【正文】 熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)第一章 金屬學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬和合金在固態(tài)時(shí)，通常都是晶體。晶體就是那種在三維空間中有規(guī)則作周期重復(fù)排列的物質(zhì)，就是說(shuō)，在金屬和合金中，原子的排列都是有規(guī)則的，而不是雜亂無(wú)章的。一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)(一)晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體中的空間點(diǎn)陣 晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中的原子或離子、分子等的排列情況，也就是它們?cè)谌S空間中有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。由于組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)不同，排列的規(guī)律也就不一樣，所以就存在各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)。為了便于研究，往往把構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)抽象地認(rèn)為是純粹的幾何點(diǎn)，稱為陣點(diǎn)或點(diǎn)陣。把這種陣點(diǎn)有規(guī)則的周期性重復(fù)排列所構(gòu)成的幾何圖形即稱為空間點(diǎn)陣。把點(diǎn)陣用直線連接起來(lái)形成的空間格子稱為晶格。 晶胞 因?yàn)榫Ц裰械年圏c(diǎn)排列具有周期性，因此，為了研究方便，常從晶格中選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元來(lái)分析陣點(diǎn)排列的規(guī)律性，這個(gè)最小的幾何單元就稱為晶胞。晶向和晶面 晶體中由一系列原子組成的平面叫晶面，任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向叫晶向。表示晶向和晶面的數(shù)字叫晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。(二) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)中使用的金屬元素中，絕大多數(shù)都具用比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最常見(jiàn)的有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)等三種。1． 體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞中三個(gè)棱邊長(zhǎng)度相等，三個(gè)軸間夾角均為90amp。ordm。，構(gòu)成立方體。晶胞的八個(gè)角上各有一個(gè)原子，在立方體的中心還有一個(gè)原子，其模型如圖11(a) 所示。具有體心立方晶格的金屬有αFe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多種。 (a) 體心立方晶胞 (b) 面心立方晶胞 圖11 體心立方晶胞(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個(gè)角中各有一個(gè)原子，構(gòu)成立方體。在立方體的6個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，如圖12(b) 所示。具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬有γFe、βCo、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個(gè)頂角上各有1個(gè)原子，構(gòu)成六方柱體，上、下底面的中心也各有一個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有3個(gè)原子。具有密排六方結(jié)構(gòu)的金屬有Zn、Mg、Be、αTi、αCo、Cd等。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上使用的金屬材料大多數(shù)是合金。由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)叫合金。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。一般說(shuō)，組元就是組成合金的元素或是穩(wěn)定的化合物。當(dāng)不同的組元組成合金時(shí)，這些組元之間由于物理的和化學(xué)的相互作用，形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的相。相是指合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以相界面相互分開(kāi)的組成部分。由一種固相組成的合金叫單相合金，由幾種不同的相組成的合金稱為多相合金。不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，合金按相的晶體特點(diǎn)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。（一）固溶體合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這種固相就叫固溶體。這一組元稱為溶劑，而其他組元稱為溶質(zhì)。固溶體有置換固溶體和間隙固溶體兩大類。1． 置換固溶體 置換固溶體是指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些格點(diǎn)位置上所形成的固溶體，猶如這些結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換一樣， 所以叫置換固溶體。如圖12a所示。 金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體。 但由于固溶度的大小往往相差很大，所以有的溶質(zhì)組元在固溶體中的濃度（固溶度）有一定的限制，這種固溶體就叫有限固溶體。有的溶質(zhì)卻能以任意比例溶人溶劑，其溶解度可達(dá)100％，這種固溶體稱無(wú)限固溶體。 2．間隙固溶體 一些原子半徑很小的溶質(zhì)原子 圖1 2 置換固溶體(a)和間隙固溶體(b)溶入溶劑中時(shí)，不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點(diǎn)位置，而是填入到溶劑晶格的間隙中，形成間隙固溶體，其結(jié)構(gòu)如圖12b所示。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素，如H、O、 N、C、B等，而溶劑元素都是過(guò)渡族元素。溶質(zhì)原子溶人溶劑后，將使溶劑的晶格常數(shù)改變，并使晶格發(fā)生畸變。溶入的溶質(zhì)原子越多，溶劑晶格畸變也越大。當(dāng)溶質(zhì)原子較小時(shí)，溶劑晶格畸變也較小。由于溶劑晶格中的間隙是有一定限度的，所以間隙固溶體都是有限固溶體。（二）金屬化合物合金中的另一類相是金屬化合物，它是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又叫中間相。其晶格類型和性能均不同于任何一組元，一般可以用分子式大致表示其組成。因?yàn)樵谶@些化合物具有一定的金屬性質(zhì)，所以稱為金屬化合物。Fe3C(碳鋼中的)、CuZn(黃銅中的)、CuAl2（鋁合金中的）等都是金屬化合物。金屬化合物的類型很多，主要有正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬在溫度、壓力等改變時(shí)，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如鐵在不同溫度下具有αFe(體心立方)、γFe(面心立方)、δFe(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同晶體結(jié)構(gòu)的晶體稱為同素異構(gòu)體。第二節(jié) 純金屬及合金的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。凝固后的固態(tài)金屬一般都是晶體，所以，又將這一過(guò)程稱為結(jié)晶。液相向固相的轉(zhuǎn)變是一個(gè)十分復(fù)雜的相變過(guò)程。結(jié)晶后所形成的組織，如晶粒形狀、大小和分布等，將大大地影響到金屬的加工性能和使用性能，因此，結(jié)晶也是一個(gè)十分重要的過(guò)程。 金屬在結(jié)晶之前，溫度連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻至熔點(diǎn)Tm（理論結(jié)晶溫度）時(shí)，并不開(kāi)始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm以下某一溫度Tn，液態(tài)金屬才開(kāi)始結(jié)晶。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn與理論結(jié)晶溫度Tm之差稱為過(guò)冷度，用△T表示，△T=TmTn。過(guò)冷度越大，則實(shí)際結(jié)晶溫度越低。 金屬結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗍欠艧岱磻?yīng)過(guò)程，放出熱量。而從固相變?yōu)橐合鄤t為吸熱反應(yīng)過(guò)程，吸收熱量。前者稱為結(jié)晶潛熱，后者稱為熔化潛熱。當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到Tn時(shí)，由于結(jié)晶潛熱的釋放，補(bǔ)償了散失到周圍環(huán)境的熱量，所以在冷卻曲線上會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)，平臺(tái)延續(xù)的時(shí)間就是結(jié)晶過(guò)程所用的時(shí)間。結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，結(jié)晶潛熱釋放完畢，冷卻曲線便又繼續(xù)下降。（一）純金屬的結(jié)晶過(guò)程研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶過(guò)程是由形核與長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程所組成。結(jié)晶時(shí)首先在液體中形成具有某一尺寸（臨界尺寸）的晶核，然后這些晶核不斷凝聚液體中的原子而長(zhǎng)大。形核過(guò)程和長(zhǎng)大過(guò)程緊密聯(lián)系但又有所區(qū)別。當(dāng)液態(tài)金屬過(guò)冷至實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)，晶核并未立即出生，而是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才開(kāi)始出現(xiàn)第一批晶核。結(jié)晶開(kāi)始前的這一停留時(shí)間稱為孕育期。隨著時(shí)間的推移，已形成的晶核不斷長(zhǎng)大，與此同時(shí)，液態(tài)金屬中又產(chǎn)生第二批晶核。依次類推，原有的晶核不斷長(zhǎng)大，同時(shí)又不斷生出新的晶核。液態(tài)金屬中不斷形核，不斷長(zhǎng)大，液態(tài)金屬也就越來(lái)越少，直到各個(gè)晶體相互接觸，液態(tài)金屬消耗完畢，結(jié)晶過(guò)程也就結(jié)束。由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體就是一個(gè)晶粒。由于各個(gè)晶核是隨機(jī)形成的，其位向各不相同，所以晶粒的位向也不相同，這樣就形成一塊多晶體金屬。如果在結(jié)晶過(guò)程中，只有一個(gè)晶核形成并長(zhǎng)大，那么就形成一塊單晶體金屬。（二）晶核的形成在過(guò)冷液體中形成固態(tài)晶核有兩種方法，一種叫均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核。另一種是非均勻形核，又叫異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。當(dāng)液相中各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率相同，晶核由液相中的一些原子團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外來(lái)表面的影響，這種形核叫均勻形核。若新相優(yōu)先在母相某些區(qū)域中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來(lái)表面形核，則稱為非均勻形核。實(shí)際金屬多是以非均勻形核方式進(jìn)行結(jié)晶的。 晶體熔化后的液態(tài)結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)程無(wú)序的，但在短程范圍內(nèi)卻存在著不穩(wěn)定的接近于有序的原子集團(tuán)，它們此消彼長(zhǎng)，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)起伏或叫相起伏。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度時(shí)，這些原子集團(tuán)就可能成為均勻形核的“胚芽”，稱為晶胚；其原子呈晶態(tài)的規(guī)則排列，這就是晶核。（三）晶體的長(zhǎng)大每一個(gè)單個(gè)晶粒的穩(wěn)定晶核出現(xiàn)后，晶體馬上進(jìn)行長(zhǎng)大。晶體的長(zhǎng)大從宏觀上看，是晶體的界面向液相逐步推進(jìn)的過(guò)程。但從微觀上看，則是依靠原子逐個(gè)由液相中擴(kuò)散到晶體表面上，并按晶體點(diǎn)陣規(guī)律的要求，逐個(gè)占據(jù)適當(dāng)?shù)奈恢枚c晶體穩(wěn)定、牢靠地結(jié)合起來(lái)的過(guò)程。由于固液界面的微觀結(jié)構(gòu)不同，因此，其接納液相中遷移過(guò)來(lái)的原子能力也不同。（四）晶體缺陷 實(shí)際金屬的原子排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，它們總是不可避免地存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。一般說(shuō)來(lái)，這些偏離規(guī)則的原子數(shù)目是很少的，從整體上看，金屬的結(jié)構(gòu)還是接近完整的。但盡管如此，這些缺陷對(duì)晶體的強(qiáng)度和韌性、原子的擴(kuò)散及其他對(duì)微觀結(jié)構(gòu)敏感的性能還是有重要影響的。 根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，把缺陷分成三種： 點(diǎn)缺陷：如空位、間隙原子和置換原子，這些缺陷在三個(gè)方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子尺寸。 線缺陷：如位錯(cuò)，這類缺陷在兩個(gè)方向的尺寸很小，另一個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大。 面缺陷：如晶界、亞晶界，此類缺陷的特點(diǎn)是在一個(gè)方向上的尺寸很小，另兩個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大。 1．點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷如圖l13所示，主要有下列幾種： （l）空位 原子由于振動(dòng)脫離原來(lái)平衡位置而遷移到別處， 在原來(lái)位置上出現(xiàn)的空結(jié)點(diǎn)，叫空位。由于空位的存在，使周圍的原子偏離了原來(lái)的平衡位置，就在空位周圍出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)原子間距范圍的彈性畸變區(qū)，稱為晶格畸變。(2) 間隙原子 處于晶格間隙中的原子叫間隙原子。間隙原子可能是同類原子，也可以是異類原子。異類原子一般都是 圖13 晶體中的點(diǎn)缺陷那些原子半徑很小的原子，如鋼中的氮、氫、碳、硼等；間隙 6置換原子； 5空位原子往往使晶格產(chǎn)生畸變。 3間隔原子 （3）置換原子 占據(jù)在基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換原子。由于置換原子大小不可能與基體原子完全相同，因此，置換原子也會(huì)引起晶格畸變。2。線缺陷 晶體中的線缺陷就是各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)是指在晶體中某處有一列或幾列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，致使長(zhǎng)度達(dá)幾百至兒萬(wàn)個(gè)原子間距，寬約幾個(gè)原子間距范圍內(nèi)的原子離開(kāi)了平衡位置而發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)動(dòng)。位錯(cuò)主要有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。 3．面缺陷 晶體的面缺陷包括晶體的外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面兩類，其中內(nèi)界面包括晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)和相界等。(1) 晶界 晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒界面，簡(jiǎn)稱晶界。(2) 亞晶界 實(shí)際上在每個(gè)晶粒內(nèi)的原子排列并不是十分整齊的，在晶粒內(nèi)部可以觀察到小晶塊，它們彼此之間有不大的位向差，這些晶塊之間的內(nèi)界面就稱為亞晶粒間界，簡(jiǎn)稱亞晶界。 （3）相界 具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。二、合金的凝固（一）相圖相圖是表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的一種圖解。通過(guò)相圖可以了解各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相，各相的成分及其相對(duì)含量。二元相圖是最簡(jiǎn)單的相圖，對(duì)二元系合金來(lái)說(shuō)，通常用橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。建立相圖的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)定法和理論計(jì)算法兩種，目前用的相圖大部分都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法建立起來(lái)的。合金在結(jié)晶過(guò)程中，各個(gè)相的成分以及它們的相對(duì)含量都是在不斷變化的，為了了解相的成分及其相對(duì)含量，就需要應(yīng)用杠桿定律。如圖15所示，在CuNi合金相圖中，液相線AaB是表示液相的成分隨溫度變化的平衡曲線，固相線AbB是表示固相成分隨溫度變化的平衡曲線。合金Ⅰ在溫度t1時(shí)處于兩相平衡狀態(tài)，如要確定液相L和固相α的成分，可通過(guò)溫度t1作一水平線arb,分別與液相和固相線交于a和b。a和b兩點(diǎn)在成分坐標(biāo)上的投影C1和Cα分別表示液、固兩相的成分。設(shè)t1溫度時(shí)，液、固兩相的相對(duì)質(zhì)量為ωL和ωα，則可通過(guò)下式求出兩相的相對(duì)含量，分別為： ωL=(rb/ab)amp。8226。100 ωα=(ar/ab)amp。8226。100％ 這就是杠桿定律。 圖14 杠桿定律應(yīng)用圖解（二）固溶體合金的結(jié)晶過(guò)程1．勻晶轉(zhuǎn)變 兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)也無(wú)限互溶的二元合金相圖叫勻晶相圖，Cu–Ni二元合金相圖就是勻晶相圖，如圖16所示。這種相圖只有兩根曲線，上面一條是液相線，下面一條是 固相線，兩條線把相圖分成三個(gè)區(qū)：液相區(qū)L，固相區(qū)α及液、固兩相共存區(qū)L+α。結(jié)晶時(shí)，這類合金都是從液相結(jié)晶出單相的固溶體，這種結(jié)晶過(guò)程稱勻晶轉(zhuǎn)變。從圖15可以看出，當(dāng)合金Ⅰ自高溫緩慢冷卻至t1時(shí)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出α固溶體。當(dāng)溫度繼續(xù)冷卻到t2時(shí)就有一定數(shù)量的α固溶體結(jié)晶出來(lái)，一直冷卻到t3 時(shí)，最后一滴液體結(jié)晶成固溶體，結(jié)晶終了，便得到與原合金成分相同的α固溶體。2． 共晶轉(zhuǎn)變 當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變．并形成共晶組織，這種二元系相圖叫二元共晶相圖。圖16即為PbSn共晶相圖。圖中AE、EB為液 相線，AMNB為固相線，MF為Sn在Pb中的溶解度曲線， 圖16 CuNi勻晶相圖及典型合金NG為Pb在Sn中的溶解度曲線。相圖中有三個(gè)單相區(qū)，即液 16