金属的结晶和合金的结构

1、金属的结晶和合金的结构金属的晶体结构固体物质按其原子排列的特性，可分为晶体和非晶体两种。非晶体的原子的排列是不规则的，而晶体原子的排列是按一定次序作有规则的排列。为了便于表明晶体内部原子排列的规律或形式，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，各联线的交点称为“结点”，在结点上小圆圈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）。组成晶格的这种最基本的几何单元，我们把它叫做“晶胞”，晶体中各棱边长度叫“晶格常数”。各种金属晶体结构的主要差别，就在于晶格类型和晶格常数的不同。金属元素中，约有90%以上的金属晶体都属于如

2、下三种密排的晶格结构。体心立方晶体体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并在其立方体的体积中心还有一个原子。因其晶格常数a=b=c，故通常只用一个常数a来表示，属于这一类的金属有铬、钼、铁等。面心立方晶体面心立方晶格的晶胞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管一个原子。属于这类晶格结构的金属有铝、铜、镍、铅等。密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上、下底面中心处各有一个原子，还有上、下两个六方面的中间有三个原子，属于这一类的金属有铍、镁、锌、镉等。 金属的结晶过程和同素异晶转变金属的结晶过程液态金属由液态变为固体时，原子由无序状态转变为按一定几何形状作有序的排列

3、。金属的这种由液态转变为晶体的现象叫做结晶。液态金属的结晶过程也就是凝固过程，可分为两个过程，即晶核的形成和晶核的成长。晶核的形成是由液态金属原子核自发地聚集在一起，或由金属中一些外来的微细的固态质点形成。当晶核形成后，金属外围原子以此晶核为中心，按一定几何形状不断地排列起来，从而形成晶体。在晶体成长的同时，新的晶核又陆续出现，它们同样也形成晶体。这样许多晶体在结晶过程中同时长大，直至两个相邻晶体互相接触，合并为止。当全部长大的晶体都互相抵触时，液态金属即已耗尽，结晶过程也就完成了。（二）金属的同素异晶转变金属在固态时改变其晶格类型的过程，叫做金属的同素异晶转变。这一转变与液态结晶过程很相似，

4、也包括晶核的形成和晶粒的成长两个阶段，故又叫做二次结晶（或重结晶），以区别于由液态转变为固态的初次结晶。合金的结构组成的合金的元素叫做组元，简称元。两种或两种以上的组元相互作用，可以形成化合物、固溶体和机械混合物三种基本组成物。化合物这是合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它具有与组元原来晶格不同的特殊的新晶格，如Fe3C是铁和碳组成的化合物。溶液有些金属的组元之间可以互相溶解。如所谓固溶液就是溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。混合物当组成金属的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物。而是按一定的重量比例，以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物

5、。第三节 铁碳合金铁碳合金是以铁为基础的合金，也是钢和铁的通称，它是工业上应用最广泛的合金。钢和铁虽是多成分的复杂合金，但基本上是由铁碳两种最主要的成分所组成的。一、铁碳合金的基本组织1铁素体碳溶解在铁中形成的固溶体叫做铁素体（又称为固溶体），通常用F表示，它仍保持铁的体心立方结构。铁素体含碳很少，与纯铁相似，韧性很好，延伸率=45-30%，强度和硬度均不高，b=250Mpa，而HB=80。奥氏体碳溶解在铁中形成的固溶体叫奥氏体（又称固溶体），用A表示，它们保持铁的面心立方结构。稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度是723。奥氏体的硬度不很高（HB=160200），塑性很好。渗碳体铁与碳形成的稳定

6、化合物Fe3C叫做渗碳体，它的含碳量为6.67%。渗碳体的硬度很高（HB800），而塑性极差，几乎为零，是个硬而脆的组织。渗碳体在碳钢中起主要强化作用。钢中含碳量愈高，渗碳体所占比重愈大，则其强度愈高，而塑性愈低。珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫珠光体，用P表示。珠光体机械性能介于铁素体F与渗碳体Fe3C之间。莱氏体奥氏体与渗碳体组成的机械混合物（其晶体）叫莱氏体，用L表示。碳合金状态图铁碳合金状态图是用实验方法作出的温度-成分坐标图，如图1.1.1所示：60070017001600150014001300120011001000900800C%2.03.04.06.07.0ABCDFS

7、PGEJNH温度液态液态奥氏体液态渗碳体（初生）12271148A固溶体（奥氏体）液态固溶体Fe3CL莱氏体A+Fe3C +L(次生)固溶体F+PFe3C(次生)+P727P+Fe3C(初生)+LFe3C(初生)+L102030405060708090100%Fe3C%1.05.0Fe+Fe3C图 1.1.1 铁碳合金状态图（一）铁碳合金状态图中主要点和线的意义1各特性点的含义：在上图中用字母标出的点都表示一定的特性（成分和温度），所以叫特性点。其含义如表1.1.1。表 1.1.1特性点温度含碳量含义ACDEFGKNPSQ153511481227114811489127271394727727

8、室温04.306.692.116.6906.6909.020.770.008纯铁的熔点其晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中最大熔解度共晶渗碳体的成分点-Fe、-Fe同素异晶转变点共析渗碳体的成分点-Fe、-Fe同素异晶转变点碳在-Fe中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度一些主要线的含义：铁碳合金状态图中各条线表示铁碳合金内部组织发生转变时界线，所以这些线就是组织转变线，其含义简略介绍如下：ABCD线-这是液相线，即液态合金冷却到此线时开始结晶。在这些线以上是液态区。AHJECF线-这是固相线，即在此线以下的合金为固体状态。AHJE线-这是钢的固相线，当液态合金冷却到此线时全部结晶为奥氏体，反之，加热到此线时，钢开始熔化。ECF线-这是生铁的固相线，又叫做共晶体。GS线-这条线习惯用A3来表示。奥氏体冷却到GS时开始析出铁素体。ES线-这条线习惯用Acm来表示。奥氏体冷却到ES时开始析出二次渗碳体。PSK线-这条线又叫做共析线。习惯用A1来表示。当奥氏体冷却到PSK线时，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，这就是共析反应，反应的产物为珠光体。在状态图中，EF之间为生铁，E-C称为亚共晶生铁，C点称为共晶生铁，CF称为过共晶生铁