金属材料与热处理.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除金属材料与热处理文件类型：DOC/Microsoft Word文件大小：字节 更多搜索：金属材料热处理第一篇 金属材料与热处理众所周知,生产中使用的材料的发展将人类生活的时代划分为石器时代(公元前10万年),青铜器时代(公元前3000年),铁器时代(公元前1000年),水泥时代(公元0年),钢时代(1800年),硅时代(1950年)以及人工合成新材料时代(1990年).在所有材料当中金属材料占有较大比重,而作为金属材料主体的钢铁材料的发展在一定程度上推动着一个国家的科学技术发展.仅以日本和英国为例,二战后,1952年,日本钢产量为700万吨,而英

2、国为1700万吨;1962年,日本钢产量猛增到2755万吨,而英国只有2500万吨;日本钢铁业的发展推动了其汽车工业和其他使用钢铁材料的产业的飞速发展,并使其工业地位与美国及欧洲等发达国家并驾齐驱.金属材料包括纯金属及其合金,是由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特征(如导电性,导热性,延展性等)的重要工程材料.在十七世纪的科学革命和十八,十九世纪的工业革命时期,人们对它的认识仍是非理性的,主要停留在工匠,艺人的经验技术的水平上.为了更有效地使用金属材料,需要了解其内部的结构及影响金属材料性能的各种因素,掌握提高或改善其性能的途径.金属材料与热处理这一篇就是阐述各种金属材料的共性基础知

3、识,从金属材料的组织结构出发,研究金属材料的结构与其外在性能的关系及如何改善和提高其自然属性和性能.第一章 金属的晶体结构和结晶金属材料固态下通常都是晶体(金属晶体),原子呈规则排列,这是由金属键的特征所决定的.研究金属及其合金的内部结构,即研究金属中原子的相互作用和结合方式,原子的聚集状态和分布规律,各种晶体的特点和彼此的差异,实际金属中的各种晶体缺陷,是金属材料研究的必要手段.因此在第一章我们首先学习金属的晶体结构和结晶方面的一些基础知识,为进一步学习金属材料及热处理打好基础.1.1 金属的晶体结构1.1.1 晶体与非晶体固态物质按其内部原子(或分子)的聚集状态而分为晶体和非晶体两大类,其

4、根本区别在于晶体中的质点(原子,离子或分子)在空间作有规则的排列,即相同的质点,在空间有周期性地重复出现,这称为长程有序排列(或远程有序排列);而非晶体内部的质点排列不规则,至多有些局部的所谓短程有序排列(或近程有序排列).通常条件下液态金属凝固后原子是规则排列的,所以固态金属往往都是晶体.液体中的原子处于紧密聚集的状态,但并不存在长程的周期性排列,从物质的质点排列是否规则而言,固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体,只是其物理性质与通常意义上的液体有所不同.玻璃是典型的非晶体,故往往也将固态非晶体(即非晶态的固体)称为玻璃体.晶体与非晶体内部结构的不同,造成两者性能上的一些重要差异.冷却或熔

5、化时晶体有一定的凝固点或熔点(即固体与液体之间转变的临界温度).在临界温度以上为非晶体状态的液体,临界温度以下液体转变为晶体,即晶体的固,液态转变具有突变性质,当然也就导致物理性质的突变,例如液态金属转变为固态金属,其粘度的上升幅度可以达到约20个数量级.非晶体的固态与液态之间的转变则是逐渐过渡的,没有明显的凝固点或熔点,其物理性质的变化也是逐渐过渡的.晶体与非晶体另一个重要的差异是:沿晶体不同方向测得的性能(例如导电性,导热性,热膨胀性,弹性,强度以及外表面的化学性质等等)并不相同.例如,沿铜单晶体(冷却时,仅由液体中一个晶体核心长大而成的晶体称单晶体)不同方向测定有关性能的最大值与最小值之

6、比,对弹性模量来说,可达2.86,抗拉强度则为2.70,而伸长率更达到5.5之多,这种现象就是晶体的各向异性(或异向性).非晶体的性能不因方向而异,这称为各向同性(或等向性).自然界的许多晶体(例如天然金刚石,结晶盐,水晶等等)有规则的外形,这与晶体的形成条件有关,如果条件不具备,晶体也可能有不规则的外形,所以,晶体与非晶体的本质区别在于内部结构而非外形.一定条件下,晶体与非晶体可以互相转化.玻璃经高温长时间加热能形成所谓的晶态玻璃,而液态金属快速凝固(冷却速度大于106)可获得非晶态的固体金属(又称金属玻璃).当然,随着晶态与非晶态的转变,其性能也会发生极大的改变.1.1.2 金属的晶体结构

7、金属的性能不仅决定于其组成原子的本性和原子间结合键的类型,也与原子的排列方式有关.换句话说,不同的金属,其原子排列方式不同而其性能有所差异;即使同一种金属,在不同温度或压力条件下,由于其内部原子排列不同,性能也会发生很大的变化.1.1.2.1 有关金属晶体的一些基本概念 按照金属键的概念(见图1.1),金属离子沉浸在自由运动的电子气中,呈均匀对称分布的形态,没有方向性,不存在结合的饱和性,所以完全可以将金属晶体中的原子(或离子)看作为固定的圆球.那么晶体就由这些圆球有规则地堆垛而成,即晶体中原子(或离子)在空间呈规则排列图1.2().规则排列的方式即称为晶体的结构.原子堆垛模型尽管直观,但是不

8、便于看清晶体内部的质点排列规律.为了便于研究晶体结构,假设通过原子的中心划出许多空间直线,这些直线将形成空间格架.这种假想的格架在晶体学上就叫晶格图1.2().晶格的结点为原子(离子)平衡中心的位置.晶格的最小几何组成单元称为晶 图1.1金属键模型示意图胞图1.2().晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体.由晶胞可以描述晶格和晶体结构,所以研究晶体结构就在于考查晶胞的基本特性.图1.2 晶体,晶格,晶胞示意图在三维空间中,晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长,和三条棱边之间的夹角,等六个参数来描述.其中,称为晶格常数.按照这六个参数组合的可能方式,或根据晶胞自身的对称性,法国晶体学家布拉

9、维(A.Bravals)用数学方法证明了有七种简单晶胞(仅在平行六面体角顶上有阵点)和七种复合晶胞除了角顶有阵点,在晶胞中心(称体心),每个面的中心(称面心),在上下底面的中心(称底心)位置还有阵点.1.1.2.2 纯金属的典型晶体结构本世纪初,射线结构分析技术出现之后,利用它测定了金属的晶体结构.除了少数元素外,绝大多数金属皆为体心立方晶格,面心立方晶格和密排六方晶格等三种典型的,紧密 的晶体结构,如图1.3,1.4,1.5所示.在体心立方晶格(图1.3)中,金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和立方体的中心.具有这类晶格的金属有,和-等.图1.3 体心立方晶胞示意图在面心立方晶格(图1.4)

10、中,金属原子分布在立方晶胞的八个角顶上和六个面的中心. 具有这类晶格的金属有,和等.图1.4 面心立方晶胞示意图在密排六方晶格(图1.5)中,金属原子分布在六方晶胞的十二个角顶上,上下底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里.这种晶胞在晶格常数和的比值为1.633时最密.具有这类晶格的金属有,等.图1.5密排立方晶胞示意图1.1.2.3 金属晶体结构的一些重要概念除了晶格类型和晶格常数以外,关于金属的晶体结构,还有以下几个重要的概念.晶格尺寸 晶格尺寸是指晶胞的大小,可用晶格常数表达.对于体心立方和面心立方晶体,晶格常数,晶格尺寸的表达用一个晶格常数即可;对于密排六方晶格,则须采用和两个晶

11、格常数来表达.晶格常数的单位为(=),金属的晶格常数大都为.晶胞原子数 晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目.它对金属的许多性能有很大的影响.对于体心立方晶格的晶胞(如图1.3),每个角顶上的原子在空间同时属于八个相邻的晶胞,因而属于一个晶胞的原子数为,而立方体中心的原子则完全属于这个晶胞所有.所以,体心立方结构的晶胞原子数为.同样可以算出,面心立方晶格(如图1.4)的晶胞原子数等于;密排六方晶格(如图1.5)的晶胞原子数等于.原子半径 原子半径,指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半,或晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半.它与晶格常数有一定关系,是金属原子行为的一个

12、非常重要的参量.体心立方晶胞(如图1.3)中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径;面心立方晶胞(如图1.4)中原子相距最近的方向是面对角线,所以原子半径;密排六方晶胞(如图1.5)中原子相距最近的方向是上下底面的对角线,所以原子半径.可见 ,同一种金属原子处于不同类型的晶格时,原子半径是不一样的.为了便于进行金属之间的比较,通常以最密排晶胞的原子半径作为比较的标准.配位数 金属晶格中原子排列的致密程度(即晶格中原子所占有的体积),可以用晶格的配位数来描述.配位数为晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的 图1.6 三种典型晶格配位数示意图原子数目.配位数愈大,则原子排列的致密度愈高.由图

13、1.6()可见,在体心立方晶格中,原子间的最近距离,距任意原子为的相邻原子数为.所以体心立方晶格的配位数是.同样,从图中可以看出,面心立方晶格和密排六方晶格的配位数都是12.由于它们是金属最致密的排列方式,所以金属的原子半径都以配位数为12的晶体的原子半径作为比较标准.致密度 金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数称为晶格的致密度或密排系数,即:.因此: 对于体心立方晶格:致密度对于面心立方晶格:致密度对于密排六方晶格:致密度就是说,体心立方晶胞中原子占据了68的体积,面心立方晶胞和密排六方晶胞中原子占据了74的体积.晶胞内其余的32和26的体积为空隙.所以配位数大的面心立方晶格和密排六方晶格比

14、配位数小的体心立方晶格的致密度大.这一点对金属的许多性能和行为有很大的影响.1.1.3 金属晶体中晶面与晶向表示法在分析研究有关晶体的生长,变形,相变以及性能等方面的问题时,常涉及晶体中某些原子所构成的方向和平面.在晶体学中,通过晶体中原子中心的平面称为晶面;通过原子中心的直线为原子列,其所代表的方向称为晶向.晶体结构的规律也反映在晶面和晶向上.为了便于表示各种晶向和晶面,需要确定一种统一的标号,称为晶面指数和晶向指数.国际上通用的是密勒(Miller)指数,标号方法如下: 图1.7 确定晶面指数示意图1.1.3.1 立方晶系的晶面指数确定晶面指数的步骤如下: 选定晶胞中任一结点为空间坐标系的

15、原点(待定晶面不能通过该点)如图1.7,以晶胞的三条棱边为,轴,以晶胞的边长作为坐标轴的单位长度; 求出待定晶面在三个坐标轴上的截距(如该晶面与某轴平行,则截距为).例如,1/2等. 取这些截距数的倒数.例如,等. 将上述倒数化为最小的简单整数,并加上圆括号,即表示该晶面的指数,一般记为().例如(),(),()等.如果所求晶面在坐标轴上的截距为负数,则在相应的指数上方加一负号,如(),(),()等.例1 图1.7中所标出的晶面,相应的截距为1/2,1/3,2/3,求其晶面指数.解:根据上述步骤得三截距数的倒数为2,3,3/2,化为最小的简单整数为4,6,3,图所以晶面的晶面指数为(463).

16、如图1.8为立方晶系中一些常见重要晶面的晶面指数.1.8 立方晶系常见的重要晶面的晶面指数示意图例2 作图表示立方晶系中的(),(),(),()晶面.解:(),(),(),()四个晶面在三个坐标轴上的截距分别为,1/2,;,1/2;,2/3,1/2或1/2,1/3,1/4;,-1/3,1/2.作图如下(见图1.9):图()为(120),图()为(),图()为(234),图()为(),需要说明的是图()即()相当于原点选在点,轴为负向.由于坐标原点选择的任意性,所有相互平行的晶面在三个坐标轴上的截距虽然不同,但它们是成比例的,其倒数也是成比例的,经简化可以得到相同的最小整数.因此,所有相互平行的

17、晶面,其晶面指数相同,或者至多相差一负号.例如,(),若这个面的指数都图1.9 晶面指数示意图乘以-1,则得()面,它们是平行面,分布在原点的两边(见图1.10).所以,()实际上所代表的不仅是某一晶面,而是代表一组相互平行的晶面.在晶体中,特别是在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的对称性,往往存在有许多原子排列完全相同但不平行的对称晶面,例如面心立方晶体的(111),(),()和()面(见图1.11).这四个面 图1.10 平行晶面示意图 图1.11晶面族示意图在空间不平行,但其上原子的排列是等同的.在晶体学上等同而彼此不平行的晶面总称为晶面族,用大括号表示,即. 在立方晶系中, 同一晶面

18、族中的各晶面的指数数值相同,而符号和次序不同.例如,上述面心立方晶体中体对角面111,即包括(111),(),(),(),(),(),()和()等八个晶面.后四个晶面与前四个晶面是相同的,是一一对应的平行面,所以,实际上这一晶面族只包括四个面.1.1.3.2 立方晶系的晶向指数立方晶系的晶向指数采用几何学中由方向指数表示直线方向的方法来表示.确定晶向指数的步骤如下: 选定晶胞中任一结点为空间坐标系的原点,以晶胞的三条棱边为坐标轴,以晶胞边长为坐标轴长度单位,如图1.12; 过坐标原点作一平行于待求晶向的直线; 求出该直线上任一结点的空间坐标值;将其按比例化为最小整数,例如 100,110,11

19、1等; 将化好的整数用方括号括起来,即.例如100,110,111等.如果, ,为负数,则将负号记于其上方,晶向指数表示着所有相互平行,方向一致的晶向.若方向相反,则数字相同,而符号相反. 图1.12确定晶向指数示意图例3 求如图1.12中所示晶向的晶向指数.解:如轴方向,其晶向指数由点的坐标来确定,点坐标为1,0,0,所以轴的晶向指数为100.同理,轴和轴的晶向指数分别为010和001.点的坐标为1,1,0,故方向的晶向指数为110.点的坐标为1,1,1,故对角线方向的晶向指数为111.方向的晶向指数可根据点的坐标来求得,为210.若要求方向的晶向指数,应将平移使点同原点重合,这时点移至,点

20、的坐标为-1,1,0,故的晶向指数为.既然与平行,所以其晶向指数也为. 图1.13晶面与晶向垂直晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族,用表示.例如,对立方晶系来说,100,010,001和,等六个晶向,它们的性质是完全相同的,用符号100表示. 在立方晶系中,晶面指数和晶向指数相同时,则晶面与晶向互相垂直,例如(111)111见图1.13.1.1.3.3 六方晶系的晶面指数与晶向指数六方晶系的晶面指数和晶向指数同样可以应用上述方法标定.这时取,为晶轴.而轴与轴的夹角为120,轴与,轴相垂直,如图1.14所示.但这样表示有缺点,同类型的晶面,其晶面指数不相同,往往看不出它们之间的等

21、同关系.例如:晶胞的六个柱面是等同的,但按上述三轴坐标系,其指数却分别为(100),(010),(),(),(),().用这样的方法标定晶向指数也有同样的缺点.例如100和110实际上是等同的晶向,但指数上反映不出来.为了克服这一缺点,通常采用另一种专用六方晶系的四指数法. 根据六方晶系的对称特点,对六方晶系采用, 及四个晶轴,之间的夹角均为.这样,其晶面 图1.14 六方晶系示意图指数就以()四个指数来表示.晶面指数的标定方法同前面一样,在图1.14中举出了六方晶系一些晶面的指数.采用这种标定方法,等同的晶面可以从指数上反映出来.例如,上述六个柱面的指数分别为:(10),(01),(),(1

22、0),(010)和(100),这六个晶面可归并为10晶面族.根据几何学可知,三维空间独立的坐标轴最多不超过三个.应用上述方法标定的晶面指数形式上是四个指数,但是不难看出,前三个指数中只有两个是独立的,它们之间有关系:或.因此,可以由前两个指数求得第三个指数,有时将第三个指数略去,写成().采用四轴坐标时,晶向指数的确定原则仍同前述,即把晶向沿四个晶轴分解成四个分矢量:.则晶向指数就可用来表示.问题是,三个指数中只能有两个独立,不然将会有无限解,得不到确定的指数,因此必须附加一个条件.参照上述晶面指数之间的关系,规定:或0.这样就得到唯一解,每个晶向有确定的晶向指数.晶向指数的具体标定方法如下:

23、从原点出发.沿着平行于四个晶轴的方向依次移动,使之最后到达要标定方向上的某一结点.移动时必须选择适当的路线,使沿轴移动的距离等于沿,两轴移动距离之和的负值(即).将各方向移动距离化为最小整数,加上方括号,即表示该方向的晶向指数(参阅图1.15的举例).六方晶系按两种晶轴系所得的晶面指数和晶向指数可相互转换如下:对晶面指数来说,从()转换成()只要去掉即可.反之则加上.对晶向指数,则与之间的互换关系为: 图1.15六方晶系晶向指数求法1.1.3.4 金属晶体的各向异性在1.1.1中我们已经简述过晶体的各向异性,通过对金属晶体结构的学习,使我们进一步了解到,晶体各向异性的产生,与不同晶面和晶向上原

24、子排列的方式和密度不同而造成它们之间的结合力的大小不同有密切的关系.体心立方,面心立方晶体主要晶面,晶向上原子排列方式和密度计算如下:晶面原子密度=晶面原子数/晶面面积;晶向原子密度=晶向原子数/晶向长度体心立方晶格面心立方晶格晶面指数示意图晶面原子密度示意图晶面原子密度100110111晶向指数示意图晶向原子密度示意图晶向原子密度100110111由此可见,在体心立方晶格中,原子密度最大的晶面为110,原子密度最大的晶向为111;在面心立方晶格中,原子密度最大的晶面为111,原子密度最大的晶向为110.密度的不同造成金属晶体具有各向异性.例如,单晶体铁的弹性模量,在111方向上为,而在110

25、方向上为.体心立方金属最易拉断或劈裂的晶面(即解理面)就是100面.铁的单晶体在磁场中沿100方向磁化,比沿111方向磁化容易.所以制造变压器用的硅钢片的方向(轧制方向)应平行于导磁方向,以降低变压器的铁损.锌在盐酸中溶解时,晶面的溶解速度的次序是: .1.1.4 实际金属中的晶体缺陷前面所讨论的是理想晶体的结构情况.在实际晶体中,原子的排列不可能这样规则和完整,而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域,出现了不完整性,通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷.缺陷的产生是与晶体的生成条件,晶体中原子的热运动,对晶体进行的加工过程以及其他因素的作用(如辐照)等有关;而且,通常情况下金属都是多晶体,

26、在晶粒的交界(晶界)处,原子的规则排列也必然破坏.这些都导致晶体的不完整性,产生了晶体缺陷.但必须指出,金属晶体中虽有缺陷存在,从总的来看其结构仍然保持着规律性,仍可认为是接近完整的;即使在严重塑性变形的情况下,晶体中位置偏移很大的原子数目平均来说至多仅占总原子数的千分之一.因此,晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图象来描述.根据晶体缺陷的几何形态特征可以将它们分成三大类.1.1.4.1 点缺陷点缺陷:其特点是在,三个方向上的尺寸都很小(相当于原子的尺寸),晶体中的点缺陷包括空位,间隙原子,杂质或溶质原子,以及由它们组合而成的复杂缺陷(如空位对或空位片等).这里主要讨论空位及间隙原子. 空位 在晶

27、体中,位于点阵结点上的原子并非静止的,而是以其平衡位置为中心作热振动.在一定温度时,原子热振动的平均能量是一定的;但是,各个原子的能量并不完全相等,而且经常发生变化,此起彼伏.在任何瞬间,总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用,就可能脱离其原来的平衡位置而迁移到别处.结果,在原来的位置上出现了空结点,称为空位.离开平衡位置的原子可以有两个去处:既可迁移到晶体的表面上,也可迁移到晶体点阵的间隙中,这时在形成空位的同时产生了间隙原子,如图1.16所示.图1.16点缺陷示意图 图1.17晶格畸变示意图空位的存在,使周围原子失去一个近邻原子而影响原子间作用力的平衡,因而,周围的原子都要向

28、空位方向稍微作些调整,造成了点阵的局部弹性畸变. 间隙原子 间隙原子就是位于晶格间隙之中的原子.有自间隙原子和杂质间隙原子两种.自间隙原子就是上述所述的形成空位的同时而形成的从晶格结点转移到晶格间隙中的原子如图1.16b所示.杂质间隙原子是外来杂质溶入晶格间隙所至,是金属中间隙原子的主要存在形式.由于形成一个间隙原子要求很高的能量,所以,在纯金属中,主要的点缺陷是空位而不是间隙原子.但空位所造成的晶格畸变比间隙原子造成的畸变要小的多,如图1.17.1.1.4.2 线缺陷 线缺陷:其特点是在两个方向上的尺寸很小,另一个方向上的尺寸相对很长,故也称一维缺陷.如位借,位错有两种.刃型位错 在金属晶体

29、中,由于某种原因,晶体的一部分沿一定晶面相对于晶体的未动部分,逐步发生了一个原子间距的错动(图1.18).例如,图中右上角部分晶体逐步向左移了一个原子间距时,则在发生了错动的晶体部分同未动部分的边缘上产生了一个多余的原子面.该原子面象是一个后塞进去的半原子面,不延伸至下半部晶体中,犹如切入晶体的刀刃,刃口线为位错线,这就是刃型位错. 图1.18 刃型位错示意图刃型位错应该是晶格畸变的中心线(图中符号的地方).由于在其周围的原子位置错动很大,即晶格的畸变很大,且距它愈远畸变愈小,所以刃型位错实际上为几个原子间距宽的长管道. 螺型位错 在金属晶体中, 由于多种原因,也可能出现一种原子呈螺旋线形错排

30、的线缺陷为螺型位错.螺型位错在空间实际上为一个螺旋状的晶格畸变管道,宽仅为几个原子间距,长则可穿透晶体.位错能够在金属的结晶,塑性变形和相变等过程中形成.位错能与位错或其他晶体缺陷产生交互作用.位错的密度是指单位体积中位错线的总长度,即.式中为位错密度,单位为;为位错的总长度,单位为;为体积,单位为.位错是影响金属机械性能最重要的晶体缺陷.金属晶体中位错的存在,使金属的强度值降低23个数量级.1.1.4.3 面缺陷面缺陷:其特点是在一个方向上的尺寸很小,另外两个方向上的尺寸很大,故也称二维缺陷.金属晶体中的面缺陷主要有两种.晶界 实际金属为多晶体(图1.19),是由大量外形不规则 图1.19纯

31、铁的多晶体结构的小晶体即晶粒组成的.每个晶粒基本上可视为单晶体,一般尺寸为,但也有大至几个或十几个毫米的.所有晶粒的结构完全相同,但彼此之间的位向不同,位向差为几十分,几度或几十度.属于同一固相但位向不相同的晶粒之间的界面称为晶界,随相邻晶粒位向差的不同,晶界宽度为510个原子间距.晶界在空间呈网状;晶界上原子的排列不是非晶体式的混乱排列,但规则性较差.原子排列的总特点是,采取相邻两晶粒的折中位置,使晶格由一个晶粒的位向,通过晶界的协调,逐步过度为相邻晶粒的位向(图1.20).晶界上一般积累有较多的位错.位错的分布有时候是规则的.晶界也是杂质原子聚集的地方.杂质原子的存在加剧了晶界结构的不规则

32、性,并使结构复杂化.亚晶界 晶粒也不是理想的晶体,而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的.晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块).尺寸比晶粒小23个数量级,常为.亚晶粒的结构如果不考虑点缺陷,可以认为是理想 图1.20晶界原子排列示意图 图1.21位错墙构成亚晶界示意图的.亚晶粒之间的位向差只有几秒,几分,最多达l2度.亚晶粒之间的边界叫亚晶界.是位错规则排列的结构.例如,亚晶界可由位错垂直排列成位错墙(又叫倾侧晶界)(图1.21)而构成.亚晶界是晶粒内的一种面缺陷,对金属的性能也有一定的影响.在晶界,亚晶界或金属内部的其它界面上,原子的排列偏离平衡位置,晶格畸变较大,位错密度较高(可达以上),

33、原子处于较高的能量状态,原子的活性较大,所以对金属中的许多过程的进行,具有极为重要的作用.在实际金属内,由于大量位向不同的晶粒和亚晶粒的统计分布,各种性能在不同的方向上表现出近似相同的值.例如,多晶体在各个方向上测得的弹性模量都大约为 ,这正好是单晶体在各个方向上测得的的平均值.多晶体的这种在各个方向上性能相近的性质,叫做多晶体的伪各向同性.实际金属中除了上述点,线,面缺陷外,还存在着一些其它的晶体缺陷.这些缺陷的存在,破坏了晶体的完整性,大大影响了晶体的性能,但是必须指出,缺陷的存在并不改变金属的晶体性质.晶体学的许多规律,对于实际金属是适用的,只是还应看到各种具体的偏差.在晶体中,缺陷并不

34、是静止地,稳定不变地存在着,而是随着各种条件的改变而不断变动的,它们可以产生,发展,运动和交互作用,而且能合并和消失.晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响,特别是对塑性,强度,扩散等有着决定性的作用. 1.1.5 金属中的扩散物质中原子(分子)的迁移现象称为扩散.气体和液体中的扩散是显而易见的;在固体金属中也同样地发生扩散,其原子依靠热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置.扩散是金属中的一个重要现象,金属中发生的许多过程(如结晶,相变,再结晶,铸件的均匀化退火以及钢的各种化学热处理等等)都与扩散密切相关.要深入地了解这些过程,就必需先掌握有关扩散的基础知识.1.1.5.1 扩散的概念和机制原子

35、在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象称为扩散.原子要离开原来的结点,必须被热激活,获得足以克服周围原子约束的能量,越过一个能峰(或势垒),才能迁移到别的地方去.所以金属中的扩散是一个热的活化过程.原子的迁移不引起浓度变化的扩散叫自扩散,例如纯金属中的扩散.原子的迁移伴随有浓度变化的扩散叫异扩散,或简称扩散.例如杂质含量较高的金属中的扩散.金属中原子的移动没有方向性,即向各个方向都有相同的跃迁几率.但在浓度梯度或应力梯度等扩散动力的作用下,金属中的特定原子向特定方向跃迁的数量增大,产生该种原子的宏观定向移动.金属中原子的扩散迁移存在以下几种可能的机制:直接换位机制 如图1.22(),

36、相邻两原子直接交换位置.依靠大量的,不断的直接换位,实现原子的迁移.这种机制会引起晶格很大的瞬时畸变,激活能值要求很高,所以这种方式的扩散是很困难的. 环形换位机制 如图1.22(),同一平面上的数个原子绕瞬时轴旋转换位,结果使原子位置改变.依靠大量的,不断的环形旋转运动,进行原子的扩散.按这种换位要求的激活能小得多,且参加旋转的原子愈多,所需克服的能垒越小.由这种机制可以解释体心立方金属的扩散系数较大的问题.空位扩散机制 金 图1.22 原子扩散迁移可能机制示意图属中存在有一定浓度的空位,空位为原子的迁移提供了最方便的途径.空位旁边的原子很容易移居到空位上去(图1.22(),而使空位在新的结

37、点上出现.依靠空位的这种大量的移动,原子很快地完成长距离的迁移(由表面移入内部).这是金属中原子扩散最主要的机制.间隙扩散机制 杂质原子半径比金属小得多的情况下(例如钢中的碳和氮等),杂质原子的移动,主要是从晶格间隙到间隙的间隙式移动(图1.22().1.1.5.2 扩散定律扩散是物质内部的一种动力学过程,它在物质行为中的作用除了受机制的控制外,还受速度的影响.扩散速度用单位时间内物质扩散通过单位截面的量来表达.在稳定状态下,即金属内部各处浓度不随时间变化,扩散原子无定向运动,并且彼此不发生影响时,单位时间单位横截面上扩散通过的物质的流量(亦称扩散通量),与截面法向上物质的浓度梯度成正比:;这

38、就是第一扩散定律.式中为扩散物质浓度差;为距离;比例系数称为扩散系数,它表示单位浓度梯度条件下,单位时间单位截面上通过的物质的数量,量钢为.负号表示扩散沿物质浓度降低的方向进行.扩散系数是反映扩散速度的一个基本参量.液态金属的.接近熔点的固态金属的.可见固态下的扩散比液态时慢很多.对于非稳定状态,即金属内各处的浓度随时间而变化时,扩散过程遵循第二扩散定律.若不随浓度变化,则第二定律的表达式为:;式中的为时间.这个方程不能直接使用,但对于一些具体的边界条件和初始条件,有解.1.1.5.3 影响扩散的主要因素温度 在一定条件下,可以从理论上推导并由实验证实存在以下关系:;式中,为扩散常数,;为扩散

39、激活能,;为气体常数,;为绝对温度,.和与温度无关,决定于金属的成分和结构,可由实验测出.关系式表明,温度是影响扩散系数的最主要的因素.提高温度,则扩散系数很快增大.金属从室温起,每升高,扩散系数约增大一倍.金属的自扩散系数的平均值,在熔点以下时的数量级为,而在熔点固态时的数量级为.碳在铁中的扩散,当温度从提高到时,扩散系数可增大7倍以上.晶体结构 原子排列紧密度较小的晶型,金属原子扩散时需要克服的能垒较小,所以扩散较容易,扩散速度较快.例如,在时,要发生 转变.体心立方晶型的自扩散系数大约为面心立方晶型的240倍.同样地,碳,氮等元素在中的扩散系数也远比在中的大.表面及晶体缺陷 金属的表面和

40、内表面(晶界及亚晶界等),由于存在大量的缺陷(点缺陷及线缺陷),晶格畸变较大,原子处于较高的能量状态,激活能值较小,容易实现跃迁,晶界扩散的激活能一般只有体扩散的0.60.7倍,所以金属内外表面上的扩散较体内的扩散快得多,要快1001000倍.1.2 金属的结晶金属及其合金生产一般均需经过冶炼和铸造,然后经压力加工成型材,也有一些是铸造后就直接使用的.所以,金属通常都要经历由液态到固态的凝固过程.金属凝固时由于熔化,浇注,冷却等等条件的差异,所获得的铸件内部组织会有所不同,铸件的物理,化学和机械性能也会因之而异,这对铸件的应用或随后的加工工艺均有很大影响.所以,了解金属的凝固过程,掌握有关规律

41、,对于控制铸件质量,提高金属制品的性能等,都是很重要的.同时,凝固也是一种重要的相变过程,通过了解凝固过程,也为了解其他相变及进一步掌握相变的普遍规律提供重要的基础.1.2.1 金属结晶的概念通常,物质由液态转变为固态的过程称为凝固.在一定的条件下,金属的三态可以互相转化.通常条件下凝固后的固态金属是晶体,所以又将金属的凝固称为结晶.为了区别于固态金属中发生的晶态转变过程(称为二次结晶),将金属的凝固又称为一次结晶.为了了解金属结晶的本质,首先必须了解液态金属的结构.1.2.1.1 液态金属的结构通常认为,液态的结构介于晶态与气态之间,它不象晶体中原子那样作规则的三维排列,但也不象气体原子那样

42、任意,混乱地分布着.然而,关于液态结构的具体模型却难以确立,只能定性地认为:液态金属的结构从长程来说是无序的,而在近程范围内却存在着接近于晶态的近程有序排列(尤其在略高于熔点 图1.23液态金属结构的液相中);而且,由于原子热运动较为强烈,在其平衡位置停留的时间甚短,故这种局部的近程有序排列也是在不断地变动着,它们只能维持短暂的时间就很快消失,同时新的又在不断地形成,出现了此起彼伏的局面.有人将液态金属中这种结构不稳定的现象称为结构起伏.可见,液态金属的结构可认为是结构起伏与能量起伏(一定温度下,原子具有的能量瞬息万变)并存.如图1.23.1.2.1.2 结晶的概念从液态金属结构这个意义上理解

43、,金属从近程有序排列过渡为长程有序排列的过程均属于结晶过程.并称为一次结晶,而金属从一种固态过渡为另一种固态的过程则称为二次结晶.1.2.2 金属结晶的条件1.2.2.1 热力学条件纯金属的结晶,一般是在常压和恒温条件下进行.根据热力学第二定律(最小自由能原理):在等温等压下,过程自动进行的方向是体系自由能降低的方向,这个过程一直进行到自由能具有最低值为止.即:(为体系自由能,是绝对温度,为熵表征系统中原子排列混乱程度的参数).由知,金属在聚集状态的自由能随温度的提高而降低(曲线随升高而降低).而液态金属中原子排列的规则性比固态金属中的差(),所以液态金属的曲线比固态金属的曲线斜率大(如图1.

44、24),于是它们必然要相交.交点对应的温度为,此时,即液固并存(类似于冰水共存)而处于动平衡状态.从图中可知,当时,金属处于液态最稳定;,金属处于固态最稳定.可见,即为理论结晶温度(熔点). 图1.24 纯金属液,固曲线 图1.25 液态纯金属的冷却曲线由上可知,液态金属要结晶,就必须冷却到以下.我们把液态金属实际冷却到结晶温度以下的过程称为过冷.那么,究竟要冷却到以下多少才能真正开始结晶呐 我们把冷却到以下某一温度金属开始结晶时的称为过冷度.如图1.24.对应于体系自由能差,这就是液态金属结晶的动力(热力学条件).1.2.2.2 过冷度和冷却曲线过冷度可以由冷却曲线测定.图1.25为用热分析

45、方法测出的液态纯金属的冷却曲线.它表明,液态金属从高温开始冷却时,由于周围环境的吸热,温度均匀下降,状态保持不变.当温度下降到后,金属开始结晶,放出结晶潜热,补充了金属向周围环境散出的热量,因而冷却曲线上出现水平平台,即纯金属是在恒温下结晶的.持续一段时间之后,结晶完毕,然后固态金属的温度继续均匀下降,直至室温.曲线上平台所对应的温度为实际结晶温度,其与理论结晶温度的差就是过冷度.过冷度的大小与金属的本性和液态金属的冷却速度有关.冷却速度愈大,则金属的实际结晶温度愈低,因而过冷度愈大,液态金属以极其缓慢的速度冷却时,金属将在近于理论结晶温度时结晶,这时的过冷度接近于零.金属的晶体结构比较简单,

46、并且总含有杂质,所以实际金属的过冷能力不大,过冷度一般只有几度,常常不超过1030.1.2.3 金属结晶的过程1.2.3.1 结晶过程金属一般由许多不同方位的晶粒构成,因此可以想象,金属结晶时不断在液体中形成一些微小的晶体,它们能成为核心逐渐生长,这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核.结晶就是不断形成晶核和晶核不断长大的过程.如图1.26.结晶完毕,结果生成一种多晶体结构的金属固体.就每一个晶体的结晶过程来说,它在时间上可划分为先生核和后长大两个阶段;但就整个金属来说,生核和长大是同时进行的.图1.26 金属结晶过程示意图1.2.3.2 生核生核有两种方式.自发生核(均匀形核或均质形核) 在液态

47、下,金属中存在有大量尺寸不同的短程有序的原子集团.在高于结晶温度时,它们是不稳定的,但当温度降低到结晶温度以下,并且过冷度达到一定的大小之后,液体进行结晶的条件具备了,液体中那些超过一定大小(大于临界晶核尺寸)的短程有序原子集团开始变得稳定,不再消失,而成为结晶核心.这种从液体结构内部自发长出的结晶核心叫做自发晶核.温度愈低,即过冷度愈大时,金属由液态向固态转变的动力大,能隐定存在的短程有序原子集团的尺寸可以愈小,所以生成的自发晶核 图1.27生核速率与过愈多.但是过冷度过大或温度过低时,由于生成晶核所需要的原子的扩 冷度的关系散受阻,生核的速率反而减小.所以,生核速率与过冷度成图1.27所示的关系.非自发生核 实际金属往往是不纯净的,内部总含有这样或那样的外来杂质.杂质的存在常能促进晶核在其表面上的形成.这种依附于杂质而生成的晶核叫做非自发晶核.按照生核时能量有利的条件分析,能起非自发生核作用的杂质,必须符合结构相似,尺寸相当的原则.即只有当杂质的晶体结构和晶格参数与金属的相似和相当时,它才能成为非自发核心的基底,容易在其上生长出晶核.但是,有一些难熔杂质,虽然其晶体结构与金属的相差甚远,由于表面的微细凹孔和裂缝中有时能残留未熔金属,也能强烈地促进非自发核心的生成.自发生核和非自发生核是同时存在的,在实际金属和合金中,非自发生核比自发生核更