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21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 金属学与热处理金属学与热处理 主 编 朱兴元 刘 忆 从 副主编 刘 静 马永新 游 涛 参 编 宋新莉 刘敬福 刘少平 周友苏 栗 晓 主 审 袁泽喜 从 参 编 李 磊 张 军 目 录 第 1 章 金属的结构与性能.1 1.1 金属的晶体结构.1 1.1.1 晶体的概念.1 1.1.2 金属的晶体结构.2 1.1.3 晶体结构缺陷.7 1.2 合金的晶体结构.10 1.2.1 固溶体.11 1.2.2 金属化合物.14 1.3 金属材料的性能.17 1.3.1 金属材料的力学性能.18 1.3.2 金属材料的工艺性能.26 小结.28 本章习题.29 第 2 章 金属的结晶.30 2.1 纯金属的结晶与铸锭.30 2.1.1 纯金属的结晶.30 2.1.2 铸锭组织.35 2.2 合金的结晶.37 2.2.1 二元合金相图的建立.37 2.2.2 匀晶相图.40 2.2.3 二元共晶相图.41 2.2.4 二元包晶相图.44 2.2.5 其他常用的二元合金相图 简介.46 2.3 结晶理论的应用实例.48 2.3.1 单晶制备.48 2.3.2 区域熔炼.49 2.4 二元相图的应用.49 小结.51 本章习题.51 第 3 章 铁碳合金.53 3.1 铁碳合金的组元及基本相.53 3.1.1 纯铁.53 3.1.2 碳与渗碳体.55 3.2 Fe-Fe3C 相图分析.56 3.2.1 相图中的点、线、区及其 意义.56 3.2.2 包晶转变(水平线 HJB).57 3.2.3 共晶转变(水平线 ECF).58 3.2.4 共析转变(PSK 线).58 3.2.5 Fe-Fe3C 相图中三条重要的 特征线.59 3.3 铁碳合金平衡结晶过程及组织.60 3.3.1 工业纯铁(含碳量小于 0.0218%).60 3.3.2 共析钢(含碳量为 0.77%).61 3.3.3 亚共析钢(含碳量 0.0218%0.77%).62 3.3.4 过共析钢(含碳量 为 0.77%2.11%).63 3.3.5 共晶白口铸铁(含碳量 为 4.3%).64 3.3.6 亚共晶白口铸铁(含碳量 为 2.11%4.3%).65 3.3.7 过共晶白口铸铁(含碳量 为 4.3%6.69%).66 3.4 铁碳合金的成分组织性能之间的 关系.67 3.4.1 含碳量对平衡组织的影响.67 3.4.2 含碳量对力学性能的影响.68 3.4.3 含碳量对工艺性能的影响.69 3.5 Fe-Fe3C 相图的应用.70 3.5.1 Fe-Fe3C 相图的应用.70 3.5.2 应用铁碳合金相图应注意的 问题.71 小结.71 金属学与热处理 VI VI 本章习题.72 第 4 章 金属的塑性变形与再结晶.73 4.1 单晶体的塑性变形.73 4.1.1 滑移变形.73 4.1.2 孪生变形.75 4.2 多晶体的塑性变形.76 4.3 金属的塑性变形对其组织和性能的 影响.77 4.4 回复和再结晶.79 4.4.1 回复.79 4.4.2 再结晶.79 4.4.3 晶粒长大.81 4.5 金属材料的热加工与控制.81 小结.86 本章习题.87 第 5 章 钢的热处理原理.88 5.1 钢在加热时的转变.88 5.1.1 转变温度.88 5.1.2 奥氏体的形成.89 5.1.3 影响奥氏体转变速度的 因素.90 5.1.4 奥氏体的晶粒度及 其影响因素.92 5.2 钢在冷却时的转变.93 5.2.1 过冷奥氏体的等温转变.94 5.2.2 过冷奥氏体连续冷却转变 曲线.104 5.2.3 过冷奥氏体转变曲线的 应用.106 小结.107 本章习题.107 第 6 章 钢的热处理工艺.108 6.1 钢的普通热处理.108 6.1.1 退火.108 6.1.2 正火.110 6.1.3 淬火.110 6.1.4 回火.116 6.2 钢的表面热处理.118 6.2.1 感应加热表面热处理.118 6.2.2 火焰加热表面热处理.120 6.3 钢的化学热处理.121 6.3.1 渗碳.121 6.3.2 氮化.123 6.3.3 碳氮共渗(稀土催渗).124 6.4 钢的热处理新技术.124 6.4.1 可控气氛热处理.125 6.4.2 真空热处理.125 6.4.3 离子渗扩热处理.126 6.4.4 形变热处理.127 6.4.5 表面技术.129 小结.130 本章习题.130 第 7 章 工业用钢.132 7.1 概述.132 7.1.1 钢材的分类.132 7.1.2 钢的编号.133 7.2 工业用钢中合金元素的作用.133 7.2.1 合金元素对钢组成相的 影响.134 7.2.2 合金元素对钢组织转变的 影响.135 7.3 碳素钢.136 7.3.1 碳素结构钢.136 7.3.2 碳素工具钢.138 7.4 合金结构钢.138 7.4.1 低合金高强度钢.138 7.4.2 渗碳钢.140 7.4.3 合金调质钢.141 7.4.4 弹簧钢.143 7.4.5 滚珠轴承钢.145 7.5 合金工具钢.146 7.5.1 合金刃具钢.147 7.5.2 合金模具钢.151 7.5.3 合金量具钢.152 目 录 VII VII 7.6 特殊性能钢及合金.153 7.6.1 不锈钢.153 7.6.2 耐热钢及合金.155 小结.157 本章习题.157 第 8 章 铸铁.159 8.1 概述.159 8.1.1 铸铁的特点和分类.159 8.1.2 铸铁的石墨化.161 8.2 常用铸铁.166 8.2.1 灰铸铁.166 8.2.2 球墨铸铁.171 8.2.3 蠕墨铸铁.177 8.2.4 可锻铸铁.178 8.2.5 特殊性能铸铁.179 小结.180 本章习题.181 第 9 章 有色金属及其合金.182 9.1 铝及铝合金.182 9.1.1 工业纯铝.182 9.1.2 铝的合金化及铝合金的 分类.183 9.1.3 铝合金的热处理.184 9.1.4 形变铝合金.185 9.1.5 铸造铝合金.187 9.2 铜及其合金.189 9.2.1 纯铜.190 9.2.2 铜的合金化.190 9.2.3 黄铜.190 9.2.4 青铜.193 9.2.5 白铜.195 9.2.6 选择铜合金的原则.195 9.3 镁及其合金.197 9.3.1 概述.197 9.3.2 变形镁合金.198 9.3.3 铸造镁合金.199 9.4 钛及钛合金.200 9.4.1 钛及其合金的特性.200 9.4.2 常用钛合金.202 9.5 滑动轴承合金.203 9.5.1 锡基轴承合金.204 9.5.2 铅基轴承合金.205 9.5.3 铜基轴承合金.205 9.5.4 铝-石墨复合材料.205 小结.205 本章习题.206 第 10 章 材料研究新进展.207 10.1 复合材料.207 10.1.1 复合材料的定义及 其分类.208 10.1.2 复合材料中各组元的基本 作用.209 10.1.3 复合材料的特性.210 10.1.4 复合材料的复合机理.211 10.1.5 复合材料的应用.213 10.1.6 复合材料的发展.215 10.2 功能材料.217 10.2.1 形状记忆合金.217 10.2.2 超导材料.219 10.2.3 储氢材料.223 10.2.4 非晶态合金.227 10.2.5 智能材料.230 10.2.6 梯度功能材料.232 10.3 纳米材料.234 10.3.1 纳米材料的分类.235 10.3.2 纳米材料的特性.235 10.3.3 纳米材料的应用.238 小结.239 本章习题.240 第 11 章 机械零件的失效与分析.241 11.1 机械零件的失效与分析.241 11.1.1 机械零件的失效形式.241 11.1.2 机械零件的失效原因.242 11.1.3 失效分析的一般方法.243 11.2 工程材料选择的基本原则.244 11.2.1 选材的力学性能原则.244 金属学与热处理 VIII VIII 11.2.2 选材的工艺性能原则.245 11.2.3 选料的经济性原则.246 11.3 齿轮、轴等工件的选材及 工艺路线分析.246 11.3.1 齿轮类零件.246 11.3.2 轴类零件.247 11.3.3 箱体类零件.248 11.4 工程材料的应用举例.249 11.4.1 汽车零件用材.249 11.4.2 机床零件用材.249 11.4.3 仪器仪表用材.251 小结.251 本章习题.252 参考文献.253 第 1 章 金属的结构与性能 教学提示：金属材料在性能方面所表现出的多样性、多变性和特殊性是其固有的内在因素在一定外在条件下的综合反映。化学成分，原子集合体的结构以及内部组织是决定金属材料性能的内在基本因素。一个完整的晶粒或亚晶内部，是由同类的原子或不同比例的异类原子按一定规律结合在一起的，并可用严格的几何图案来表达出来。在金属学中用“晶体结构”来概括它，简称“结构”，是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结构和组织三者既相互区别，又相互渗透，并分别在不同程度上相互制约着，它们的综合作用决定了金属材料的性能。教学要求：本章使学生掌握三种常见金属的晶体结构、实际金属中三类晶体缺陷、合金中的两类基本相；了解常见金属材料的力学性能(也称机械性能)试验方法及其应用；掌握金属材料常用力学性能指标的物理意义、以便在机器零件设计时能根据零件的技术要求合理地选用金属材料。1.1 金属的晶体结构 金属在固态下通常都是晶体。金属所表现的种种性能，同金属原子的结构、原子间结合以及金属的晶体结构密切相关。要了解金属材料内部的组织结构，首先必须了解晶体中原子的相互作用和结合方式、有关晶体学的一些基础知识、典型金属理想晶体的结构以及实际晶体中的各种晶体缺陷。1.1.1 晶体的概念 1.晶体(crystal)与非晶体(noncrystal)自然界中的物质，按其内部粒子(原子、离子、分子、原子集团)排列情况可分为两大类：晶体与非晶体。所谓晶体就是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶、食盐、金属等。由于晶体内的粒子呈规则排列，所以晶体具有下列特点：(1)一般具有规则的外形，但晶体的外形不一定都是规则的，这与晶体形成条件有关，如果条件不具备，其外形也就变得不规则。所以不能仅从外观来判断，而应从其内部粒子排列情况来确定是不是晶体。(2)有固定的熔点，例如，铁(Fe)的熔点为 1538；铜(Cu)的熔点为 1084.5；铝(Al)的熔点为 660.37。(3)具有各向异性。所谓各向异性，就是在同一晶体的不同方向上，具有不同的性能。非晶体内部粒子呈无规则的堆积，因此没有晶体的上述特点。玻璃是一种典型的非晶体，故往往将非晶体的固态物质(简称非晶态物质)称为玻璃体。金属学与热处理 2 2 晶体纯物质与非晶体纯物质在性质上的区别主要有两点：前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的熔点；前者具有各向异性，而后者却为各向同性。2.金属晶体的特性 金属一般均属晶体。但最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施，也可使固态金属呈非晶态。金属的晶体结构是指构成金属晶体中的原子(离子)具体结合与排列的情况。金属原子的特点在于它的最外层的电子数较少，大多一个或两个，最多不超过四个，金属原子易于丢失外层电子，以便达到与其相邻的前一周期的惰性元素相似的电子结构。根据近代物理和化学的观点，处于集聚状态的金属原子，全部或大部分都将它们的价电子贡献出来，作为整个原子集体所公有。这些公有化的电子也称自由电子，它们组成所谓电子云或电子气，在点阵的周期场中按量子力学规律运动着；而贡献出电子的原子，则变成正离子，它沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结合起来。这种结合叫金属键，它无饱和性和方向性的问题。金属晶体中的原子(离子)之间是靠金属键结合的。金属晶体中原子(离子)排列的规律性，可由 X 射线结构分析方法测定，结果表明，原子(离子)排列均有其周期性。金属晶体中原子排列的周期性可用其基本几何单元体“晶胞”来描述。1.1.2 金属的晶体结构 1.晶格与晶胞 晶体结构是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况，也就是晶体中的这些质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。组成晶体的物质质点不同，排列的规则不同，或者周期性不同，就可以形成各种各样的晶体结构，即实际存在的晶体结构可以有很多种。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小球，那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积，如图 1.1(a)所示。由图可见，原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵，简称点阵(lattice)。为方便起见，人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格(unit lattice)，如图 1.1(b)所示。(a)原子堆垛模型(b)晶格(c)晶胞 图 1.1 晶体中原子排列示意图 第 1 章 金属的结构与性能 3 3 由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点，因此，为了简便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞(unit lattice cell)，如图 1.1(c)所示。整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度 a、b、c 及棱间夹角、来表示，如图 1.2 所示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱边作三个坐标轴 x、y、z，称为晶轴。晶胞的棱边长度，称为晶格常数(lattice constant)或点阵常数，晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上，以原点 O 的前、右、上方为轴的正方向(反之为负方向)。图 1.2 晶轴及晶胞的六个参数 2.纯金属的典型晶体结构 金属晶体中原子在空间规则排列的方式称为金属的晶体结构。金属原子间的结合键为金属键，由于金属键的无方向性和不饱和性，使金属原子(离子)趋于作高度对称的、紧密的和简单的排列。自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，但若根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析，则发现空间点阵只有 14 种类型，进一步根据晶体的对称程度高低和对称特点，1855 年，法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有 14 种(见图 1.3)，并归纳为七个晶系，见表 1-1。表 1-1 晶系及其点阵特征 序 号 晶 系 空间点阵特征 晶体例证 1 三斜晶系 a b c，90 K2CrO7 2 单斜晶系 a b c，=90 CaSO42H2O 3 正交晶系(斜方晶系)a b c，=90 Fe3C 4 六方晶系 a=b c，=90，=120 Zn、Mg、Ni 5 菱方晶系(三角晶系)a=b=c，=90 Sb、Bi、As 6 正方晶系(四方晶系)a=b c，=90 TiO2、-Sn 7 立方晶系 a=b=c，=90 Fe、Cu、NaCl 金属学与热处理 4 4 (a)简单三斜 (b)简单单斜 (c)底心单斜 (d)简单正交 (e)底心正交 (f)体心正交 (g)面心正交 (h)简单六方 (i)简单菱方 (j)简单正方 (k)体心正方 (l)简单立方 (m)体心立方 (n)面心立方 图 1.3 14 种平移点阵的单胞 由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数金属具有面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型的晶体结构。(1)体心立方晶格(bodycentered cubic lattice)：体心立方晶体的晶胞如图 1.4 所示。其晶胞是一个立方体，晶格常数 abc，晶轴间夹角 90，所以通常只用一个晶格常数 a 表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原子为相邻八个晶胞所共有，故每个晶胞只占 1/8，只有立方体中心的那个原子才完全属于该晶胞所独有，所以实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为：81/8+1=2 个。具有体心立方晶体结构的金属有-Fe、W、Mo、V、-Ti 等。第 1 章 金属的结构与性能 5 5 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.4 体心立方晶胞(2)面心立方晶胞(facecentered cubic lattice)：面心立方晶体的晶胞如图 1.5 所示。其晶胞也是一个立方体，晶格常数 abc，晶轴间夹角 90，所以也只用一个晶格常数 a 表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面心立方晶胞所包含的原子数为：81/8+61/2=4 个。具有面心立方晶体结构的金属有-Fe、A1、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、-Co 等。(a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.5 面心立方晶胞(3)密排六方晶胞(closepacked lattice hexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图 1.6 所示。它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此，需要用两个晶格常数表示，一个是正六边形的边长 a，另一个是柱体的高 c。在密排六方晶胞的每个角上和上、下底面的中心都有一个原子，另外在中间还有三个原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原子数为：61/62+21/2+3=6 个。(a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.6 密排六方晶胞 金属学与热处理 6 6 具有密排六方晶体结构的金属有 Mg、Zn、Be、Cd、-Ti、-Co 等。密排六方晶体结构，因其体内三个原子和其他原子的环境是不同的，故不能同时作为阵点，而是分别与另一个原子一起构成一个阵点，所以密排六方晶体结构属于简单六方点阵。3.晶面和晶向的表示方法 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意(两个原子之间连线)一列原子所指的方向称为晶向。为了分析的方便，通常用一些晶体学指数来表示晶面和晶向，分别称为晶面指数和晶向指数，其确定方法如下。1)晶面指数(indices of crystal faces)晶面指数的确定步骤如下：选取三个晶轴为坐标系的轴，各轴分别以相应的点阵常数为量度单位，其正负关系同一般常例；从欲确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出它在三个坐标轴上的截距；取各截距的倒数，按比例化为简单整数 h、k、l，而后用括号括起来成(h k l)，即为所求晶面的指数。当某晶面与一晶轴平行时，它在这个轴上的截距可看成是，则相应的指数为 0。当截距为负值时，在相应的指数上边加以负号。图 1.7 所示是立方系的几个晶面和它们的指数。图 1.7 立方系的几个晶面和它们的指数 由于对称关系，晶体中等同的晶面，即原子或分子排列相同的晶面，往往不只一组，例如立方系中和(1 1 1)面等同的还有三组，即(111)、(111)、(111)等。这四组合称一个晶面族或晶面系，取其中之一的指数，用大括号括上而成1 1 1来表示这个晶面族。推而广之，则可用h k l来泛指各晶面族。2)晶向指数(orientation index)晶向指数的确定步骤如下：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；通过坐标原点作一与所求晶向平行的另一晶向；第 1 章 金属的结构与性能 7 7 求出这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标标轴上的分量(即求出任一质点的坐标数)；将此数按比例化为简单整数 u、v、w，而后用方括号括起来成u v w，即得所求的晶向指数。如坐标数为负值，即在相应指数上边加负号，例如uvw。图 1.8 所示为立方晶胞中的主要晶向。与晶面相似，晶体中的相似晶向，即线周期等同的晶向，也是成族出现的，称之为晶向族，以来表示。晶体中一系列晶面可相交于一条直线或几条相平行的线，这些晶面合称一个晶带，这些直线所代表的晶向称晶带轴。晶带轴u v w与其所属晶面h k l之间各指数满足式(1-1)：0hukvlw+=(1-1)在立方晶系中，晶面指数与晶向指数在数值上完全相同或成比例时，它们是互相垂直的，例如1 1 1(1 1 1)，如图 1.9 所示。图 1.8 立方晶胞中的主要晶向 图 1.9 晶面与晶向互相垂直 1.1.3 晶体结构缺陷 在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，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，金属学中将这种原子组合的不规则性，统称之为结构缺陷，或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。1.点缺陷(point defect)点缺陷的特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距，晶体中的点缺陷主要指空位、间隙原子和置换原子，如图 1.10 所示。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到了点阵间隙中。在任何温度下，金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间断地进行着热振动。原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的振动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些；而另一些原子的能量可能低些，振幅就要小些。对一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间能量反而可能低些，这种现象称为能量起伏。根据统计规律，在某一温度下的某一瞬间，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置迁金属学与热处理 8 8 移到别处，其结果，即在原位置上出现了空结点，这就是空位(vacancy)。显然，这种脱位的原子越多，空位也就越多。脱位原子的去处大致有三：一是跑到晶体表面去，这样所产生的空位称肖脱基(Schottky)空位；二是跑到点阵间隙中，所产生的空位称弗兰克空位；三是跑到其他空位中，这当然不会增加新空位，但可使空位变换位置。图 1.10 晶体中的各种点缺陷 1大的置换原子 2肖脱基空位 3异类间隙原子 4复合空位 5弗兰克空位 6小的置换原子 产生空位后，其邻近原子由于失去了平衡，都会向着空位作一定程度的松弛，从而在其周围出现一个波及到一定范围的畸变区，或弹性应变区。所以每个空位周围都会产生一个应力场，它与小的代位原子周围出现的应力场相似，只是程度要大。同样，间隙原子周围也会出现一个与间隙式溶质原子或大的代位溶质原子相似的应力场，但程度要大得多，特别是在密集结构中。总之，无论哪一种点缺陷(空位、间隙原子或其他)的出现，都会引起晶体能量的升高，这当然会增加晶体的不稳定性。但另一方面，它们的出现会引起晶体熵值的显著增大，而熵值越大晶体应该越稳定。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的空位或间隙原子在每一温度都有一个相应的平衡浓度。温度越高其平衡浓度也将越大。通过由高温激冷、冷加工、高能粒子轰击以及氧化等方法，可使它们的浓度显著高于平衡浓度，即达到过饱和程度。过饱和的空位，当温度允许时，或凝聚为空位对或空位群，或与其他缺陷相互作用而消失，或组成较稳定的复合体。2.线缺陷(linear defect)线缺陷的特征是缺陷在两个方向上的尺寸很小(与点缺陷相似)，而第三个方向上的尺寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位错(dislocation)。位错可分为刃型位错(blade dislocation)和螺型位错(spiral dislocation)。刃型位错的模型如图 1.11 所示，设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称之为刃型位错线。刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号“”表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，以符号“”表示。第 1 章 金属的结构与性能 9 9 图 1.11 刃型位错模型 螺型位错模型如图 1.12 所示。仍举简单立方晶体为例，设将晶体的前半部用刀劈开，然后沿劈开面，并以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对切变，这样，虽在晶体切变部分的上下表面各出现一个台阶 AB 和 DC，但在晶体内部大部分原子仍相吻合，就像未切变时一样，只是沿 BC 附近，出现了一个约相当于几个原子宽的切变和未切变之间的过渡区。在这个过渡区域内，原子正常位置都发生了错动，它表示切变面左右两边相邻的两层晶面中原子的相对位置。可以看出，沿 BC 线左边有三列原子是左右错开的，在这个错开区，若环绕其中心线，由 B 按顺时针方向沿各原子逐一走去，最后将达到 C，这就犹如沿一个右螺旋螺纹旋转前进一样，所以这样的一个宽仅几个原子间距，长则穿透晶体上下表面的线性缺陷，叫右螺型位错。若在图 1.12 中，使晶体左右两半沿劈开面上下切变的方向相反，或者劈开面在晶体的后半部，其结果完全相似，只是交界区中原子按左螺旋排列，这样一种位错称左螺型位错。(a)立体图 (b)沿 ABCD 面上下两面上原子的相对位置 图 1.12 螺型位错模型 3.面缺陷(plane defect)面缺陷的特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小(同点缺陷)，而其余两个方向上的尺寸则很大，晶体的外表面及各种内界面一般晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等属于这一类。1)晶体表面 金属或合金的晶体表面是指其与真空或各种外部介质，如空气、氢气、氮气等相接触金属学与热处理 10 10 的界面。处于这种界面上的原子受内部自身原子的作用力和受外部介质分子(或原子)的作用力显然是不相平衡的，若外部为真空，则更不平衡。这样，表面原子就会偏离正常的平衡位置，并牵连到邻近的几层原子，这就造成表层的畸变，它们的能量比内部原子高，将它们高出的能量合起来，平均在单位表面积上的超额能量称为比表面能，或简称表面能，它与表面张力同数值、同量纲。表面能既随接触介质的不同而变，也随裸露出的晶面不同而异。此外，表面能还和表面曲率有关，曲率越大表面能也越大。2)同种晶粒间的界面晶界(crystal boundary)纯金属或单相合金的组织是由同成分、同结构的许多晶粒组成的。各晶粒之间由于相对取向(即各晶轴在空间的方位)不同而出现了接触界面，一般称为晶界。相邻晶粒的位向差小于 10的晶界称为小角度晶界，相邻晶粒的位向差大于 10的晶界称为大角度晶界。晶粒的位向差不同，则其晶界的结构和性质也不同。现已查明，小角度晶界基本上由位错构成，大角度晶界的结构却十分复杂，目前还不十分清楚，而多晶体金属材料中的晶界大部分属于大角度晶界。3)异种晶粒间的界面相界面(phase interface)具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界面。相界的结构有三类，即共格界面、半共格界面和非共格界面。所谓共格界面是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。界面上原子的排列规律既符合这个相晶粒内原子排列的规律，又符合另一个相晶粒内原子排列的规律。4)其他界面 孪晶界：它是纯金属或合金中，同成分同结构的两个晶粒之间的一种特殊界面，其特点是完全共格的，并且两晶粒内部的原子都以界面为对称面而处于镜面对称位置，这样一对晶粒称之为孪晶。晶粒内的界面。如前所述，一个晶粒内部并不是完全一致的，而是由一些取向略有差异的小块所组成的，称之为亚晶，其尺寸一般为 10-5cm10-3cm，特殊情况下为 10-6cm10-2cm，有时将 10-6cm10-4cm 的亚晶叫嵌镶块，它们之间的界面叫亚晶界，或嵌镶块界，其结构相当于小角度晶界。层错界：它与孪晶界很相似，但无对称关系，它是由于晶面的堆砌序列发生差错而产生的。4.体缺陷(body defect)体缺陷的特征是缺陷在三个方向的尺寸都较大，但不是很大，例如固溶体内的偏聚区、分布极弥散的第二相超显微微粒以及一些超显微空洞等。当体缺陷较大时，即可归属于面缺陷来讨论。1.2 合金的晶体结构 由于纯金属性能上的局限性，实际使用的金属材料绝大多数是合金。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称为合金。组成合金最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般说来，组元就是组成第 1 章 金属的结构与性能 11 11 合金的元素，也可以是稳定的化合物。当不同的组元经熔炼或烧结组成合金时，这些组元间由于物理的或化学的相互作用，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界面相互分开的组成部分。由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同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，虽然相的种类极为繁多，但根据相的晶体结构特点可以将其分为固溶体和金属化合物两大类。如果在合金相中，组成合金的异类原子能够以不同比例均匀混合，相互作用，其晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种合金相就叫做固溶体。如果在合金相中，组成合金的异类原子有固定的比例，而且晶体结构与组成组元均不相同，则这种合金相叫做化合物或中间相。1.2.1 固溶体 所谓固溶体是指合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体，这种组元称为溶剂，其他的组元即为溶质。固溶体成分可以在一定范围内变化，在相图上表现为一个区域。固溶体在结构上的特点是必须保持溶剂组元的点阵类型。所以如果溶剂是金属，那么这一类相的结构类型应和纯金属的结构类型完全一致，纯金属结构有哪些类型，固溶体也应有哪些类型，即固溶体本身没有独立的点阵类型。但应指出，尽管结构类型不变，但具体结构还是有所变化的。例如，当组元的原子尺寸不同时会引起的点阵畸变，原子尺寸相差越大，引起的畸变也越大。除一些特殊用途的材料外，工业合金绝大部分都是以固溶体作为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成。例如：产量很大、用途很广的普通碳钢和低合金钢，其组织中固溶体的含量至少在 85%以上，甚至可多达 98%以上；黄铜中，除了杂质外，几乎 100%是固溶体，由此可见对固溶体的研究具有很重要的实际意义。1.固溶体的分类 1)按溶剂分类(1)一次固溶体：以纯金属组元作为溶剂的固溶体称为一次固溶体，也叫边际固溶体。若不加说明，通常所说的固溶体即指这一类而言。如上节所述，这类固溶体的结构类型必须与其纯金属组元之一的结构相同。(2)二次固溶体：以化合物为溶剂的固溶体称二次固溶体，或叫中间固溶体。许多金属化合物虽可用分子式来表达，但它们的化学成分仍可以在一定范围内变化，特别是金属性较强的化合物，如电子化合物、间隙相、拉弗斯相等，它们的成分变化范围很大，而且有的甚至按分子式的成分根本不能独立存在，如 CuAl2。所有这些情况，都是由于化合物能够溶解它自己的组元而组成固溶体的缘故。这在许多合金系中是普遍存在的现象。另外，有的化合物和化合物之间，也可以相互溶解而组成固溶体，如 Fe3C 和 Mn3C，TiC和 TiN 等。2)按固溶度(溶解度)分类(1)有限固溶体：在一定条件下，溶质组元在固溶体内的浓度只能在一个有限度的范围内变化，超过这个限度后即不能再溶解了，这个限度叫固溶极限，也叫固溶度或溶解度，金属学与热处理 12 12 超过这个限度，就会有其他合金相(另一种固溶体或化合物)形成。它在相图中的位置靠近两端的纯组元，这种具有固溶极限的固溶体就叫有限固溶体，也称为端际固溶体。大部分固溶体(包括一次和二次)都属于这一类。(2)无限固溶体：当固溶体的固溶度达到 100%时，即溶质能以任何比例溶入溶剂时，就叫无限固溶体或连续固溶体。晶格类型相同是组元间形成无限固溶体的必要条件，因为只有晶格类型相同，溶质原子才有可能连续不断地置换溶剂晶格中的原子，直到溶剂晶格中的原子几乎完全被溶质原子所置换为止(见图 l.13)。事实上，这时很难区分溶剂与溶质，两者可以互换，但通常以浓度大于 50%的组元为溶剂。Cu-Ni 系、Ag-Au 系、Cu-Au 系、Ti-Zr 系、Mg-Cd 系等可作为一次无限固溶体的例子；TiC-ZrC、TiC-VC、TiC-NbC、VC-NbC、ZrC-NbC 以及 TiC-TiN 等可作为二次无限固溶体的例子。图 1.13 形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图 3)按溶质原子在晶体点阵中所占的位置分类(1)代位固溶体：溶质原子在晶体中占据着与溶剂原子等同的点阵位置，犹如前者代换了后者的一些位置，所以叫代位固溶体，如图 1.14(a)所示。(2)间隙固溶体：溶质原子在晶体中不是占据正常的点阵位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙位置，所以叫间隙固溶体。间隙固溶体平均在每个晶胞上的原子数要比溶剂多，如图 1.14(b)所示。(a)代位固溶体 (b)间隙固溶体 图 1.14 面心立方的结构模型(3)缺位固溶体：在一些二次固溶体中发现，当化合物的组元之一溶入化合物时，另一组元的一些原子位置却形成了空位，例如，O 溶入 FeO 后，Fe 原子会出现空位，这类固溶体叫缺位固溶体。4)按溶质原子与溶剂原子的相对分布进行分类(1)无序固溶体：溶质原子统计式地或随机地分布在溶剂晶体点阵中，它或占据着与溶剂等同的一些位置，或占据着溶剂原子间的间隙，看不出有什么顺序性或规律性，这类固溶体叫无序固溶体。第 1 章 金属的结构与性能 13 13(2)有序固溶体：当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体就叫有序固溶体，既可以是代位式的有序，也可以是间隙式的有序。但应指出，有的固溶体由于有序化的结果，会引起结构类型的变化，所以有的书中将有序固溶体列入中间相。2.影响固溶度的因素 无论是纯金属之间或金属化合物之间，相互间绝对不固溶的情况实际上是不存在的，只是固溶度有大小之分。大量实践表明，随着溶质原子的溶入，往往引起合金的性能发生显著的变化，微量溶质元素的溶入有时会引起性能的很大变化，因而研究影响固溶度的因素很有实际意义。很多学者都做了大量的研究工作，发现不同元素间的原子尺寸、电负性、电子浓度和晶体结构等因素对固溶度均有明显规律性的影响。1)原子尺寸因素 由半径大小不同的异类原子组成的合金相，不仅通过配位数的变化而影响其点阵结构的类型，也因点阵规则性的改变与结构能量的增加而受到尺寸因素的控制。原子尺寸因素通常由各组元原子半径相对差表示，即BAArrrr=，式中Ar为主组元 A 的原子半径，Br为副组元 B 的原子半径。实验表明，在合金两组元的负电性相差较小而有利于形成固溶体的情况下，当15%r(两组元原子半径差别较大)时，有利于形成具有相当固溶度的间隙固溶体。相反，若两组元负电性相差较大，即使它们的原子半径差别较大，也有助于形成不同类型的化合物。不同尺寸的异类原子组合在一起，会引起点阵的畸变，即原子会偏离开其正常的点阵位置，如图 1.15 所示，即大原子周围受到压缩，原子间距缩小；小原子周围受到拉伸，原子间距增大。形成这样的状态必然引起能量的升高，这种能量称为点阵畸变能。由此可见，在固溶体中，每一个溶质原子周围，都会出现一个以其为中心并扩展到相当范围的应力场。显然，原子尺寸相差越大，畸变能也越大，应力也越大，点阵也就越不稳定，这样直到溶剂点阵不能再进一步维持时，便达到固溶度极限。在通常情况下，溶质原子的尺寸大多比溶剂点阵的空隙尺寸要大，所以间隙溶质原子周围的应力场多属压应力。(a)大溶质原子 (b)小溶质原子 图 1.15 固溶体中溶质原子所引起的点阵畸变示意图 金属学与热处理 14 14 2)负电性因素 负电性是表示元素的原子在异类原子的集合体中或分子中能够吸引电子作为自身所有的一种能力，即吸收外来电子形成负离子的倾向性。当两种组元结合时，其负电性差异可反映出它们之间的化学亲和力及形成化合物倾向的大小。显然，元素之间的负电性相差越大，越有利于形成化合物，或所形成的化合物稳定性越高。由此不难理解，当进行合金化时，如果组元之间负电性相差较大，那么就有利于形成化合物，而不利于形成固溶体，而且所形成