【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，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，也就是它們在三維空間中有規(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能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元來分析陣點(diǎn)排列的規(guī)律性，這個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)都具用比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最常見的有體心立方結(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棱邊長度相等，三個軸間夾角均為90amp。ordm。，構(gòu)成立方體。晶胞的八個角上各有一個原子，在立方體的中心還有一個原子，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角中各有一個原子，構(gòu)成立方體。在立方體的6個面的中心各有一個原子，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個頂角上各有1個原子，構(gòu)成六方柱體，上、下底面的中心也各有一個原子，晶胞內(nèi)還有3個原子。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，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，又將這一過程稱為結(jié)晶。液相向固相的轉(zhuǎn)變是一個十分復(fù)雜的相變過程。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)晶也是一個十分重要的過程。 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之差稱為過冷度，用△T表示，△T=TmTn。過冷度越大，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)過程，放出熱量。而從固相變?yōu)橐合鄤t為吸熱反應(yīng)過程，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出現(xiàn)平臺，平臺延續(xù)的時(shí)間就是結(jié)晶過程所用的時(shí)間。結(jié)晶過程結(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)晶過程研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶過程是由形核與長大兩個過程所組成。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大。形核過程和長大過程緊密聯(lián)系但又有所區(qū)別。當(dāng)液態(tài)金屬過冷至實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)，晶核并未立即出生，而是經(jīng)過一定時(shí)間后才開始出現(xiàn)第一批晶核。結(jié)晶開始前的這一停留時(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，不斷長大，液態(tài)金屬也就越來越少，直到各個晶體相互接觸，液態(tài)金屬消耗完畢，結(jié)晶過程也就結(jié)束。由一個晶核長成的晶體就是一個晶粒。由于各個晶核是隨機(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)晶過程中，只有一個晶核形成并長大，那么就形成一塊單晶體金屬。（二）晶核的形成在過冷液體中形成固態(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)是長程無序的，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，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）晶體的長大每一個單個晶粒的穩(wěn)定晶核出現(xiàn)后，晶體馬上進(jìn)行長大。晶體的長大從宏觀上看，是晶體的界面向液相逐步推進(jìn)的過程。但從微觀上看，則是依靠原子逐個由液相中擴(kuò)散到晶體表面上，并按晶體點(diǎn)陣規(guī)律的要求，逐個占據(jù)適當(dāng)?shù)奈恢枚c晶體穩(wěn)定、牢靠地結(jié)合起來的過程。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來的原子能力也不同。（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。一般說來，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，這些缺陷對晶體的強(qiáng)度和韌性、原子的擴(kuò)散及其他對微觀結(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，這些缺陷在三個方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子尺寸。 線缺陷：如位錯，這類缺陷在兩個方向的尺寸很小，另一個方向上的尺寸相對很大。 面缺陷：如晶界、亞晶界，此類缺陷的特點(diǎn)是在一個方向上的尺寸很小，另兩個方向上的尺寸相對很大。 1．點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷如圖l13所示，主要有下列幾種： （l）空位 原子由于振動脫離原來平衡位置而遷移到別處， 在原來位置上出現(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的平衡位置，就在空位周圍出現(xiàn)一個或幾個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。位錯是指在晶體中某處有一列或幾列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，致使長度達(dá)幾百至兒萬個原子間距，寬約幾個原子間距范圍內(nèi)的原子離開了平衡位置而發(fā)生有規(guī)律的錯動。位錯主要有刃型位錯和螺型位錯。 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，簡稱晶界。(2) 亞晶界 實(shí)際上在每個晶粒內(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含量。二元相圖是最簡單的相圖，對二元系合金來說，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)方法建立起來的。合金在結(jié)晶過程中，各個相的成分以及它們的相對含量都是在不斷變化的，為了了解相的成分及其相對含量，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、固兩相的相對質(zhì)量為ωL和ωα，則可通過下式求出兩相的相對含量，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)晶過程1．勻晶轉(zhuǎn)變 兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，固態(tài)時(shí)也無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，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。相圖中有三個單相區(qū)，即液 16