热处理质量检验技术-科学网—构建全球华人科学社区

热处理质量检验技术第一章金属学基础第一节金属与合金的晶体结构金属和合金在固态时，通常都是晶体。晶体就是那种在三维空间中有规则作周期重复排列的物质，就是说，在金属和合金中，原子的排列都是有规则的，而不是杂乱无章的。一、纯金属的晶体结构(一)晶体学基础1、晶体中的空间点阵晶体结构是指晶体中的原子或离子、分子等的排列情况，也就是它们在三维空间中有规律的周期性的重复排列方式。由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也就不一样，所以就存在各种各样的晶体结构。为了便于研究，往往把构成晶体的实际质点抽象地认为是纯粹的几何点，称为阵点或点阵。把这种阵点有规则的周期性重复排列所构成的几何图形即称为空间点阵。把点阵用直线连接起来形成的空间格子称为晶格。2、晶胞因为晶格中的阵点排列具有周期性，因此，为了研究方便，常从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点排列的规律性，这个最小的几何单元就称为晶胞。3、晶向和晶面晶体中由一系列原子组成的平面叫晶面，任意两个原子之间连线所指的方向叫晶向。表示晶向和晶面的数字叫晶向指数和晶面指数。(二)纯金属的晶体结构工业中使用的金属元素中，绝大多数都具用比较简单的晶体结构，其中最常见的有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构等三种。1．体心立方晶格体心立方晶格的晶胞中三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90º，构成立方体。晶胞的八个角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子，其模型如图1-1(a)所示。具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多种。(a)体心立方晶胞(b)面心立方晶胞图1-1体心立方晶胞(a)和面心立方晶胞(b)2．面立方晶格面心立方晶格的晶胞中八个角中各有一个原子，构成立方体。在立方体的6个面的中心各有一个原子，如图1-2(b)所示。具有面心立方结构的金属有γ-Fe、β-Co、Ni、Al、Ag等。3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞在晶胞的12个顶角上各有1个原子，构成六方柱体，上、下底面的中心也各有一个原子，晶胞内还有3个原子。具有密排六方结构的金属有Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co、Cd等。二、合金的晶体结构工业上使用的金属材料大多数是合金。由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质叫合金。组成合金最基本的、独立的物质称为组元。一般说，组元就是组成合金的元素或是稳定的化合物。当不同的组元组成合金时，这些组元之间由于物理的和化学的相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中结构相同、成分和性能均一，并以相界面相互分开的组成部分。由一种固相组成的合金叫单相合金，由几种不同的相组成的合金称为多相合金。不同的相具有不同的晶体结构，合金按相的晶体特点可分为固溶体和金属化合物两大类。（一）固溶体合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种固相就叫固溶体。这一组元称为溶剂，而其他组元称为溶质。固溶体有置换固溶体和间隙固溶体两大类。1．置换固溶体置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些格点位置上所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，所以叫置换固溶体。如图1-2a所示。金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体。但由于固溶度的大小往往相差很大，所以有的溶质组元在固溶体中的浓度（固溶度）有一定的限制，这种固溶体就叫有限固溶体。有的溶质却能以任意比例溶人溶剂，其溶解度可达100％，这种固溶体称无限固溶体。2．间隙固溶体一些原子半径很小的溶质原子图1-2置换固溶体(a)和间隙固溶体(b)溶入溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入到溶剂晶格的间隙中，形成间隙固溶体，其结构如图1-2b所示。形成间隙固溶体的溶质元素，都是属于半径小于0.lnm的非金属元素，如H、O、N、C、B等，而溶剂元素都是过渡族元素。溶质原子溶人溶剂后，将使溶剂的晶格常数改变，并使晶格发生畸变。溶入的溶质原子越多，溶剂晶格畸变也越大。当溶质原子较小时，溶剂晶格畸变也较小。由于溶剂晶格中的间隙是有一定限度的，所以间隙固溶体都是有限固溶体。（二）金属化合物合金中的另一类相是金属化合物，它是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又叫中间相。其晶格类型和性能均不同于任何一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。因为在这些化合物具有一定的金属性质，所以称为金属化合物。Fe3C(碳钢中的)、CuZn(黄铜中的)、CuAl2（铝合金中的）等都是金属化合物。金属化合物的类型很多，主要有正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。三、金属的同素异构转变金属在温度、压力等改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程，称为同素异构转变。如铁在不同温度下具有α-Fe(体心立方)、γ-Fe(面心立方)、δ-Fe(体心立方)晶体结构。由同素异构转变所得到的不同晶体结构的晶体称为同素异构体。第二节纯金属及合金的结晶一、纯金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固后的固态金属一般都是晶体，所以，又将这一过程称为结晶。液相向固相的转变是一个十分复杂的相变过程。结晶后所形成的组织，如晶粒形状、大小和分布等，将大大地影响到金属的加工性能和使用性能，因此，结晶也是一个十分重要的过程。金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却至熔点Tm（理论结晶温度）时，并不开始结晶，而是需要继续冷却到Tm以下某一温度Tn，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差称为过冷度，用△T表示，△T=Tm-Tn。过冷度越大，则实际结晶温度越低。金属结晶时从液相转变为固相是放热反应过程，放出热量。而从固相变为液相则为吸热反应过程，吸收热量。前者称为结晶潜热，后者称为熔化潜热。当液态金属冷却到Tn时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上会出现平台，平台延续的时间就是结晶过程所用的时间。结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线便又继续下降。（一）纯金属的结晶过程研究发现，结晶过程是由形核与长大两个过程所组成。结晶时首先在液体中形成具有某一尺寸（临界尺寸）的晶核，然后这些晶核不断凝聚液体中的原子而长大。形核过程和长大过程紧密联系但又有所区别。当液态金属过冷至实际结晶温度时，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。结晶开始前的这一停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。依次类推，原有的晶核不断长大，同时又不断生出新的晶核。液态金属中不断形核，不断长大，液态金属也就越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属消耗完毕，结晶过程也就结束。由一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属。如果在结晶过程中，只有一个晶核形成并长大，那么就形成一块单晶体金属。（二）晶核的形成在过冷液体中形成固态晶核有两种方法，一种叫均匀形核，又称均质形核或自发形核。另一种是非均匀形核，又叫异质形核或非自发形核。当液相中各个区域出现新相晶核的几率相同，晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外来表面的影响，这种形核叫均匀形核。若新相优先在母相某些区域中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核，则称为非均匀形核。实际金属多是以非均匀形核方式进行结晶的。晶体熔化后的液态结构是长程无序的，但在短程范围内却存在着不稳定的接近于有序的原子集团，它们此消彼长，出现结构起伏或叫相起伏。当温度降到结晶温度时，这些原子集团就可能成为均匀形核的“胚芽”，称为晶胚；其原子呈晶态的规则排列，这就是晶核。（三）晶体的长大每一个单个晶粒的稳定晶核出现后，晶体马上进行长大。晶体的长大从宏观上看，是晶体的界面向液相逐步推进的过程。但从微观上看，则是依靠原子逐个由液相中扩散到晶体表面上，并按晶体点阵规律的要求，逐个占据适当的位置而与晶体稳定、牢靠地结合起来的过程。由于固-液界面的微观结构不同，因此，其接纳液相中迁移过来的原子能力也不同。（四）晶体缺陷实际金属的原子排列不可能像理想晶体那样规则和完整，它们总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。一般说来，这些偏离规则的原子数目是很少的，从整体上看，金属的结构还是接近完整的。但尽管如此，这些缺陷对晶体的强度和韧性、原子的扩散及其他对微观结构敏感的性能还是有重要影响的。根据晶体缺陷的几何形态特征，把缺陷分成三种：点缺陷：如空位、间隙原子和置换原子，这些缺陷在三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸。线缺陷：如位错，这类缺陷在两个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。面缺陷：如晶界、亚晶界，此类缺陷的特点是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大。1．点缺陷点缺陷如图l-13所示，主要有下列几种：（l）空位原子由于振动脱离原来平衡位置而迁移到别处，在原来位置上出现的空结点，叫空位。由于空位的存在，使周围的原子偏离了原来的平衡位置，就在空位周围出现一个或几个原子间距范围的弹性畸变区，称为晶格畸变。(2)间隙原子处于晶格间隙中的原子叫间隙原子。间隙原子可能是同类原子，也可以是异类原子。异类原子一般都是图1-3晶体中的点缺陷那些原子半径很小的原子，如钢中的氮、氢、碳、硼等；间隙1、6-置换原子；2、4、5-空位原子往往使晶格产生畸变。3-间隔原子（3）置换原子占据在基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。由于置换原子大小不可能与基体原子完全相同，因此，置换原子也会引起晶格畸变。2。线缺陷晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。位错是指在晶体中某处有一列或几列原子发生了有规律的错排现象，致使长度达几百至儿万个原子间距，宽约几个原子间距范围内的原子离开了平衡位置而发生有规律的错动。位错主要有刃型位错和螺型位错。3．面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中内界面包括晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。(1)晶界晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒界面，简称晶界。(2)亚晶界实际上在每个晶粒内的原子排列并不是十分整齐的，在晶粒内部可以观察到小晶块，它们彼此之间有不大的位向差，这些晶块之间的内界面就称为亚晶粒间界，简称亚晶界。（3）相界具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。二、合金的凝固（一）相图相图是表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的一种图解。通过相图可以了解各种成分的合金在不同温度下存在哪些相，各相的成分及其相对含量。二元相图是最简单的相图，对二元系合金来说，通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。建立相图的方法有实验测定法和理论计算法两种，目前用的相图大部分都是根据实验方法建立起来的。合金在结晶过程中，各个相的成分以及它们的相对含量都是在不断变化的，为了了解相的成分及其相对含量，就需要应用杠杆定律。如图1-5所示，在Cu-Ni合金相图中，液相线AaB是表示液相的成分随温度变化的平衡曲线，固相线AbB是表示固相成分随温度变化的平衡曲线。合金Ⅰ在温度t1时处于两相平衡状态，如要确定液相L和固相α的成分，可通过温度t1作一水平线arb,分别与液相和固相线交于a和b。a和b两点在成分坐标上的投影C1和Cα分别表示液、固两相的成分。设t1温度时，液、固两相的相对质量为ωL和ωα，则可通过下式求出两相的相对含量，分别为：ωL=(rb/ab)•100ωα=(ar/ab)•100％这就是杠杆定律。图1-4杠杆定律应用图解（二）固溶体合金的结晶过程1．匀晶转变两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶的二元合金相图叫匀晶相图，Cu–Ni二元合金相图就是匀晶相图，如图1-6所示。这种相图只有两根曲线，上面一条是液相线，下面一条是固相线，两条线把相图分成三个区：液相区L，固相区α及液、固两相共存区L+α。结晶时，这类合金都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称匀晶转变。从图1-5可以看出，当合金Ⅰ自高温缓慢冷却至t1时，开始从液相