塑性、韧性降低被称之为加工硬化，如钢管冷拔，冷扩都产生加工硬化。

2 回复

金属经冷变形后，如果加热250~300℃，冷加工应力可消除一部分，性能没有明显改变，塑性变形组织没有变化。

3 在结晶

如果将冷变形金属加热到350~450℃，由于元子活动能力增强，譬如钢、铁，破碎、拉长的晶粒就会变成细小，均匀的等轴晶，这就是再结晶，对普通碳钢来说；再结晶处理温度为600~700℃，对不锈钢来说应再高些。

对奥氏体不锈钢来说，如果单纯是为了软化可做再结晶处理，但最终热处理必须加热到每种钢规定的固溶热处理温度，并随后急冷，即固溶热处理。这是因为冷变形的奥氏体不锈钢，在850℃以下加热会造成碳化物析出，使钢易产生晶间腐蚀，即使加入到1000℃，某些碳化物也不会充分溶解，所以固溶处理温度多在1000℃以上。应注意的是，850~930℃的稳定化处理与上述问题不是一回事。固溶处理不仅使变形奥氏体不锈钢发生了重新再结晶，同时碳化物得到充分溶解。

1.9钢中常见的组织

1 铁素体（F）

α-Fe中溶入一种或多种元素构成的固溶体叫做铁素体，用F表示，为体心立方体晶格。如图1-9（a）、1-9（b）（是铁素体微观组织）

2 奥氏体(A)

γ-Fe中溶入碳和（或）其他元素构成的固溶体叫做奥氏体，用A 表示。见图1-10。是体心立方体晶格。

图1-9 铁素体晶胞模型图1-10 奥氏体晶胞模型

3 渗碳体(Fe3C)

渗碳体即铁碳化合物，即Fe3C,正交系晶体结构。奥氏体中的Cr7C3, Cr23C6，叫做碳化物。

4 马氏体(M)

马氏体属于低温较复杂组织，奥氏体过冷到Ms(马氏体转复点)以下发生马氏体转复。一般将马氏体定义为碳在α-Fe中过饱和固溶体。但实际非所有马氏体都是过饱和固溶体，只是转变机构符合马氏体转变特征。马氏体组织见图1-11

5 珠光体（P）

珠光体是由铁素体与渗碳体组成的机械混合物，根据转变温度不同分类珠光体、索氏体、屈氏体。珠光体组织见图1-12

图1-11 淬火、回火组织图1-12 珠光体显微组织