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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-06-17 09:59
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(diǎn)
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(diǎn)是：有規(guī)則的外形；有固定熔點(diǎn)；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(diǎn)就是原子所在的正常位置?？梢园衙績蓚€(gè)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(duì)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(gè)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(gè)立方體， 在立方體的每一個(gè)角上和立方體的中心都有一個(gè)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(gè)立方體，在立方體的每一個(gè)角上(共8個(gè)角) 和每一個(gè)面上(6個(gè)面) 的中心都有一個(gè)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(gè)六方柱體。在六方柱體的每一個(gè)角上和上下底面的中心各排列一個(gè)原子，在柱體中心還排列有三個(gè)原子。具有這種晶格形式的金屬有鎂、鋅、鈦等。
三.實(shí)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(shí)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(dǎo)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(gè)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(shí)際金屬的晶體缺陷
實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)是不完整的，這對(duì)金屬材料的性能有顯著的影響。實(shí)際晶體缺陷有三類。
(1) 空位和間隙原子
由于原子熱振動(dòng)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(yùn)動(dòng)，是金屬晶體中原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(xué)過程。例如，化學(xué)熱處理過程的進(jìn)行，就是依賴于原子的這一擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
(2) 位錯(cuò)
它是一種線性的晶體不完整性。實(shí)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(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排的類型很多，其中最簡單的一種形式為刃型位錯(cuò)，如圖1-3所示。
刃型位錯(cuò)是沿著某一個(gè)晶面插入了一個(gè)原子平面但沒有插到底而形成的位錯(cuò)。實(shí)際金屬晶體中存在大量的位錯(cuò)，一般在一平方厘米面積上含有10^8個(gè)位錯(cuò)。經(jīng)冷加工變形后位錯(cuò)數(shù)目可達(dá)到每平方厘米10^12個(gè)。由于位錯(cuò)密度增加，因而使金屬強(qiáng)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(huì)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(xué)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(xì)晶粒金屬( 由于晶界面積大) 的硬度、強(qiáng)度比粗晶粒金屬的高。
在實(shí)際金屬晶體的每一個(gè)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(duì)金屬的性能起著重要影響。亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化，可使金屬強(qiáng)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(diǎn)：1538℃。
(3) 力學(xué)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(shí)進(jìn)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(shí)，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦?gamma;-Fe， 繼續(xù)冷卻到912℃時(shí)，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(diǎn)
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(shí)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(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵优帕忻芏刃《w積大的α-Fe (體心立方) 會(huì)產(chǎn)生體積的變化。盡管這種體積變化的其絕對(duì)值不大，但當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低時(shí)會(huì)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(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)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(xué)性能和物理化學(xué)性能指標(biāo)。
(2) 組元
組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。組元一般是指組成合金的純?cè)?，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(gè)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(xué)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(gè)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(gè)相的結(jié)構(gòu)、性能、形態(tài)、分布和各相的相對(duì)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(shí)，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(jī)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(diǎn)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(dāng)溶質(zhì)原子只能以一定比例溶解于溶劑中時(shí), 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(qiáng)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(huì)使溶劑晶格發(fā)生畸變，圖1-9所示為形成固溶體時(shí)的晶格畸變。
晶格畸變對(duì)金屬性能會(huì)產(chǎn)生很大影響，是提高金屬材料力學(xué)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(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。例如，適當(dāng)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(qiáng)度和硬度，同時(shí)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(shí)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(xué)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(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性差。當(dāng)合金中存在有金屬化合物時(shí)，根據(jù)金屬化合物本身的結(jié)構(gòu)、性能及其在合金中的相對(duì)量、形狀、大小和分布特點(diǎn)，將對(duì)合金的性能產(chǎn)生不同的影響。
(3) 機(jī)械混合物
由兩種以上的固溶體或由固溶體和化合物不按一定比數(shù)混合而構(gòu)成的組織稱為機(jī)械混合物。
在機(jī)械混合物中各個(gè)相仍保持各自的晶格和性能。機(jī)械混合物的性能取決于各組成相的性能及各相的數(shù)量、形狀、大小及分布狀況。機(jī)械混合物構(gòu)成的合金比單相固溶體具有更高的強(qiáng)度和硬度，而塑性、韌性及抗腐蝕能力比單相固溶體低。
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