金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

一、純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬在固態(tài)下都是晶體。金屬的性能、塑性變形和熱處理相變都與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬中最常見(jiàn)的晶格有三鐘：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶體缺陷根據(jù)幾何形態(tài)可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。

2、金屬的結(jié)晶

金屬?gòu)囊后w狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w（晶體）狀態(tài)的過(guò)程叫做金屬的結(jié)晶。

(1)冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象

物質(zhì)冷卻過(guò)程中溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線叫冷卻曲線。金屬結(jié)晶的冷卻曲線可用熱分析法測(cè)定，其測(cè)定過(guò)程如下：先將金屬熔化并使溫度盡可能均勻，然后以一定的速度冷卻，記錄下溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制在溫度-時(shí)間坐標(biāo)中，便可獲得如圖1所示的冷卻曲線。由于結(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了金屬向外界散失的熱量，冷卻曲線上出現(xiàn)了一段水平線，這段水平線所對(duì)應(yīng)是溫度就是金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度。實(shí)驗(yàn)表明，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度（平衡結(jié)晶溫度）T0，這種現(xiàn)象叫做過(guò)冷。過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件，T1和T0之間的差值△T叫做過(guò)冷度，即△T=T0-T1。

(2)結(jié)晶過(guò)程

結(jié)晶過(guò)程是形核及晶核長(zhǎng)大的過(guò)程。

3、金屬的同素異構(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，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)

變的金屬有鐵、鈷、鈦、錫、錳等。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為該金屬的同素異晶體。

二、合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

相：指合金（或純金屬）中具有同一成分、結(jié)構(gòu)、性能，并以界面互相分開(kāi)的均勻的組成部分。

1、合金的相結(jié)構(gòu)

根據(jù)構(gòu)成合金的各元素之間的相互作用，合金中的相結(jié)構(gòu)可以分為固溶體和金屬化合物兩大類型。

（1）固溶體

當(dāng)液態(tài)合金凝固后，組元之間仍能互相溶解，形成在某種元素的晶格中溶有其它元素原子的相，這種相就稱為固溶體。

（2）金屬化合物

2、二元合金狀態(tài)圖

合金狀態(tài)圖又稱合金平衡圖或合金相圖，是表示在平衡條件下合金的狀態(tài)和溫度、成分之間的關(guān)系圖解。它反映了合金系中不同成分的合金在無(wú)限緩慢加熱或冷卻時(shí)的組織變化規(guī)律，是選擇合金成分、分析合金的顯微組織、研究合金的性能和制定鑄造、鍛造、熱處理工藝的重要依據(jù)。

（1）勻晶狀態(tài)圖：兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶的狀態(tài)圖。

這類合金凝固時(shí)都從液相結(jié)晶出固溶體，這種結(jié)晶過(guò)程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。

（2）共晶狀態(tài)圖：兩組元在液態(tài)完全互溶，并具有共晶轉(zhuǎn)變的狀態(tài)圖。

共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，從一定成分的均勻液相中同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩種固相的轉(zhuǎn)變。

（3）包晶狀態(tài)圖：兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，并且有包晶轉(zhuǎn)變的狀態(tài)圖。

包晶轉(zhuǎn)變：在恒溫下，一定成分的液相和它所包圍的已結(jié)晶出來(lái)的一定成分的固相作用，形成另一個(gè)成分的新固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

三、鐵—碳相圖

1、鐵—碳相圖

鋼是一定成分范圍的鐵碳合金，鐵碳合金相圖表示不同成分的鐵碳合金在不同溫度下的不同平衡組織，如圖Fe-Fe3C相圖所示。

由Fe-Fe3C相圖可以查出一定成分的鐵碳合金發(fā)生平衡相變的溫度，即臨界點(diǎn)；可以預(yù)測(cè)出在不同溫度區(qū)域發(fā)生的相變過(guò)程和冷卻到常溫時(shí)可能得到的平衡組織。鐵碳合金相圖中各特性點(diǎn)說(shuō)明見(jiàn)表Fe-Fe3C相圖中的幾個(gè)特性點(diǎn)，各特性線說(shuō)明見(jiàn)表Fe-Fe3C相圖中的特性線。

根據(jù)鐵碳合金相圖，含碳量小于2.11%為碳鋼，大于2.11%為鑄鐵。根據(jù)組織特征，從鐵碳合金相圖中將鐵碳合金按含碳量多少分為七大類：

（1）工業(yè)純鐵，含碳量＜0.0218%；

（2）共析鋼，含碳量0.77%；

（3）亞共析鋼，含碳量0.0218%～0.77%；

（4）過(guò)共析鋼，含碳量0.77%～2.11%；

（5）共晶白口鑄鐵，含碳量4.30%；

（6）亞晶白口鑄鐵，含碳量2.11%～4.30%；

（7）過(guò)晶白口鑄鐵，含碳量4.30%～6.69%；

2、金屬組織

金屬：具有不透明、金屬光澤良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性并且其導(dǎo)電能力隨溫度的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質(zhì)。金屬內(nèi)部原子具有規(guī)律性排列的固體（即晶體）。合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質(zhì)。

固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙或結(jié)點(diǎn)，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強(qiáng)度升高，這種現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。

化合物：合金組元間發(fā)生化合作用，生成一種具有金屬性能的新的晶體固態(tài)結(jié)構(gòu)。

機(jī)械混合物：由兩種晶體結(jié)構(gòu)而組成的合金組成物，雖然是兩面種晶體，卻是一種組成成分，具有獨(dú)立的機(jī)械性能。

鐵素體：碳在 a-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。

奧氏體：碳在 g-Fe（面心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。

滲碳體：碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物（Fe3c）。

珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）

萊氏體：滲碳體和奧氏體組成的機(jī)械混合物（含碳 4.3%）

（上圖為鐵碳相圖各階段對(duì)應(yīng)的金屬組織）

金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。

為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過(guò)熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過(guò)熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。

審核編輯 ：李倩