金属的晶体结构

1、 金属的晶体结构、组织及渗碳淬火处理    在外界条件固定的情况下，材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构。了解金属的结构和结晶规律，对控制材料的性能、正确选用材料、开发新材料有重要指导意义。一、金属的晶体结构 1纯金属的晶体结构 （1）晶体与非晶体     固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体。自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体

2、结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，    晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；   非晶体内部质点是散乱排列的。（2）晶格与晶胞     金属中的原子堆垛：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的    晶格：把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格    晶胞：晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中

3、各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。    由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。工程材料及成形工艺基础（a) 晶格与晶胞（3）常见金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，如下图所示。工程材料及成形工艺基础体心立方、面心立方、密排六方，晶格比较    体心立方晶格： 如图1-13a所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有：-Fe（温度低于912的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、-Ti（温度在8831668

4、的钛）等。  工程材料及成形工艺基础体心立方晶格    面心立方晶格：如图1-13b所示，面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。属于面心立方的金属有：-Fe（温度在9121394的铁）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）等。   工程材料及成形工艺基础面心立方晶格    密排六方晶格： 如图1-13c所示，密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。具有密排六方晶格的金

5、属有：镁（Mg）、锌（Zn）、-Ti（温度低于883的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。  工程材料及成形工艺基础密排立方晶格（5）实际金属晶体结构     晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。     点缺陷（空位、间隙原子）：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。    

6、空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畴变”，点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。 (a)点缺陷的形成                             （b)点缺陷造成的晶格畴变 点缺陷    线缺陷（刃型位错、

7、螺型位错）：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。     在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。 工程材料及成形工艺基础    面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的

8、小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。     晶界处的原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。晶粒之间位向差较大（大于10°15°）的晶界，称为大角度晶界；亚晶粒之间位向差较小。亚晶界是小角度晶界。     面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。 2合金的晶体结构  &#

9、160;  合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。   组元：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。    相：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。固溶体中的相结构主要有固溶体和金属化合物。   显微组织：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成

10、组织的基本物质。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。 （1）固溶体    固溶体：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质。    分类：根据溶质原子在晶格中占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两类。  工程材料及成形工艺基础 置换固溶体 间隙固溶体    置换固溶体：溶质原子占据晶格的正常结点，这些结点上的溶剂原子被溶质原子所替换，当合金中的二组元的原子半径相近时，更易形成这种置换固溶体。有些置换固溶体的溶解度有限，

11、称有限固溶体，但当溶剂与溶质原子的半径相当，并具有相同的晶格类型时，它们可以按任意比例溶解，这种置换固溶体称为无限固溶体。    间隙固溶体：溶质原子不占据正常的晶格结点，而是嵌入晶格间隙中，由于溶剂的间隙尺寸和数量有限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体，且这种固溶体的溶解度有限。    固溶体的性能：固溶体与纯金属相比，不仅具有高的强度和硬度，还有良好的塑性与韧性。一般合金都是以固溶体作为基体相。 工程材料及成形工艺基础固溶体中的晶格畴变    固溶强化：无论形成

12、哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。 （2）金属化合物     金属化合物：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。     金属化合物性能：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体

13、基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。     合金的组织可以是单相固溶体，但由于其强度不够高，其应用具有局限性；绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，可以改变合金的力学性能， 以满足不同的需要。 金属的同素异晶转变    大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少

14、数金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）在固态时会发生晶格类型的转变，这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构晶变。同素异晶转变也是成核长大过程。从Fe- Fe3C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故。3常见基本组织奥氏体（A）碳溶解在-Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持-Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727时溶碳为c= 0.77%,1148时可溶碳2.11%。奥氏体

15、是在大于727高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。铁素体（F）碳原子溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。铁素体为体心立方晶格，727度时溶碳能力最强，为0.0218%，是温室时溶碳能力约为0.006%。铁素体的力学性能特点为强度、硬度低，塑性、韧性好。珠光体（P）铁素体和渗碳体的共析混合物，一般情况下这两相呈相间分布。由于奥氏体向珠光体的转变温度不同，珠光体中铁素体及渗碳体片的厚度不同，一般分为三种名称：珠光体、索氏体、屈氏体。珠光体、索氏体、屈氏体均属于珠光体型组织，三者之间并无本质差别，且无严格的温度界限，只是片

16、层厚度不同。整体的含碳量约为0.77%，其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。温度范围：A1 550 马氏体（M）是碳溶于-Fe铁中的过饱和固溶体。 即无成分改变只有晶体结构的转变 奥氏体急冷至Ms（约230）线以下，过冷度极大，转变趋势极大，奥氏体极快地由面心立方变成体心立方，而碳原子来不及扩散，形成碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体，即马氏体马氏体转变开始点（Ms）：过冷奥氏体必须冷却到某一温度以下才能发生马氏体转变，此温度称为马氏体转变开始点或简称马氏体点。 马氏体转变终了点（Mf）：马氏体转变停止的温度。 马氏体硬度很高，但塑性和韧性都很低，断裂强度也不高，不

17、能直接使用。 形貌：决定于奥氏体的含碳量： 当Wc 1.0%时，全部形成针片状马氏体 M片； 当Wc 0.2%时，全部形成板条状马氏体 M条； 当0.2%Wc1.0%时，形成混合马氏体。 因碳在 Fe中的过饱和，晶格严重畸变，所以M片具有高硬度高强度，但塑性韧性低； M条具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。 马氏体转变的主要特点： 转变驱动力极大，转变中无原子扩散，高速形成。 转变总是进行不完全，存在残余奥氏体A。但碳素钢的残余奥氏体少，可忽略。合金钢则不能忽略。 在Ms以下降温过程中形成，等温过程马氏体量不增加。 转变过程伴随体积膨胀，导致工件变形。残余奥氏体残余奥氏体。所以，残余奥氏体是指钢

18、经加热奥氏体化后的快冷（淬火）至室温后未能转化为其他组织的那部分奥氏体。残奥是一直存在的，只有当奥氏体中含碳量到0.50以上时才能明显观察到。淬火不可能得到100的马氏体，余下未转变的奥氏体称为残余奥氏体。当大量马氏体形成后，剩下的奥氏体被分割成一块块很小的区域，它们被周围的马氏体包围而受到巨大的各向压力阻止其继续向马氏体转变。含碳量越高，残余奥氏体越多。残余奥氏体的产生原因：一、马氏体在形成时体积膨胀，对尚未转变得奥氏体产生多向压应力，抑制残余奥氏体的转变，二、钢的Mf点大多处于低于室温，在正常淬火冷却条件下，必然存在残余奥氏体消除方法：一、对淬火后的材料进行变形处理，利用形变为奥氏体转变提

19、供空间即形变诱发马氏体；二、深冷处理为尚未转变的奥氏体向马氏体的转变提供驱动力。三、回火可以减少或消除残余奥氏体，最有效的办法就是回火。4渗碳处理渗碳处理为增加钢件表层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。原理1分解渗碳介质的分解产生活性碳原子。2吸附活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中使奥氏体中含碳量增加。3扩散表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。处理工艺1、 直接淬火低温回火组织及性能特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变

20、形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低适用范围： 操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。2 、 预冷直接淬火、低温回火，淬火温度800-850组织及性能特点：可以减少工件淬火变形，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。适用范围： 操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。3、 一次加热淬火，低温回火，淬火温度820-850或780-810组织及性能特点：对心部强度要求较高者，采用820-850淬火，心部为低碳M，表面要求硬度高者，采用780-810淬火可以细化晶粒

21、。适用范围： 适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。4、 渗碳高温回火，一次加热淬火，低温回火，淬火温度840-860组织及性能特点：高温回火使M和残余A分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后残余A减少。适用范围： 主要用于CrNi合金渗碳工件 5、 二次淬火低温回火组织及性能特点：第一次淬火（或正火），可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织（850-870），第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的Ac1Ac3之间淬火，对心部性能要求高时要在Ac3以上淬火。适用范围： 主

22、要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。6、 二次淬火冷处理低温回火组织及性能特点：高于Ac1或Ac3（心部）的温度淬火，高合金表层残余A较多，经冷处理（-70/-80）促使A转变从而提高表面硬度和耐磨性。适用范围： 主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。7、 渗碳后感应加热淬火低温回火组织及性能特点：可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小，不允许硬化的部位不需预先防渗。如何做好渗碳质量检测渗碳件的质量检查项目包括炉前试样检查或完工检查。 完工检查包括外观、变形、硬度、渗碳层深度和金相组织。前三

23、个项目外观、变形、硬度的检查按常规方法进行，渗碳层深度和金相组织按照行业标准和国家标准进行。 渗碳及热处理后的金相组织检查项目及合格组织级别，随工件类型和规格的不同而有所不同。检查项目一般包括：渗层检查，包括表面含碳量、马氏体粗细程度、残余奥氏体数量、碳化物网的大小和封闭程度、粗大碳化物深度、裂纹；心部检查，包括铁素体数量和分布。 齿轮气体渗碳的质量检查按照JB/T 75161994 齿轮气体渗碳热处理工艺及其质量控制进行。渗碳件的缺陷有哪些？如何防止渗碳缺陷？（1）渗碳层中网状或大块花碳化物 产生的原因是渗碳碳势太高，使表面渗层含碳量太高合渗碳后冷却速度过慢。网状碳化物增加了表面脆性，渗层容

24、易剥落，降低使用寿命，容易使零件表面在淬火或磨削加工中产生裂纹。消除的办法是进行Acm以上的高温淬火或正火。预防办法是减低炉内碳势，延长扩散时间。 （2）渗碳层中大量残余奥氏体 产生的原因是渗碳剂浓度太高使表面含碳量过高、淬火温度太高。消除的办法是进行高温回火后重新加热淬火+回火或冷处理+回火。预防措施：降低炉内碳势，选择较低的淬火温度。 淬火剂温度偏高也是原因之一。淬火剂的温度越低，淬火冷却的终止温度距离马氏体转变终止点Mf也就越近，马氏体转变进行越充分，残余奥氏体就越少。反之，淬火剂温度高了，则残余奥氏体量也就多了。 （3）反常组织 一般在含氧量较高的钢（如沸腾钢）固体渗碳时出现，其特征是

25、网状碳化物和珠光体之间被一层铁素体所分离。这种组织淬火后易出现软点。消除的办法是适当提高淬火温度或适当延长淬火加热的保温时间，以便使组织均匀化，并选用更为剧烈的冷却剂淬火。 （4）渗碳零件中形成魏氏组织 在高温下进行长时间渗碳后，奥氏体晶粒会急剧长大，碳浓度也大大增加，在随后的缓慢冷却中，二次渗碳体很易于沿奥氏体晶粒的一定晶面析出，形成穿插在晶粒内部的白亮色的粗针，这种组织称为过共析魏氏组织。产生的原因是长时间过热渗碳和渗碳后冷却太缓慢。这种组织可通过渗碳后的两次加热淬火予以改善或完全消除。 在渗碳件的心部出现魏氏组织，这种魏氏组织的针状物是先共析铁素体。形成的原因是：原材料为本质粗晶粒钢或原

26、始组织中已有魏氏体组织，通过高温长时间渗碳，晶粒会更加粗大，在随后的缓慢冷却中，先共析铁素体以针状自晶界向晶内析出或在晶粒内部单独呈针状析出而形成白亮针状的魏氏组织。渗碳工艺不当。渗碳温度过高，保温时间太长，奥氏体晶粒特别粗大，导致冷却后出现魏氏组织，这种组织具有明显的过热特征。可通过正火处理来改善或消除。 （5）黑色组织 某些合金钢渗碳后，表层组织中出现沿晶界断续的网状黑色组织，其深度约为0.030.05mm，其特征与过烧组织相似。这种组织有时也成为非马氏体组织。它的出现会引起表层显微硬度值、耐磨性、零件疲劳强度和接触疲劳强度等降低。产生的原因是由于渗碳介质中的氧向钢内扩散，在晶界上形成铬、

27、锰、钛、硅等元素的氧化物，使得晶界处合金元素贫化，造成局部淬透性下降，而出现了黑色的奥氏体分解产物（屈氏体等）。消除的办法是直接把有黑色组织的表层磨削掉，或采用高冷却能力的淬火介质，或进行喷丸处理（非马氏体层0.02mm时）。 （6）过渡区中出现白色马氏体带 这些低碳合金渗碳钢在渗碳后空冷时，常常会出现最表层的组织为珠光体和碳化物，而距离表面有一定深度的共析层中出现白色的淬火马氏体和残余奥氏体带。而有的钢还会在渗层的过渡区中出现白色马氏体等。 形成上述组织的原因：虽然表面层中的含碳量较高，但它的碳大部门都形成了碳化物，因而降低了基体中的含碳量和合金元素浓度。这些因素使奥氏体很不稳定，渗碳后冷却时易于形成珠光体型的组织。 与表面层的情况相反，在离表面一定深度的共析层中，虽然含碳量低于表面，但由于未形成大量的合金碳化物，碳和合金元素均能较好地溶解到基体中，晶粒也比表面层的粗，因而