金属学及热处理基础知识.docx

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金属学及热处理基础知识

第一章金属学及热处理基础知识

一、金属的基本结构

金属材料的化学成分不同，其性能也不同。

但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。

金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。

1、金属的原子结构及原子的结合方式

（1）金属原子的结构特点

最外层的电子数很少，一般为1～2个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。

因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。

当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。

因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。

强度高。

由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。

（2）金属键

处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。

这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。

贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。

（3）结合力与结合能

固态金属中两原子之间的相互作用力包括：

正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。

结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d0时，其结合能最低，原子最稳定。

任何对d0的偏离，都会使原子的势能增加，从而使原子处于不稳定状态，原子就力图回到低能状态，即恢复到平衡距离的倾向，这里的EAB成为原子间的结合能或键能。

2、金属的晶体结构

（1）晶体的特性

a、晶体具有一定的熔点。

b、晶体具有各向异性，在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。

（2）晶格和晶胞

晶格：

将构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称之为阵点或结点，这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各个阵点的周围环境都相同，用平行的直线将这些阵点连接起来，构成一个三维的空间格架，这种用于描述晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架成为空间点阵，简称点阵或晶格。

晶胞：

用来分析晶体中原子排列的规律性而在晶格中选取的能够完全反映晶格特征的最小的几何单元成为晶胞。

（3）3种典型的金属晶体结构

a、基本概念

原子数：

一个晶胞中含有的原子数目。

配位数：

晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。

致密度：

原子所占体积与晶胞体积之比，用于表示原子排列的紧密程度。

b、3种典型的金属晶体结构（图1－1）

1体心立方晶格

原子半径r＝

；原子数N＝2；配位数为8；致密度K＝0.68

2面心立方晶格

原子半径r＝

；原子数N＝4；配位数为12；致密度K＝0.74

3密排六方晶格

原子半径r＝

；原子数N＝6；配位数为12；致密度K＝0.74

（a）体心立方（b）面心立方（c）密排六方

图1－1典型的晶体结构

（4）晶向指数和晶面指数

在晶体中，由一系列原子所组成的平面成为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向成为晶向。

a、晶向指数的确定步骤

1以晶胞的三个棱边为坐标轴X、Y、Z，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位；

2从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向；

3在所引有向直线上任取一点，求出该点在X、Y、Z轴上的坐标值；

4将三个坐标值按比例化为最小简单整数，即得所求得晶向指数，记为[uvw]。

b、晶面指数的确定步骤

1以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距；

2以棱边长度（即晶格常数）为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距；

3取各截距的倒数，并化为最小简单整数，即为所求的晶面指数，记为（hkl）。

注：

在立方结构的晶体中

（1）当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面（hkl）时，必须满足此关系：

hu+kv+lw=0;

（2）当某一晶向与某一晶面指数垂直时，其晶向指数和晶面指数须完全相等。

3、实际金属的晶体结构

在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为以下三类：

（1）点缺陷：

其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，如空位、间隙原子等。

（2）线缺陷：

其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸很大，如位错。

（3）面缺陷：

其特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，如晶界、亚晶界等。

二、金属的结晶基本过程

金属由液态转变为固态的过程成为凝固。

由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称之为结晶。

金属结晶后所形成的组织，包括各种相的晶粒形状、大小和分布等，将极大地影响到金属的加工性能和使用性能，对于铸件来说，结晶过程就基本上决定了它的使用性能和使用寿命，因此，研究和控制金属的结晶过程，已成为提高金属机械性能和工艺性能的一个重要手段。

1金属结晶的条件

（1）过冷度：

金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度Tm（熔点）时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到Tm之下的某一温度Tn，液体金属才开始结晶，金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称之为过冷度，以△T表示，△T＝Tm－Tn。

结论：

金属结晶必须要有一定的过冷度，一般来说，过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。

金属不同，过冷度的大小不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。

当以上两因素确定后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低，故对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于这个值，结晶过程不能进行。

（2）结晶潜热：

一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。

结晶时从液相转变为固相时要放出热量，称为结晶潜热。

一般地，用冷却曲线表示结晶的过程（图1－2），冷却曲线上的第一个转折点，对应着结晶过程的开始，第二个转折点则对应着结晶过程的结束。

结论：

结晶潜热的释放和散失是影响结晶过程的一个重要因素，如果释放的结晶潜热大于向周围环境中散失的热量，温度将会回升，甚至已经发生结晶的区域会发生重熔现象。

图1－2金属结晶的冷却曲线

（3）金属结晶的微观过程

结晶过程是形核和长大的过程。

结晶时，首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后，这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。

结晶过程需要一个孕育期，当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过一定时间后才开始出现第一批晶核，结晶开始的这段停留时间称为孕育期。

（4）金属结晶的热力学条件

如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，即金属发生结晶，从而使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态。

液相金属和固相金属的自由能之差就是促进金属结晶的驱动力，即△G＝GS－GL＜0。

结论：

过冷度越大，液固两相的自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快。

（5）金属结晶的结构条件

1近程有序：

在液体中的微小范围内存在着紧密接触规律排列的原子集团，称为近程有序。

2远程有序：

在在液体中的大范围内原子是无序分布的，而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，称之为远程有序。

3相起伏：

液态金属中近程规则排列的原子集团并不是固定不动、一成不变的，而是处于不断地变化之中，由于液态金属原子的热运动很激烈，而且原子间距较大，结合较弱，所以液态金属原子在其平衡位置停留的时间很短，很容易改变自己的位置，这就使近程有序的原子集团只能维持短暂的时间即被破坏而消失，以此同时，在其它地方又会出现新的近程有序的原子集团，液态金属中的这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏或称为相起伏。

4晶胚：

根据结晶热力学条件可以判断，只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才有可能在结晶时转变成为晶核，这些相起伏就是晶核的胚芽，称为晶胚。

结论：

液态金属的一个重要特点是存在着相起伏，只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。

但是，并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核。

2晶核的形成

在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式：

一种是均匀形核，又称均质形核或自发形核；另一种是非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。

（6）均匀形核

1晶核：

在过冷液体中并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核，只有那些尺寸等于或大于某一临界尺寸的晶胚才能稳定的存在，并能自发地长大。

这种等于或大于临界尺寸地晶胚即为晶核。

2均匀形核：

在液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式即为均匀形核。

3结晶过程中系统自由能的变化为

其中，

为液固两相单位体积自由能差，

为单位面积的表面能。

4临界晶核半径：

当r=rK时，晶胚既可能消失，也可能长大成为稳定的晶核，因此把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临界晶核半径，如图1－3所示。

，

其中，

为理论结晶温度，

为熔化潜热。

图1－3临界晶核半径

5形核功

a、定义：

形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，称之为形核功，记为

，其表达式如下：

其中，

为临界晶核的表面积。

b、形核功的能量来源：

在液态金属中存在着结构起伏和能量起伏。

6形核率

a、定义：

形核率是指在单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，以N表示，单位为cm－3▪s－1。

b、影响形核率的两个因素：

一是随着过冷度的增加，晶核的临界半径和形核功都随之减小，结果使晶核易于形成，形核率增加；二是取决于原子的扩散能力，温度越高（过冷度越小），则原子的扩散能力越大，形核率越高。

二者综合作用的结果是在形核率的曲线上出现了极大值，开始时形核率随过冷度的增加而增大，当超过极大值之后，形核率又随过冷度的增加而减小，当过冷度非常大时，形核率接近于零，如图1－4所示。

图1－4形核率与温度及过冷度的关系

（7）非均匀形核

1定义：

在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，这种形核方式就是非均匀形核，或称异质形核、非自发形核。

2影响非均匀形核的形核率的因素

a、过冷度的影响

由于非均匀形核所需的形核功很小，因此，在很小的过冷条件下其形核率就很大。

另外，由于非均匀形核取决于适当的夹杂物质点的存在，因此，其形核率可能越过最大值，并在高的过冷度处中断。

b、固体杂质结构的影响

非均匀形核的形核功与接触角θ有关，θ角越小，形核功越小，形核率越高。

c、固体杂质形貌的影响

固体杂质表面的形状各种各样，其基面具有不同的形核率，在曲率半径、接触角相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同