《工程材料及成形技术基础》课件-第2章

第2章材料的微观结构2.1纯金属的晶体结构2.2金属的结晶2.3合金的相结构习题与思考题２

不同的金属材料具有不同的物理、化学性能和力学性能等。通过不同的加工方式改变金属材料内部的组织结构，可以极大地改变金属材料性能。为了便于改善金属材料的性能和开发新型金属材料，应先研究金属和合金的内部组织状态、化学成分、温度和加工处理工艺等因素间的相互关系。一般情况下，金属和合金在固态下是晶体。要了解金属和合金的内部组织状态，必须先了解晶体结构的基本规律。

2.1纯金属的晶体结构

2.1.1晶体学基本知识1.晶体与非晶体固态物质按原子(或分子)的排列状态可分为晶体和非晶体两大类。在自然界中，绝大部分固态无机物都是晶体，如金属和合金制品、食盐、雪花和冰块等。常见的非晶体包括普通玻璃、松香等。晶体和非晶体的区分主要在于其内部的原子排列状态。晶体是指其原子(或分子)在三维空间呈周期性排列，即原子排列存在长程有序，这也是晶体和非晶体的本质区别。

晶体熔化时有固定的熔点，而非晶体在熔化过程中是逐渐过渡的，无固定熔点。晶体的性能(如导热性和强度等)在不同方向表现出差异性，即存在各向异性，而非晶体却为各向同性。在一定条件下，可将原子有序排列的晶体转变为无序排列的非晶体，转变的结构可使材料的性能发生极大的变化。

2.空间点阵和晶胞

实际晶体中的原子在三维空间有无限多种排列方式。由于金属键无方向性，为了便于研究，可将原子看成是固定的刚性球，晶体就是由这些刚性(原子)球按一定的几何形状在空间堆垛而成，如图2－1(a)所示。

为了便于研究，将2－1(a)中的刚性球抽象为几何质点，称之为质点。采用假想的线将各质点连接起来，使每个质点的几何环境都相同，形成一个三维空间点阵，称之为晶格，如图2－1(b)所示。

由于晶体中的原子呈周期性排列，故可在晶格中选取一个能反映晶格特征且最小的六面体几何单元来表示晶格中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图2－1(c)所示。晶胞要具有以下几个特征：六面体能反映点阵的最高对称性；六面体的棱长和角相等的数目应最多；六面体中存在直角时，直角数应最多；晶胞应具有最小的体积。图2－1简单立方晶体结构的原子排列示意图

在研究晶胞时，常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示晶胞的几何形状及尺寸。晶胞的棱边长度一般称为晶格常数。当晶格常数a=b=c，且夹角α=β=γ时，这种晶胞组成的晶格是最简单的一种，称为简单立方晶格。

2.1.2金属晶体结构(包括致密度)

自然界中组成各种物质的晶体有无数种，但根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角进行分析，可发现晶格的基本类型可分为14种。在工业上使用的金属元素中，绝大部分金属元素具有较为简单的晶体结构，其中最典型和常见的金属晶体结构有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。

1.体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞模型示意图如图2－2所示。晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成一个立方体。立方体的八个角和中心各有一个原子，每个角上的原子均与相邻的八个晶胞共有，中心的一个原子完全属于该晶胞，所以体心立方晶格晶胞中的原子数为8×1/8+1=2个。

常见的具有体心立方晶格的金属包含αFe、Cr、W、Mo、V等30余种。图2－2体心立方晶格晶胞模型示意图

2.面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞模型如图2－3所示。晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成一个立方体。立方体的八个角和六个面各有一个原子，每个角上的原子均与相邻的八个晶胞共有，每个面上的原子均与相邻的两个晶胞共有，所以面心立方晶格晶胞中的原子数为8×1/+6×1/2=4个。

常见的具有面心立方晶格的金属包含γFe、Cu、Ni、Al、Ag等20余种。图2－3面心立方晶胞示意图

3.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞模型如图2－4所示。在晶胞的12个角上各有1个原子，构成六方柱体，上底面和下底面中心各有1个原子，晶胞内还有3个原子。六方柱体的每个角上的原子为相邻的六个晶胞共有，上底面和下底面中心的原子为两个晶胞共有，中心的三个原子为此晶胞独有，所以密排六方晶胞中的原子数为12×1/6+2×1/2+3=6个。

常见的具有密排六方晶格的金属包含Mg、αTi、Zn、Be等。图2－4密排六方晶格晶胞模型示意图

2.1.3晶面指数、晶向指数与致密度

在晶体中，由一系列原子所构成的平面称为晶面；由任意两个原子间连线来表示某一原子列在空间的位向称为晶向。为了便于研究不同晶面和晶向原子的排列情况及所在空间位向，采用统一的符号表示，这就是晶面指数和晶向指数。如晶面指数(001)、(111)，晶向指数100〛、111〛。

计算结果表明，在体心立方结构中，有68%的体积被原子占据，其余32%为空隙。同理，可以计算出面心立方结构和密排六方结构的致密度均为0.74，说明面心立方结构和密排六方结构中的原子具有相同的致密程度。晶胞的致密度越大，原子排列越紧密。当同一种金属元素的晶体结构从体心立方结构转变为面心立方结构时，由于其致密度增大而使体积变小。

2.1.4晶体缺陷

1.单晶体和多晶体

晶体内部所有晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。在工业上，可通过特殊的工艺获得单个的晶体。少数金属以单晶体形式使用时可体现出优异的性能。但是，实际工程上使用的金属材料，其内部包含大量颗粒状小晶粒，每个晶粒内部的晶格取向一致，但晶粒间的位向都不相同。这种由两个及以上晶粒组成的晶体称为多晶体。一般的金属材料都是多晶体。多晶体金属中晶粒位向示意图如图2－5所示。多晶体内各晶粒的位向取向是随机的，晶体的各向异性被相互抵消，使金属材料在宏观上不具有各向异性，这种现象称为伪等向性。图2－5多晶体金属中晶粒位向示意图

2.晶体缺陷

在实际使用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，不可避免地存在一部分原子偏离规则排列区域，这就是晶体缺陷。晶体缺陷的存在，对金属性能产生显著影响。通常可以利用晶体缺陷的特征，采用适当的手段增加晶体缺陷，以达到提高金属性能的目的。根据晶体缺陷存在形式的几何特征，通常可将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

1)点缺陷

点缺陷的特征是在其三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸。典型的点缺陷包括空位和间隙原子，如图2－6所示。在实际晶体中，晶格中某些节点未被原子占据，这种空着的位置称为空位。同时，在晶格空隙处可能出现多余的同种或异种原子，这类原子不占据正常节点而处在晶格空隙处，或节点由异种原子占据。图2－6点缺陷示意图

点缺陷形成的原因是原子的热振动产生的原子跳跃使原子不能保持在其平衡位置上。原子克服周围原子对其约束跳离，在原位置上出现了空节点，即空位；原子跳跃到晶界处或晶格间隙内形成间隙原子；原子跳到其他节点上或节点原子由其他异种原子占据形成置换原子。

点缺陷的存在使原子离开了原来的平衡位置，产生了晶格畸变，从而使金属材料性能的改变。原子跳跃能力与温度有关。温度越高，原子跳跃加剧，点缺陷增加，从而使金属材料电阻增加。大量的点缺陷可提高金属材料的强度和硬度，但是降低其塑性和韧性。晶体中的点缺陷都处在不断的运动中，是使金属原子产生扩散的主要方式之一。

2)线缺陷

线缺陷的特征是在其两个方向上的尺寸很小，在另一个方向的尺寸相对很大。典型的线缺陷主要是各种类型的位错。在晶体中，某一列或若干列原子发生有规律的错排称为位错。位错有很多种，其中最基本的位错包含刃型位错和螺型位错。

图2－7所示为简单立方结构中刃型位错示意图。在图中，某一原子平面在晶体内部中断，这个原子平面就像刀刃一样将晶体上半部分切开后锲入晶体内，刀口处的原子列发生了有规律的错排，此处错排的原子列称为刃型位错；

EF线称为刃型位错线。刃型位错分为正刃型位错和负刃型位错。通常，把额外半原子面位于晶体上部时的刃型位错称为正刃型位错，用符号“┴”表示；反之，若额外半原子面位于晶体下部时，则称为负刃型位错，用符号“┬”表示。实际上刃型位错的正、负之分并无本质区别，只是为了表示两者的相对位置，便于分析讨论。图2－7刃型位错示意图

图2－8所示为简单立方结构中螺型位错示意图，其中BC线附近的原子列发生有规律的错排，此处错排的原子列称为螺型位错；

BC线称为螺型位错线。BC线一侧的原子相当于在外力作用下使上、下两部分发生滑移，而BC线另一侧的原子没有发生滑移。螺型位错根据错排区原子的螺旋方向可分为左螺旋位错和右螺旋位错两类。图2－8螺型位错示意图

实际金属材料中存在大量位错，晶体中的位错数量通常采用单位体积内位错线长度即位错密度来表示。位错线密度的变化及位错线在外力作用下产生运动、堆积和塞积，对金属的性能、塑性变形及组织转变等有显著影响。图2－9所示为金属强度与位错密度间的关系。从图中可以看出，完全退火态金属强度最低。当位错密度低于完全退火态时，由于晶须内几乎不存在位错而具有极高的抗力。金属经冷变形后晶体中的位错密度显著增加，使金属的强度也显著提高(但金属材料的塑性下降)，这种加工方法称为加工硬化或形变强化。图2－9金属强度与位错密度间的关系

3)面缺陷

面缺陷的特征是在其一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大。典型的面缺陷包括晶界、亚晶界、相界等。在多晶体中，将各形状不规则且内部取向不同的晶粒区分开的界面就是晶粒间界，即晶界。多晶体金属材料中大多数相邻晶粒间位向差大于10°，这种晶界称为大角度晶界，如图2－10所示。一般认为大角度晶界处的原子同时包含相邻两个晶粒的原子，晶界处的原子总体排列紊乱，但也存在局部排列完整区域。故可以将晶界看成是不同位向晶粒之间的过渡层，晶界层的厚度从几个原子到几百个原子尺寸不等。图2－10大角度晶界示意图

由于晶界处原子排列不规则，晶格畸变程度大，故晶界处的能量相比晶粒内较高，从而使其具有一系列不同于晶粒内的性能。在一般情况下，晶界比晶粒内部容易被腐蚀和氧化，晶界强度和硬度较高，晶界熔点较低，晶界处原子扩散速度较快等。

在晶粒内部，还存在许多小尺寸、小位向差的晶块，通常位向差只有2°~3°，这些小晶块称为亚晶粒。简单的亚晶界可看成是由一系列刃型位错组成的小角度晶界，如图2－11所示。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。晶粒中的亚晶和亚晶界称为亚组织。图2－11小角度晶界示意图

增加晶界和亚晶界的数量，可提高金属材料晶界和晶粒内的强度，同时可以提高材料的韧性和塑性，这种金属材料的强化方法称为细晶强化。

2.2金属的结晶

2.2.1纯金属的结晶及铸件晶粒大小控制1.纯金属的结晶1)结晶条件金属材料从液态转变为固态的过程称为凝固；凝固后的固态金属通常是晶体，所以这一过程又可称为结晶。金属的结晶，是原子从不规则排列的液态转变为规则排列的固态。在该转变过程中，存在一个平衡结晶温度，液态低于这个温度时出现结晶，固态高于这个温度时熔化。

当温度处于结晶温度时，结晶系统中液体与固体共存。纯金属的结晶过程在恒温下转变完成，其结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线一般采用热分析法获得。

以工业纯铁为例，先将工业纯铁置于坩埚中加热熔化至液态，在液态金属中插入热电偶测量其温度，然后以一定的冷却速度使液态金属冷却至室温。在冷却过程中，热电偶按每隔一定时间记录一次温度直至室温为止，如此便获得了温度与时间关系的冷却曲线。

纯金属结晶的冷却曲线如图2－12所示，从冷却曲线可以看出，金属在结晶前，液态金属温度随时间增加而不断降低。当温度降低到纯铁的理论结晶温度(熔点)T0

时，并未开始出现结晶，当温度降低到T0

以下某一温度T1时，温度不再随时间增加而变化，曲线上出现了一个温度水平段，此水平段对应的温度是纯铁的实际结晶温度。根据热力学规律，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。在金属结晶过程中，结晶的动力是液态金属和固态金属的自由能之差。

当液态金属温度降低到实际结晶温度后，释放的热量(结晶潜热)与向外界散发的热量大致相当，所以在冷却曲线上表现为平台，平台的延续时间就是结晶过程所用的时间。在结

晶结束后，固态金属向周围环境散热，温度又重新下降直到室温为止。

图2－12纯金属结晶的冷却曲线

在结晶过程中，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用Δt表示，Δt=T0-T0。过冷度越大，实际结晶温度越低。Δt与金属的属性、纯度和冷却速度等因素相关。不同金属的过冷度不同；金属的纯度越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大。对某一金属，过冷度有一最小值，液态金属不可能在理论结晶温度下进行结晶，即液态金属的结晶总是在有适当过冷度的条件下才能进行。

2)结晶过程

(1)晶核的形成。

晶核的形成有两种方式：均匀形核和非均匀形核。

研究表明，液态金属中的原子排列在大范围内是无序的(长程无序)，但在微小范围内存在许多原子集团，原子集团内部原子紧密规则排列(近程有序)。原子集团内部原子热运动剧烈，能量起伏很大，每个原子都能克服原子集团的束缚加入别的原子集团或组成新的原子集团。液态中的原子集团处于极不稳定的状态，时大时小，时聚时散。

原子集团的平均尺寸及存在时间与温度有关，温度越高，原子集团的平均尺寸越小，存在时间越短。通常将这些不稳定的原子集团称为晶胚。当过冷液态金属冷却到实际结晶温度，某些尺寸较大的晶胚开始变得稳定，并能够自发长大，称为液态金属结晶的晶核。这种依靠过冷液态合金本身，且各区域出现晶核的概率相同的晶核形成过程称为均匀形核，又称均质形核或自发形核。

但在实际液态金属结晶过程中，液态金属原子可以依附于异种原子(如金属内部杂质、型壁等)上形成晶核。由于异种原子的存在可以降低晶胚表面能，减小形核阻力，可使液态金属的结晶在较小过冷度下进行。这种液态原子依附于其他固体表面且优先形成晶核的过程称为非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。实际上金属的结晶主要是按照非均匀形核方式进行，非均匀形核在实际生产过程中有重要意义。

纯金属结晶过程示意图如图2－13所示。图2－13纯金属结晶过程示意图

(2)晶核长大。

当液态金属中出现第一批晶核后，由于形成晶核时晶体的表面、棱角等区域的散热条件优于其他区域，使周围的原子逐个扩散到晶体表面而长大。在第一批晶核长大的过程中，液态金属中开始出现第二批、第三批等新的晶核。在结晶过程中，晶核的形成和晶核地长大不断进行，直到所有的液态金属消耗完全成为固体，长大后相邻的晶粒相互抵触，此时结晶过程结束。

晶核长大要求液态金属能够不断地向晶体提供原子，即要求液态合金要有足够的温度以保证原子的扩散能力；同时，要求晶体表面能够不断地接纳这些原子，晶体表面微观形态直接影响原子在晶体表面的附着稳定程度。结晶过程应满足热力学规律，即结晶过程是一个系统能量降低的过程，这就要求晶核长大需要足够的过冷度。

当过冷度较大时，金属晶体通常以树枝状长大。由于晶核内部原子的排列特点及晶格各区域散热程度不一致，使固体中某一区域优先生长且长得较快、较大，像树枝一样生长成为一次晶轴。在一次晶轴上又生长出二次晶轴，二次晶轴发展到一定程度后，又在它上面长出三次晶轴，如此不断长大与分枝下去，直到液态金属全部消失，每一个枝晶成长为一个晶粒，这就是树枝晶。树枝晶生长示意图如图2－14所示。

综上所述，纯金属的结晶在恒温下进行，结晶需要有足够的过冷度，结晶时总有结晶潜热释放，金属的结晶是晶核的形成和长大的过程。图2－14树枝晶生长示意图

2.晶粒大小控制

金属结晶后通常是由许多晶粒组成的多晶体。晶粒的大小称为晶粒度。晶粒的大小对金属的力学性能有很大影响。通常，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。

金属结晶后晶粒的大小取决于形核率N和晶核的长大速度vg的相对大小。形核率是在单位时间单位体积液相中形成的晶核数量。形核率越大，则单位体积中的晶核数目越多，结晶结束后长成的晶粒越细小。长大速度是指晶体长大的线速度。长大速度越大，结晶结束后长成的晶粒越粗大。因此，可通过促进形核，抑制晶粒长大的方式细化晶粒。

(1)控制过冷度。

增加过冷度，形核率和长大速度都增大，但形核率的增大速度较大。在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小。

增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。如在铸造生产过程中，为了提高铸件的冷却速度，可以采用金属型替代砂型，增加金属型的厚度，局部加冷铁，采用循环水冷散热等。

(2)变质处理。

变质处理是指在液态金属中加入孕育剂(又称为变质剂)，促进非均匀形核来细化晶粒。变质剂分为两类，一类可以增加晶核数量，如在液态铝合金中添加的钛和锆，在钢水中添加的钛和钒等；另一类可以阻碍晶粒的长大，如在液态Al－Si合金中添加的钠盐。

(3)振动和搅拌。

可采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等方式，促进晶核形成或使树枝晶受到外部能量冲击而破碎，这样可使已经长大的晶粒破碎而细化，且破碎的枝晶可以作为形核质点促进形核，增加形核数目，细化晶粒。

2.2.2同素异构体转变

大多数金属只有一种晶体结构，从液态结晶成固态晶体后，其晶体结构不再随温度的变化而变化。但也有少量金属如Fe、Ti、Sn等在固态下具有两种或多种晶体结构，即具有多晶型。固态金属在一定温度下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为多晶型转变或同素异构体转变。

图2－15所示为工业纯铁的同素异构体转变示意图，从图中可看出，Fe在1394℃至熔点1538℃间具有体心立方结构，称为δFe；在912~1394℃时，具有面心立方结构，称为γFe；在912℃以下时为体心立方结构，称为αFe。(L的含义为Fe在熔点1538℃以上为液态)。由于不同的晶体结构致密度不同，在发生同素异构体转变时，伴随着有体积的变化、应力和变形的产生。图2－15纯铁的同素异构体转变示意图

2.3合金的相结构

纯金属具有良好的物理和化学性能，在工业上获得了一定的应用，但是其强度低，价格昂贵，不适合作为结构材料。为了满足各种机械零件的不同要求，通常采用合金。

2.3.1基本概念

1.合金

合金是指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结以及用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。合金相比于纯金属，具有很高的强度、硬度等力学性能，还可能具有更优异的耐腐蚀性能、强磁性等，且价格较为低廉。最典型的合金如工业上应用最广泛的碳钢和铸铁，是由铁和碳组成的合金；黄铜是由铜和锌组成的合金。

2.组元

组成合金最基本的独立存在的物质叫做组元，简称元。组元可以是组成合金的元素，如钢铁的组元为Fe和C，黄铜的组元为Cu和Zn

；它也可以是稳定的化合物，如铁碳合金中的金属化合物Fe3C。可以通过调整合金中组元的比例，配制成一系列成分不同的合金，以满足不同性能要求，这一系列合金就构成一个合金系。由两个组元组成的合金系称为二元系；由三个组元组成的合金系称为三元系；由三个及以上组元组成的合金系称为多元系。

3.相

不同的组元在熔炼和烧结过程中发生物理或化学的相互作用，形成不同的具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中结构相同、成分和性能均一，且以界面相互分开的组成部分。由一种固相组成的合金称为单相合金；由两种或两种以上相组成的合金称为多相合金。如黄铜合金系中，当锌的质量分数为30%时，Cu－Zn合金是由单一的面心立方结构的晶体组成的，所以它是一种单相合金；当锌的质量分数为40%时，Cu－Zn合金是由一种面心立方结构的晶体和一种铜锌化合物组成的，所以它是一种两相合金。

不同的相具有不同的晶体结构，但可根据相的晶体结构特点，将合金中的相分为固溶体和金属化合物两大类。

2.3.2固溶体

1.固溶体的分类

合金中的组元以一定比例混合溶解后形成固相，且其晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相就称为固溶体；这一组元称为溶剂；其他的组元称为溶质。固溶体的特征是保持与溶剂一致的晶体结构。

根据溶质原子在晶格中所占位置可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体是指溶质原子替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格的某些节点位置从而形成的固溶体。置换固溶体如图2－16(a)所示。当溶质原子处于溶剂原子间的间隙中，而不是占据溶剂晶格的节点位置，这类固溶体称为间隙固溶体，如图2－16(b)所示。图2－16固溶体的两种类型

按固溶度可将固溶体分为有限固溶体和无限固溶体。在一定条件下，溶质在溶剂中的溶解度有一定限度，超过这个限度就不再溶解。这个限度即为此溶质在溶剂中的溶解度或固溶度；这种固溶体即为有限固溶体。当溶质在溶剂中的固溶度可达到100%时，这种固溶体就成为无限固溶体。对于无限固溶体，通常将含量大于50%的组元称为溶剂；含量小于50%的组元称为溶质。

按照溶质原子在晶格中分布的相对状态，固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体。当溶质原子随机地分布于溶剂晶格的节点或间隙中，且无次序性和规律性，这种固溶体称为无序固溶体。当溶质原子按一定规律占据溶剂晶格的节点或间隙，且围绕着溶剂原子分布，这种固溶体称为有序固溶体。有些合金在一定温度条件下可以由无序固溶体转变为有序固溶体，这种现象称为有序化转变。

2.固溶体的性能

在固溶体中，当溶质含量极小时，固溶体的性能与溶剂的性能基本相同。随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度升高，而塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化的实质是溶质原子的添加引起了溶剂晶格的畸变，进而使位错在晶体内移动受到阻力，从而在宏观上表现为固溶体有更高的强度和硬度。通常，溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，引起的晶格畸变就越大，固溶强化的效果越明显。

2.3.3金属化合物

当合金中溶质的含量超过了固溶体的固溶度时，除了形成固溶体外，还可以形成金属化合物。由于金属化合物总是位于二元合金相图的中间，故又称为中间相。通常金属化合物的晶体结构不同于任一组元。金属化合物是金属键与离子键或共价键相混合作用的，因此具有一定的金属特性。典型的金属化合物分为三类：正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。

1.正常价化合物

正常价化合物通常是由元素周期表中位置相距较远，电化学性质相差较大的两种元素形成的，原子间的结合键主要以金属键、离子键或共价键