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金属材料热处理

第一篇金属材料与热处理

众所周知,生产中使用的材料的发展将人类生活的时代划分为石器时代（公元前10万年）,青铜器时代（公元前3000年）,铁器时代（公元前1000年）,水泥时代（公元0年）,钢时代（1800年）,硅时代（1950年）以及人工合成新材料时代（1990年）.

在所有材料当中金属材料占有较大比重,而作为金属材料主体的钢铁材料的发展在一定程度上推动着一个国家的科学技术发展.仅以日本和英国为例,二战后,1952年,日本钢产量为700万吨,而英国为1700万吨;

1962年,日本钢产量猛增到2755万吨,而英国只有2500万吨;

日本钢铁业的发展推动了其汽车工业和其他使用钢铁材料的产业的飞速发展,并使其工业地位与美国及欧洲等发达国家并驾齐驱.

金属材料包括纯金属及其合金,是由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特征（如导电性,导热性,延展性等）的重要工程材料.在十七世纪的科学革命和十八,十九世纪的工业革命时期,人们对它的认识仍是非理性的,主要停留在工匠,艺人的经验技术的水平上.为了更有效地使用金属材料,需要了解其内部的结构及影响金属材料性能的各种因素,掌握提高或改善其性能的途径.金属材料与热处理这一篇就是阐述各种金属材料的共性基础知识,从金属材料的组织结构出发,研究金属材料的结构与其外在性能的关系及如何改善和提高其自然属性和性能.

第一章金属的晶体结构和结晶

金属材料固态下通常都是晶体（金属晶体）,原子呈规则排列,这是由金属键的特征所决定的.研究金属及其合金的内部结构,即研究金属中原子的相互作用和结合方式,原子的聚集状态和分布规律,各种晶体的特点和彼此的差异,实际金属中的各种晶体缺陷,是金属材料研究的必要手段.因此在第一章我们首先学习金属的晶体结构和结晶方面的一些基础知识,为进一步学习金属材料及热处理打好基础.

1.1金属的晶体结构

1.1.1晶体与非晶体

固态物质按其内部原子（或分子）的聚集状态而分为晶体和非晶体两大类,其根本区别在于晶体中的质点（原子,离子或分子）在空间作有规则的排列,即相同的质点,在空间有周期性地重复出现,这称为长程有序排列（或远程有序排列）;

而非晶体内部的质点排列不规则,至多有些局部的所谓短程有序排列（或近程有序排列）.通常条件下液态金属凝固后原子是规则排列的,所以固态金属往往都是晶体.液体中的原子处于紧密聚集的状态,但并不存在长程的周期性排列,从物质的质点排列是否规则而言,固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体,只是其物理性质与通常意义上的液体有所不同.玻璃是典型的非晶体,故往往也将固态非晶体（即非晶态的固体）称为玻璃体.

晶体与非晶体内部结构的不同,造成两者性能上的一些重要差异.⑴冷却或熔化时晶体有一定的凝固点或熔点（即固体与液体之间转变的临界温度）.在临界温度以上为非晶

体状态的液体,临界温度以下液体转变为晶体,即晶体的固,液态转变具有突变性质,当然也就导致物理性质的突变,例如液态金属转变为固态金属,其粘度的上升幅度可以达到约20个数量级.非晶体的固态与液态之间的转变则是逐渐过渡的,没有明显的凝固点或熔点,其物理性质的变化也是逐渐过渡的.⑵晶体与非晶体另一个重要的差异是:

沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性,导热性,热膨胀性,弹性,强度以及外表面的化学性质等等）并不相同.例如,沿铜单晶体（冷却时,仅由液体中一个晶体核心长大而成的晶体称单晶体）不同方向测定有关性能的最大值与最小值之比,对弹性模量来说,可达2.86,抗拉强度则为2.70,而伸长率更达到5.5之多,这种现象就是晶体的各向异性（或异向性）.非晶体的性能不因方向而异,这称为各向同性（或等向性）.

自然界的许多晶体（例如天然金刚石,结晶盐,水晶等等）有规则的外形,这与晶体的形成条件有关,如果条件不具备,晶体也可能有不规则的外形,所以,晶体与非晶体的本质区别在于内部结构而非外形.一定条件下,晶体与非晶体可以互相转化.玻璃经高温长时间加热能形成所谓的晶态玻璃,而液态金属快速凝固（冷却速度大于106）可获得非晶态的固体金属（又称金属玻璃）.当然,随着晶态与非晶态的转变,其性能也会发生极大的改变.

1.1.2金属的晶体结构

金属的性能不仅决定于其组成原子的本性和原子间结合键的类型,也与原子的排列方式有关.换句话说,不同的金属,其原子排列方式不同而其性能有所差异;

即使同一种金属,在不同温度或压力条件下,由于其内部原子排列不同,性能也会发生很大的变化.

1.1.2.1有关金属晶体的一些基本概念

按照金属键的概念（见图1.1）,金属离子沉浸在自由运动的电子气中,呈均匀对称分布的形态,没有方向性,不存在结合的饱和性,所以完全可以将金属晶体中的原子（或离子）看作为固定的圆球.那么晶体就由这些圆球有规则地堆垛而成,即晶体中原子（或离子）在空间呈规则排列[图1.2（）].规则排列的方式即称为晶体的结构.原子堆垛模型尽管直观,但是不便于看清晶体内部的质点排列规律.为了便于研究晶体结构,假设通过原子的中心划出许多空间直线,这些直线将形成空间格架.这种假想的格架在晶体学上就叫晶格[图1.2（）].晶格的结点为原子（离子）平衡中心的位置.晶格的最小几何组成单元称为晶图1.1金属键模型示意图

胞[图1.2（）].晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体.由晶胞可以描述晶格和晶体结构,所以研究晶体结构就在于考查晶胞的基本特性.

图1.2晶体,晶格,晶胞示意图

在三维空间中,晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长,,和三条棱边之间的夹角,,等六个参数来描述.其中,,称为晶格常数.按照这六个参数组合的可能方式,或根据晶胞自身的对称性,法国晶体学家布拉维（A.Bravals）用数学方法证明了有七种简单晶胞（仅在平行六面体角顶上有阵点）和七种复合晶胞[除了角顶有阵点,在晶胞中心（称体心）,每个面的中心（称面心）,在上下底面的中心（称底心）位置还有阵点].

1.1.2.2纯金属的典型晶体结构

本世纪初,射线结构分析技术出现之后,利用它测定了金属的晶体结构.除了少数元素外,绝大多数金属皆为体心立方晶格,面心立方晶格和密排六方晶格等三种典型的,紧密的晶体结构,如图1.3,1.4,1.5所示.

在体心立方晶格（图1.3）中,金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和立方体的中心.具有这类晶格的金属有,,,和-等.

图1.3体心立方晶胞示意图

在面心立方晶格（图1.4）中,金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和六个面的中心.具有这类晶格的金属有,,,,,,和等.

图1.4面心立方晶胞示意图

在密排六方晶格（图1.5）中,金属原子分布在六方晶胞的十二个角顶上,上下底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里.这种晶胞在晶格常数和的比值为1.633时最密.具有这类晶格的金属有,,,等.

图1.5密排立方晶胞示意图

1.1.2.3金属晶体结构的一些重要概念

除了晶格类型和晶格常数以外,关于金属的晶体结构,还有以下几个重要的概念.

⑴晶格尺寸晶格尺寸是指晶胞的大小,可用晶格常数表达.对于体心立方和面心立方晶体,晶格常数,晶格尺寸的表达用一个晶格常数即可;

对于密排六方晶格,则须采用和两个晶格常数来表达.晶格常数的单位为（=）,金属的晶格常数大都为.

⑵晶胞原子数晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目.它对金属的许多性能有很大的影响.对于体心立方晶格的晶胞（如图1.3）,每个角顶上的原子在空间同时属于八个相邻的晶胞,因而属于一个晶胞的原子数为,而立方体中心的原子则完全属于这个晶胞所有.所以,体心立方结构的晶胞原子数为.同样可以算出,面心立方晶格（如图1.4）的晶胞原子数等于;

密排六方晶格（如图1.5）的晶胞原子数等于.

⑶原子半径原子半径,指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半,或晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半.它与晶格常数有一定关系,是金属原子行为的一个非常重要的参量.体心立方晶胞（如图1.3）中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径;

面心立方晶胞（如图1.4）中原子相距最近的方向是面对角线,所以原子半径;

密排六方晶胞（如图1.5）中原子相距最近的方向是上下底面的对角线,所以原子半径.可见,同一种金属原子处于不同类型的晶格时,原子半径是不一样的.为了便于进行金属之间的比较,通常以最密排晶胞的原子半径作为比较的标准.

⑷配位数金属晶格中原子排列的致密程度（即晶格中原子所占有的体积）,可以用晶格的配位数来描述.配位数为晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的图1.6三种典型晶格配位数示意图

原子数目.配位数愈大,则原子排列的致密度愈高.由图1.6（）可见,在体心立方晶格中,原子间的最近距离,距任意原子为的相邻原子数为.所以体心立方晶格的配位数是.同样,从图中可以看出,面心立方晶格和密排六方晶格的配位数都是12.由于它们是金属最致密的排列方式,所以金属的原子半径都以配位数为12的晶体的原子半径作为比较标准.

⑸致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数称为晶格的致密度或密排系数,即:

.因此:

对于体心立方晶格:

致密度

对于面心立方晶格:

对于密排六方晶格:

就是说,体心立方晶胞中原子占据了68的体积,面心立方晶胞和密排六方晶胞中原子占据了74的体积.晶胞内其余的32和26的体积为空隙.所以配位数大的面心立方晶格和密排六方晶格比配位数小的体心立方晶格的致密度大.这一点对金属的许多性能和行为有很大的影响.

1.1.3金属晶体中晶面与晶向表示法

在分析研究有关晶体的生长,变形,相变以及性能等方面的问题时,常涉及晶体中某些原子所构成的方向和平面.在晶体学中,通过晶体中原子中心的平面称为晶面;

通过原子中心的直线为原子列,其所代表的方向称为晶向.晶体结构的规律也反映在晶面和晶向上.为了便于表示各种晶向和晶面,需要确定一种统一的标号,称为晶面指数和晶向指数.国际上通用的是密勒（Miller）指数,标号方法如下:

图1.7确定晶面指数示意图

1.1.3.1立方晶系的晶面指数

确定晶面指数的步骤如下:

⑴选定晶胞中任一结点为空间坐标系的原点（待定晶面不能通过该点）如图1.7,以晶胞的三条棱边为,,轴,以晶胞的边长作为坐标轴的单位长度;

⑵求出待定晶面在三个坐标轴上的截距（如该晶面与某轴平行,则截距为）.例如,,,,,,,,1/2等.

⑶取这些截距数的倒数.例如,,等.

⑷将上述倒数化为最小的简单整数,并加上圆括号,即表示该晶面的指数,一般记为（）.例如（）,（）,（）等.如果所求晶面在坐标轴上的截距为负数,则在相应的指数上方加一负号,如（）,（）,（）等.

例1图1.7中所标出的晶面,相应的截距为1/2,1/3,2/3,求其晶面指数.

解:

根据上述步骤得三截距数的倒数为2,3,3/2,化为最小的简单整数为4,6,3,图

所以晶面的晶面指数为（463）.如图1.8为立方晶系中一些常见重要晶面的晶面指数.

1.8立方晶系常见的重要晶面的晶面指数示意图

例2作图表示立方晶系中的（）,（）,（）,（）晶面.

（）,（）,（）,（）四个晶面在三个坐标轴上的截距分别为,1/2,;

,1/2;

2/3,1/2或1/2,1/3,1/4;

-1/3,1/2.

作图如下（见图1.9）:

图（）为（120）,图（）为（）,图（）为（234）,图（）为（）,需要说明的是图（）即（）相当于原点选在点,轴为负向.

由于坐标原点选择的任意性,所有相互平行的晶面在三个坐标轴上的截距虽然不同,但它们是成比例的,其倒数也是成比例的,经简化可以得到相同的最小整数.因此,所有相互平行的晶面,其晶面指数相同,或者至多相差一负号.例如,（）,若这个面的指数都

图1.9晶面指数示意