第二节金属学及热处理基本知识

1、第二节 金属学及热处理基本知识 一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性

2、能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。(一)晶体的特点对于晶体，大家并不生疏。食盐、水结成的冰，都是晶体。一般的固态金属及合金也都是晶体。并非所有固态物质都是晶体。如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。(二)典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。金属的晶格常见的有体心立方晶

3、格和面心立方晶格，如图14所示。体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。 图14 典型的金属晶体结构(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格 铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。这种晶格的转变，称为同素异晶转变。纯铁在常温下是体心立方晶格(称为-Fe)；当温度升高到910时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为-Fe)；再升温到1390时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。纯铁的这种特性非常重要，是钢材所以能通过各种

4、热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一。 二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识(一)合金的组织两种或两种以上的元素(其中至少一种是金属元素)，组合成的金属，叫做合金。根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：(1)固溶体 固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代，称为置换固溶体；如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子

5、之间的空隙中，称为间隙固溶体，见图15所示。  图15 固溶体示意图(a)置换固溶体；(b)间隙固溶体 两种元素的原子大小差别愈大，形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。(2)化合物 两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有较高的硬度，低的塑性，脆性也较大。(3)机械混合物 固溶体和化合物均为单相的合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成，称为机械混合物。它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；塑性和压力加工性能

6、则较差。(二)钢中常见的显微组织(1)铁素体(F)：铁素体是少量的碳和其它合金元素固溶于-铁中的固溶体。-铁为体心立方晶格，碳原子以填隙状态存在，合金元素以置换状态存在。铁素体溶解碳的能力很差，在723时为002，室温时仅0006。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢(如低碳钢)就表现出软而韧的性能。(2)渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁与碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。(3)珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为08左右，只有温度低于723时

7、才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。(4)奥氏体(A) 奥氏体是碳和其它合金元素在-铁中的固溶体。在一般钢材中，只有高温时存在。当含有一定量扩大区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢则在室温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一特点是没有磁性。(5)马氏体(M) 马氏体是碳在-铁中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此，由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎

8、不能承受冲击载荷。低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。(6)魏氏组织 魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60°的铁素体针嵌入基体的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。(二)铁碳合金平衡状态图钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量低于211的铁碳合金称为钢，含碳量211667的铁碳合金称为铸铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用Fe-C合金平衡状态图来表示这种关系，见图16。图上纵座标表示温度，横座标表示铁碳合金中碳的

9、百分含量。例如，在横座标左端，含碳量为零，即为纯铁；在右端，含碳量为667，全部为渗碳体(Fe3C)。 图16 Fe-C平衡状态图 图中ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。这条线说明纯铁在1535凝固，随碳含量的增加，合金凝固点降低。C点合金的凝固点最低，为1147。当含碳量大于43以后，随含碳量的增加，凝固点增高。AHJEF线为固相线。在AHJEF线以下的合金呈固态。在液相线和固相线之间的区域为两相(液相和固相)共存。GS线表示含碳量低于08的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。ECF水平线，1147，为共晶反应线。液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反

10、应，生成莱氏体组织。PSK水平线，723，为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。为了使用方便，PSK线又称为A1线，GS线称为A3线，ES线为Acm线。正点是碳在奥氏体中最大溶解度点，也是区分钢与铸铁的分界点，其温度为1147，含碳量为211。S点为共析点，温度为723，含碳量为08。S点成分的钢是共析钢，其室温组织全部为珠光体。S点左边的钢为亚共析钢，室温组织为铁素体+珠光体；S点右边的钢为过共析钢，其室温组织为渗碳体+珠光体。C点为共晶点，温度为1147，含碳量为43。C点成分的合金为共晶铸铁，组织为莱氏体。含碳量在21143之间的合金为亚共晶铸铁，组织为莱氏体

11、+珠光体+渗碳体；含碳量在43667之间的合金为过共晶铸铁，组织为莱氏体+渗碳体。莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物，其性硬而脆。现以含碳02的低碳钢为例，说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。当液态钢冷却至AC线时，开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；当温度下降到GS(A3)线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核，并随温度的下降，晶核不断长大；当温度下降到PSK(A1)线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；从A1下降至室温，其组织为铁素体+珠光体，不再变化，见图17。 图17 低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图

12、60;FeC合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义，尤其对焊接，可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化，选择焊后热处理工艺等。 三、钢的热处理将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。常用的热处理工艺方法有以下几种：(一)淬火将钢(高碳钢和中碳钢等)加热到A1(对过共析钢)或A3(对亚共析钢)以上3070，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却(水冷或油冷)，使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象

13、而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。(二)回火淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。回火温度在A1以下。按回火温度的不同可分为低温回火(150250)、中温回火(350450)、高温回火(500650)。低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。钢在淬火后再进行高温回火，这一复合热处理工艺称为调质。调质能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。(三)正火将钢加热到A3或Ac

14、m以上5070，保温后，在空气中冷却，称为正火。许多碳素钢和低合金结构钢经正火后，各项力学性能均较好，可以细化晶粒，常用来作为最终热处理。对于焊接结构，经正火后，能改善焊接接头性能，可消除粗晶组织及组织不均匀等。(四)退火将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却，称为退火。退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除内应力等。焊接结构焊接以后会产生焊接残余应力，容易导致产生延迟裂纹，因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。消除应力退火属于低温退火，加热温度在A1以下，一般采用600650，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却。亦称焊后热处理。金属材料及热

15、处理讲义主讲：河北理工大学冶金系冯运莉绪 论一、学习本课程的目的通过学习获得有关金属材料及热处理的基本知识，了解常用金属材料的成分及热处理对其组织和性能的影响，具备正确选择金属材料及热处理工艺的能力，为后续专业课程的学习打下一定的基础。二、本课程的内容有金属学、热处理、金属材料三方面组成。三、本课程的基本要求了解金属及合金的组织结构、结晶过程及二元相图的基本理论，为进一步学习热处理和金属材料打下基础；了解金属材料的热处理基本原理和工艺以及热处理工艺在零件加工过程中的作用，掌握钢热处理组织性能之间的关系，为合理选用热处理工艺打下必要的基础；掌握常用的铁碳合金、合金钢、有色金属及合金等金

16、属材料的成分、组织、性能和用途的基本知识；了解金相样品的制备和进行宏观及微观分析的方法，借助说明书具有阅读金相图片的初步能力。四、金属材料的性能指使用性能和加工性能。金属材料在使用条件下所表现的性能称为使用性能，它包括材料的物理、化学和机械性能。金属材料在冷、热加工过程中所表现的性能称为加工工艺性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能，热处理性能、切削加工性能等。五、先修课程：物理化学、材料力学、金属工艺学六、参考书目及期刊参考书目： 郑明新编：工程材料，清华大学出版社1991年 陈贻瑞，王健编：基础材料与新材料，天津大学出版社1993年。 刘永铨编：钢的热处理，冶金工业出版社1986年。

17、期刊：金属热处理、国外金属热处理、材料科学与工程、材料导报、材料工程、材料开发与应用、材料科学与工艺。第一章 金属的结构与结晶金属及合金在固态时通常都是晶体，它们的许多特性都与其结晶状态有关。要了解金属材料内部的微观构造，就必须首先掌握其晶体构造情况，包括晶体中原子是如何相互作用和结合起来的，原子的聚集状态和分布规律，各种晶体的特点和彼此之间的差异等等。所以在学习金属学这门课程时，也必须首先掌握好晶体结构方面的知识，作为进一步学习其它内容的重要基础。本章重点讲金属的晶体结构、金属的晶体缺陷和金属的结晶与铸锭三方面的内容。第一节   金属的晶体结构一、晶体的概念二、三种常见的

18、金属晶格三、三种典型晶格的致密度及晶面和晶向的分析四、晶体的各向异性一、晶体的概念固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体。我们在自然界中看到的许多物体如天然金刚石、结晶盐、水晶等都是晶体，而气体和液体都是非晶体。区别晶体和非晶体应从其内部的原子排列情况来确定。下面介绍晶体和非晶体的概念。1.  晶体:是指其原子在空间呈有规则的周期性重复排列的物体。2.  非晶体:是指其原子在空间呈无规则排列的物体。下图为一种最简单的晶体结构简单立方晶体晶体之所以具有这种规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。为便于分析各种晶体中的原子排

19、列规律或形式，我们常以通过各原子中心的一些假想联线把它们在三维空间里的几何排列形式描绘出来。3.  晶格：各联线的交点称为结点，在结点上的小圆圈（或黑点）表示各原子中心的位置，我们把这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格（或点阵）。4. 晶胞：组成晶格的这种最基本的几何单元即组成晶体点阵的最小的平行六面体，叫做晶胞。晶胞的各边尺寸a、b、c叫晶格常数，其大小常以A（埃）为计量单位（1A=1×10-8cm）；晶胞各边之间的相互夹角常分别用、及表示。如图所示的晶胞，晶格常数a=b=c，=90°，这种晶胞叫做简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。简

20、单立方晶格只能在非金属晶体中看到，在金属中则看不到。二、三种常见的金属晶格（一）体心立方晶格（二）面心立方晶格（三）密排六方晶格（一）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞（见下图）是由八个原子构成的立方体，并在其立方体的中心还有一个原子。因其晶格常数a=b=c，通常只用常数a表示。由图可见，这种晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密相接触排列着的，则立方体对角线的长度为31/2a，由该对角线长度31/2a上所分布的原子数目（共2个），可计算出其原子半径的尺寸r= 31/2a /4。在体心立方晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有，实际上每个体心立方晶胞中仅包含有：1/8×

21、;8+1=2个原子。属于这种晶格的金属有铁（912，-Fe)、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（w）、钒（V）等。（二）面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞见下图也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每一面的中心还各有一个原子。 在面心立方晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，其原子半径的尺寸为r=21/2a/4。 因每一面心位置上的原于是同时属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶胞中包含有：1/8×81/2×6=4个原子。 属于这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）等。（三）密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同，它不仅由12个原子所构成

22、的简单六方体的上下两个六方面的中心还各有一个原子，而且在两个六方面之间还有三个原子。 密排六方晶格的晶格常数比值c/a1.633。 属于这种晶格的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等。 在密排六方晶胞中，因上下两个面的对角线上各原子彼此相互接触排列着，对角线长度为2a（2个原子），则原子半径为a /2。 六方体每个角上的原子属相邻六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子同时为两个晶胞所共有，再加上晶胞内的三个原子，所以晶胞中的原子数为：1/6×6 ×2+1/2 ×2 +3=6个原子。三、三种典型晶格的致密度及晶面和晶向的分析（一）晶格的致密度（二）晶

23、面及晶向指数（三）晶面及晶向的原子密度（一）晶格的致密度1. 晶格的致密度：指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。K=nV1/V，其中n为一个晶胞所包含的原子数，V1为一个原子原子的体积， V为晶胞的体积。例如：在体心立方晶格中，每个晶胞含有两个原子，原子半径r= 31/2a /4，晶胞体积为a3，所以体心立方晶格的致密度为：2×4/3r3/a3=2 ×4/3（ 31/2a /4）3/ a3=0.68，即晶格中有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。同样可求出面心立方及密排六方晶格的致密度均为0.74，而简单立方晶格的致密度仅为0.52。2.  配位数

24、：指晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。配位数越大，原子排列也就越紧密。在体心立方晶格中，以立方体中心的原子来看，与其最近邻等距离的原子数有8个，所以体心立方晶格的配位数为8。（二）晶面及晶向指数1. 晶面：晶体中各种方位上的原子面叫晶面2.  晶向：任意两个原子之间的连线所指的方向叫晶向。为便于分析，给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面和晶向的这种符号分别叫晶面指数和晶向指数。3. 确定晶面指数的方法（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单

25、位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；（2）将所得三截距之值变为倒数；（3）将三个倒数按比例化为最小整数，即为晶面指数。表示为（hkl）。例：求下图带影线的晶面指数（1）取它与OX、OY、OZ三坐标轴的截距：1、2、（2）三截距的倒数为：1、1/2、0（3）化为最小整数后的晶面指数为：（210）立方晶格中的三种重要晶面如右下图所示注意： 所谓晶面指数，并不是指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。另外，在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的位向不同，但各晶面中的原子排列相同时，如（100）、（010）及（001）等，这时若无必要予以区别，则可把这些晶面统

26、用100一种晶面指数来表示，换句话说，即（hkl）这类符号系指某一确定位向的晶面指数，而hkl则可指所有那些位向不同而原子排列相同的晶面指数。4. 晶向指数的确定方法（1）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；（2）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；（3）求出该直线上任意一点的三个坐标值；（4）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶向指数，其一般形式为uvw。 如欲求右图中AB的晶向指数，可通过与其平行的OP直线上的任意一点的坐标化简而求出为110。 右图所示的以100、110及111晶向为在立方晶格中最具有意义的三种晶向

27、。 与晶面指数的表示方法相类似，如100、010、001等具有相同原子排列的晶向，若无必要区分时，可笼统用100这种符号来表示。 在立方晶格中，凡指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。（三）晶面及晶向的原子密度 晶面的原子密度：指其单位面积中的原子数； 晶向原子密度：指其单位长度上的原子数； 在各种晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。 四、晶体的各向异性 晶体的各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同，叫晶体的各向异性。晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要标志之一。

28、 晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻率、磁导率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得性能优异的产品。 如制作变压器用的硅钢片，因它在不同晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的100晶向平行于轧制方向，从而得到优异的磁导率。第二节   金属的实际结构和晶体缺陷一、多晶体结构二、晶格缺陷一、多晶体结构如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致时，我们称这块晶体为“单晶体”。1.  单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体叫单晶体。

29、但在工业金属材料中，除非专门制作，则都不是这样，而那怕是在一块很小的金属中也包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。2.  多晶体：金属材料通常是由许多位向不同的小晶体所组成，称为多晶体。3.  晶粒：把外形不规则的颗粒状小晶体叫做晶粒。4.  晶界：晶粒与晶粒之间的界面叫晶粒间界或简称晶界。显然，晶界处的原子排列，为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总是不规则的。晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一般在10-110-3 mm左右，故必须在显微镜下才能看见。5.  显微组织：在显微镜下所观察到的金属中

30、的各种晶粒的大小、形态和分布叫做显微组织。如左下图为纯铁显微组织。纯铁显微组织亚晶 在每个晶粒的内部，实际上也不是那么理想，即每个晶粒内部的晶格位向在不同区域上还有微小的差别，一般仅1020左右，最多达12°，这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域叫做“亚晶”或“嵌镶块”。如图。二、晶格缺陷随着科学技术的发展，人们不仅看到了晶粒中的亚晶，而且还进一步发现金属中存在大量的各种各样的晶格缺陷。这些晶格缺陷按其几何形式的特点可分为如下三类：（一）点缺陷（二）线缺陷（三）面缺陷（一）点缺陷最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。如图，当晶格中某些原子由于某种原因（如热振动的偶然偏差等）脱离其

31、晶格结点而转移到晶格间隙时便会造成这些点缺陷。由于这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变。（二）线缺陷1. 线缺陷即晶格中的“位错线”，或简称“位错”。其特征是缺陷在两个方向上的尺寸很小，而第三个方向上的却很大，甚者可以贯穿整个晶体。2. 位错：是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果，晶体滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。右图为因该晶体的右上部分相对于右下部分的局部滑移所造成的最简单的一种位错，由于右上部分的局部滑移，结果在晶格的上半部中挤出了一层多余的原子面，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘便为位错线，这种位错线叫做“刃型位错”。沿位错

32、线的周围，晶格发生了畸变。3.  刃型位错：晶体因滑移而出现的多余半原子面，相当于插入晶体并终止于滑移面的刀刃，故称为刃位错。通常将多余半原子面位于滑移面上部的刃位错定为正刃位错，用符号表示；反之，为负刃位错。金属晶体中的位错线往往大量存在，相互连结呈网状分布。位错线的密度通常在1041012cmcm3范围内。 （三）面缺陷面缺陷：其特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小，而其余两个方向上的尺寸则很大。如晶界、亚晶界和相界等。这两种晶格缺陷，都是因晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的；但在小角度位向差的亚晶界情况下，则可把它看成是一种位错线的堆积或称“位错壁”。 通

33、过上述讨论可见，凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界愈多，位错密度愈大，金属的强度便愈高。第三节 金属的结晶与铸锭一、结晶的概念1. 结晶：一切物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为“结晶”。凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”，高于此温度便发生熔化，低于此温度才能进行结晶；在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。而一切非晶体物质则无此明显的平衡结晶温度，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。为什么纯元素的结晶都具有一个严格

34、不变的平衡结晶温度呢? 这是因为它们的液体与晶体二者之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。例如，两个不同温度的物体相接触时，具有较高温度的物体便会把它多余的热能传至低温物体，直至二者的温度相同，即达到二者的能量平衡为止。2. 自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量叫做自由能（F）。同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如上图  因此便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论结晶温度（T0）。低于理论结晶温度时，由于液相的自由能（F液）高于固相晶体的自由能（F晶），液体向晶体的转变伴随着能量降低，因而有可能发生结晶。

35、3. 驱动力：要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，即液体与晶体间的自由能差（F= F液- F晶）是液态金属结晶的驱动力。4.  过冷度：实际结晶温度（T1）与理论结晶温度（T0）之间的温度差叫过冷度（ T=T0-T1）。金属液体的冷却速度愈大，过冷度便愈大，而过冷度愈大，自由能差 F便愈大，即所具结晶驱动力愈大，结晶倾向愈大。由于结晶时总伴有一定的能量释放，即所谓“结晶潜热”，利用这一热效应，便可以进行实际结晶温度的测定，这种测定结晶温度的方法叫“热分析法”。将欲测定的金属首先加热熔化，而后以缓慢的速度进行冷却；冷速愈慢，测得的实际结晶温度便愈接近于理论结晶温度。冷却时

36、，将温度随时间变化的曲线记录下来，便可得到如图示意的“冷却曲线”。冷却曲线出现水平台阶的温度即为实际的结晶温度。水平台阶的出现是因为结晶时的潜热析出补偿了金属向环境散热引起的温度下降。必须指出，在水平台阶出现之前，还经常会出现一个较大的过冷现象，为结晶的发生提供足够的推动力；而一旦结晶开始，放出潜热，便会使其温度回升到水平台阶的温度。二、结晶时晶核的形成和成长过程金属的结晶是一个晶核的形成和成长的过程。液体从高温冷却到结晶温度的过程中，其结构就已经开始向晶体状态发生逐渐的过渡，即随时都在不断地产生许多类似晶体中原子排列的小集团，其特点是不仅尺寸较小、大小不一，而且极不稳定、时聚时散。这种不稳定

37、的原子排列小集团，便是随后产生晶核的来源，我们称它为“晶胚”。当液体被过冷至结晶温度以下时，某些具有较大尺寸因而比较稳定的晶胚便有了条件进一步成长，这些真正能够得到成长的晶胚便叫做“晶核”。在晶核开始成长的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也大多是比较规则的。随着晶核的成长，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其它部位，因而便得到优先成长，如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间填满，这种成长方式叫“枝晶成长”。冷却速度愈大，过冷度愈大，枝晶成长的特点便愈明显。图为锑锭表面因枝间未被填满而呈现的树枝状结晶。我们可以把金属的结晶过程用右图示意地表示出来。图中不仅表示出了晶核的形成和枝

38、晶成长的过程，并大致地表示出了结晶过程中的速度在开始时较慢，中间较快，而后又变慢的一般规律。 这是因为在结晶刚开始时，晶核形成的数量极少，故结晶很慢。一般把这个阶段叫做结晶过程的“孕育期”；随后因大量晶核的形成和成长同时并进，于是结晶过程便加速进行；但至各晶体成长达到相互接触以后，结晶过程的速度又逐渐变慢。在枝晶成长的过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用和彼此间的碰撞，以及杂质元素的影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的嵌镶块、亚晶界以及位错等各种缺陷。三、影响晶核的形成和成长速率的因素在一定体积的金属中，如果晶核的形成速率很大，而成长速率很小，即在单位时

39、间内产生大量的晶核而又都成长得很慢，则所得到的晶粒便会很细。影响晶核的形成率和成长率的最重要因素是结晶时的过冷度和液体中的不熔杂质。（一）过冷度的影响（二）未熔杂质的影响（一）过冷度的影响金属结晶时的冷却速度愈大，过冷度便愈大，不同过冷度T对晶核的形成率N（晶核形成数目/s*mm3）和成长率G（mms）的影响如图所示。过冷度等于零时，晶核的形成率和成长率均为零。随着过冷度的增加，晶核的形成率和成长率都增大，并在一定的过冷度时各自达到一最大值。而后当过冷度再进一步增大时，它们又逐渐减小，直至在很大过冷度的情况下，二者又先后各趋于零。过冷度对晶核的形成率和成长率的这些影响，主要是因为在结晶过程中有

40、两个因素同时在起作用。一个因素是晶体与液体的自由能差（F），它是晶核形成和成长的驱动力；另一因素是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），它是晶核形成和成长的必需条件。当原子的扩散系数太小时，晶核形成和晶体成长是难以进行的。如图所示，随着过冷度的增加，晶体与液体的自由能差便愈大，而液体中的原子扩散系数却迅速减小。 由于这两种随过冷度不同而作相反变化的因素的综合作用，便使晶核的形成率和成长率与过冷度的关系上出现一个极大值。在过冷度较小时，虽然原子的扩散系数较大，但因作为结晶推动力的自由能差较小，以致晶核的形成率和成长率便都较小；在过冷度较大时，虽然作为结晶驱动力的自由能差很大，但由于原子的

41、扩散在此情况下相当困难，故也难使晶核形成和成长；而只有两种因素在中等过冷情况下都不存在明显不利的影响时，晶核的形成率和成长率才会达到其极大值。在图中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得到的晶粒度的对比，从中可以得到一个十分重要的结论，即在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈大时，形核率越大，金属的晶粒便愈细。至于图中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的结晶，一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示。近年来通过对金属液滴施以每秒上万度的高速冷却发现，在高度过冷的情况下，其晶核的形成率和成长率确能再度减小为零，此时金属将

42、不再通过结晶的方式发生凝固而形成非晶态金属。（二）未熔杂质的影响任何金属中总不免含有或多或少的杂质。有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿着这些现成的固体质点表面产生晶核，减小它暴露于液体中的表面积，使表面能降低，其作用甚至会远大于加速冷却增大过冷度的影响。晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响。一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度就愈高，塑性和韧性也愈好。因此，在工业生产中，经常通过细化晶粒的途径来改善金属的机械性能。变质

43、处理：在金属结晶时，故意向液体金属中加入某种难熔杂质来有效地细化金属的晶粒，以达到改善其机械性能的目的，这种细化晶粒的方法叫做“变质处理”，加入的难熔杂质叫“变质剂”或“人工晶核”。由于变质处理对细化金属晶粒的效果比增加结晶时的冷却速度或过冷度的效果更好，因而变质处理方法目前在工业生产上得到了广泛的应用。例如向铝中加入微量的钛，向铝硅合金中加入少量的钠或钠盐，向铸铁中加入硅；钙等都是典型的实例。四、金属铸锭的组织钢锭剖面组织示意图金属的结晶，除过冷度和未熔杂质两个最重要的影响因素以外，还可能受其它各种各样的因素影响。下面对金属铸锭组织进行讨论，包括：（一）表面细晶粒层（二）柱伏晶粒层（三）中心

44、等轴晶粒区（一）表面细晶粒层   表面细晶粒的形成主要是因为钢液刚浇入锭模后，模壁温度较底，表面金属遭到剧烈的冷却，造成了较大的过冷所致。此外，模壁的人工晶核作用也是这层晶粒细化的原因之一。（二）柱伏晶粒层柱状晶粒的形成主要是因为铸锭垂直于其模壁散热的影响。在表面细晶粒形成后，随着模壁温度的升高，铸锭的冷却速度便有所降低，晶核的形成率不如成长率大，各晶粒便可得到较快的成长，而此时凡枝轴垂直于模壁的晶粒，不仅因其沿着枝轴向模壁传热比较有利，而且它们的成长也不至因相互抵触而受限制，所以只有这些晶粒才可能优先得到成长，从而形成柱状晶粒。（三）中心等轴晶粒区随着柱状晶粒发展到一定程

45、度，通过已结晶的柱状晶层和模壁向外散热的速度愈来愈慢，剩余在锭模中部的液体温差也愈来愈小，散热方向性已不明显，而趋于均匀冷却的状态；同时由于种种原因如液体金属的流动可能将一些未熔杂质推至铸锭中心，或将柱状晶的枝晶分枝冲断，飘移到铸锭中心，它们都可成为剩余液体的晶核，这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同，因而便形成较粗大的等轴晶粒区。由上述可知，钢锭组织是不均匀的。从表层到心部依次由细小的等轴晶粒、柱状晶粒和粗大的等轴晶粒所组成。改变凝固条件可以改变这三层晶区的相对大小和晶粒的粗细，甚至获得只有两层或单独一个晶区所组成的铸锭。钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因为钢的塑性较差，而且柱状晶平行排列呈

46、现各向异性，在锻造或轧制时容易发生开裂，尤其在柱状晶层的前沿及柱状晶彼此相遇处，当存在低熔点杂质而形成一个明显的脆弱界面时，更容易发生开裂。生产上经常采用振动浇注或变质处理等方法来抑制结晶时柱状晶粒层的扩展。对于某些铸件如涡轮叶片，则常采用定向凝固法有意使整个叶片由同一方向、平行排列的柱状晶所构成。因为这种结构沿一定方向能承受较大的负荷而使涡轮叶片具有良好的使用性能。此外，对具有良好塑性的有色金属（如铜、铝等）也希望得到柱状晶组织。因为这种组织较致密，对机械性能有利，而在压力加工时，由于这些金属本身具有良好的塑性，并不致于发生开裂。在金属铸锭中，除组织不均匀外，还经常存在有各种铸造缺陷，如缩孔

47、、疏松、气泡及偏析等。缩孔的形成是因为钢液凝固要发生体积收缩。当钢液在钢锭模中由外向内、自下而上凝固时，由于液面的下降，最后凝固的部位得不到钢液的补充，便会在钢锭的上部形成缩孔。缩孔周围的微小分散孔隙叫疏松，它主要是由于枝晶在成长的过程中因枝间得不到钢液的补充而形成的。在缩孔和疏松的周围，还常会积聚各种低熔点的杂质而形成所谓区域偏析。此外，钢锭中还可能存在气泡、裂纹、非金属夹杂以及晶内化学成分不均匀（或叫晶内偏析）等缺陷。生产中常需对金属的铸锭及其压力加工产品进行各种宏观检验和显微分析，以便改善组织，提高它们的性能。第一章 小结 在本章中，重点掌握晶体结构的各种基本概念；金属的三种典型晶格及特

48、点；立方晶系中晶面、晶向指数的表示方法；金属的结晶过程及金属铸锭的三个晶区；过冷度的概念；过冷度对结晶过程的影响规律及获得细晶的方法。习题一、解释名词晶格、晶胞、单晶体、多晶体、晶粒、晶体的各向异性、刃型位错、结晶、过冷度、变质处理二、填空题1. 晶体与非晶体最根本的区别是2. 点缺陷有和两种，面缺陷中存在大量的。3. -Fe、-Fe的一个晶胞内的原子数分别为和。4. 液态金属结晶时，结晶过程的驱动力是。5. 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是。6. 细化晶粒可以通过和两种途径实现。7. 金属铸锭的三个晶区分别为、。8.  过冷度是指，其表示符号为。三、选择正确答案1. 晶体

49、中的位错属于：a.点缺陷； b.面缺陷；c.线缺陷2. 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：a.100；b. 110；c. 111。3. 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：a.100；b. 110；c. 111。4.为细化晶粒，可采用：a.快速浇铸；b.加变质剂c.以砂型代金属型。5. 实际金属结晶时，通过控制晶核的形成率N和成长率G 的比值来控制晶粒大小，在下列情况下获得粗大晶粒：a.N/G很大时；b.N/G很小时；c.N/G居中时。四、综合分析题1. 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？-Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属

50、何种晶体结构？2. 已知-Fe的晶格常数a=2.87×10-10 m，-Fe的晶格常数a= 3.64×10-10 m，试求出-Fe和-Fe的原子半径和致密度。3. 作图表示立方晶系中的（110）、（112）、（111）晶面和111、110、010晶向。第二章   金属的塑性变形与再结晶由于铸态金属中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不致密及杂质偏析等缺陷，故工业上的金属材料大多要在浇注后经过压力加工再予使用。通过压力加工时的塑性变形，金属的组织会发生很大的变化，可使某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给金属的组织和性能带来某些不利的影响，因

51、此在压力加工之后或在其加工的过程中，还经常对金属进行加热，使其发生回复与再结晶，以消除不利影响。本章对此分别进行叙述。第一节   金属的塑性变形一、金属的变形和断裂（一）应力应变曲线金属在外力的作用下，随着应力的增加可先后发生弹性变形、弹塑性变形，断裂三个变形过程。右图为低碳钢在拉伸试验时的应力一应变曲线。1. 弹性变形如图所示，在应力（） 低于弹性极限（e）时，钢所发生的变形即弹性变 形，其特点是在外力去除后它便可以完全恢复，并 且其应力（）与应变（）成比例：=E ，即遵守“虎克定率”。 比率常数 E 称为“弹性模量”，它反映金属对弹性变形的

52、抗力，代表材料的“刚度”。 弹性变形的实质:是在应力的作用下，金属内部的晶格发生了弹性的伸长或歪扭，但未超过其原子之间的结合力，故外力去除后，其变形便可完全恢复。 弹性变形的特点：可逆性、单值性和变形量很小三个特点。当应力大于弹性极限时，钢不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。2塑性变形：不能恢复的变形便叫塑性变形。通常用屈服极限（s）表示金属对开始发生微量塑性变形的抗力。 塑性：是指金属能发生塑性变形的量或能力，用伸长率（%）或断面减缩率（%）表示。 塑性变形的实质是金属内部的晶粒发生了压扁或拉长的不可恢复的变形。随着应力的

53、增加，钢的塑性变形逐渐增大，至应力达到强度极限（b）之后，试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大至K点而发生断裂。  强度极限（b）：表示金属产生不均匀塑性变形的抗力，即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积。b=Pb/F0（二）金属的断裂1韧性断裂：材料经明显的塑性变形后而发生的断裂叫韧性断裂。韧性断口：呈杯锥状，因其内部的晶粒都被拉长成为细条状，因而韧性断裂的断口也称纤维状断口，灰暗无光。2脆性断裂：断裂前未产生明显塑性变形的断裂称为脆性断裂。通常以单向拉伸的断面收缩率小于5%者为脆性断裂。 脆性断裂可沿晶界发生，亦可穿过各个晶粒发生，前者叫晶间断裂或叫沿晶断裂，

54、断口凹凸不平；后者叫穿晶断裂，断口比较平坦。生产上常用断口分析去判明断裂性质并找出其断裂原因。二、金属单晶体的塑性变形为便于了解实际金属多晶体的塑性变形过程，我们先来分析一下金属单晶体是怎样发生塑性变形的。金属单晶体的塑性变形方式：滑移与孪生，但一般在大多数情况下都是以滑移方式进行的。（一）滑移现象1滑移：晶体在外力的作用下，其中一部分相对于另一部分沿一定的晶面和该晶面上的一定晶向而产生的相对滑动。 如图，当我们对一单晶体试样进行拉伸时，外力（P）将在晶内一定的晶面上分解为两种应力，一种是平行于该晶面的切应力（），一种是垂直于该晶面的正应力（）。正应力只能引起晶格的弹性伸长，或进一步把晶体拉断

55、。切应力则可使晶格在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。通过大量晶面的滑移，最终便使试样被拉长变细，2滑移面和滑移方向：晶体的滑移通常是沿着一定的晶面和晶向发生的，此晶面称为滑移面，此晶向称为滑移方向。3滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。4滑移系数：滑移面数与滑移方向数的乘积就叫该晶体的滑移系数。（二）滑移变形的四个要点：（1）滑移只能在切应力的作用下发生。（2）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。 金属的滑移为什么沿原子排列密度最大的晶面和晶向发生？因为原子排列密度最大的晶面面间距最大，面与面之间的结合力最弱，切变阻力最小，最容易沿这些晶面发生滑移。而在原子排列密

56、度最大的晶向上原子间距最小，位错的柏氏矢量最小，滑移阻力最小。 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是（110）晶面，原子密度最大的晶向是111晶向，体心立方晶格中共有6种不同位向的110晶面，即共有6种滑移面，每种滑移面上各有2个111滑移方向，故体心立方晶格共有6×2=12个滑移系。 面心立方晶格的滑移系亦为12而密排六方晶格的滑移系为3。 滑移系愈多，金属发生滑移的可能性便愈大，金属的塑性便愈好，特别是其中滑移方向的数目比滑移面数目的作用更大。 故具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系，但铁的塑性不如铜及铝。 而具有密排六方晶格的镁及锌等，因

57、其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立方晶格的金属为差。（3）滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整倍数，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。但这种台阶一般在显微镜下是看不到的，因为在制备试样时已经把它磨掉。若将试样先抛光而后变 形，再在显微镜下观察时，则可在试祥的表面上看到  一条条的变形痕迹，这些变形痕迹称为滑移带。若在电子显微镜下观察，便会发现任一条滑移带实际上就是由若干条反映着这种台阶的“滑移线”所构成。（4）滑移的同时必然伴随有晶体的转动。如右图所示，当外力作用于单晶体试样上时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力则组成一力偶