【材料课堂】金属学基础知识

一、纯金属的结构与结晶

1、金属的晶体结构

金属在固态下都是晶体。金属的性能、塑性变形和热处理相变都与晶体结构有关。金属中最常见的晶格有三钟：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶体缺陷根据几何形态可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

2、金属的结晶

金属从液体状态转变为固体（晶体）状态的过程叫做金属的结晶。

(1)冷却曲线和过冷现象

物质冷却过程中温度和时间的关系曲线叫冷却曲线。金属结晶的冷却曲线可用热分析法测定，其测定过程如下：先将金属熔化并使温度尽可能均匀，然后以一定的速度冷却，记录下温度随时间变化的数据，并将其绘制在温度-时间坐标中，便可获得如图1所示的冷却曲线。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了金属向外界散失的热量，冷却曲线上出现了一段水平线，这段水平线所对应是温度就是金属的实际结晶温度。实验表明，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度（平衡结晶温度）T0，这种现象叫做过冷。过冷是结晶的必要条件，T1和T0之间的差值△T叫做过冷度，即△T=T0-T1。

(2)结晶过程

结晶过程是形核及晶核长大的过程。

3、金属的同素异构转变

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。具有同素异构转

变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。

二、合金的结构和结晶

相：指合金（或纯金属）中具有同一成分、结构、性能，并以界面互相分开的均匀的组成部分。

1、合金的相结构

根据构成合金的各元素之间的相互作用，合金中的相结构可以分为固溶体和金属化合物两大类型。

（1）固溶体

当液态合金凝固后，组元之间仍能互相溶解，形成在某种元素的晶格中溶有其它元素原子的相，这种相就称为固溶体。

（2）金属化合物

2、二元合金状态图

合金状态图又称合金平衡图或合金相图，是表示在平衡条件下合金的状态和温度、成分之间的关系图解。它反映了合金系中不同成分的合金在无限缓慢加热或冷却时的组织变化规律，是选择合金成分、分析合金的显微组织、研究合金的性能和制定铸造、锻造、热处理工艺的重要依据。

（1）匀晶状态图：两组元在液态和固态都能无限互溶的状态图。

这类合金凝固时都从液相结晶出固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。

（2）共晶状态图：两组元在液态完全互溶，并具有共晶转变的状态图。

共晶转变：在一定温度下，从一定成分的均匀液相中同时结晶出成分一定的两种固相的转变。

（3）包晶状态图：两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体，并且有包晶转变的状态图。

包晶转变：在恒温下，一定成分的液相和它所包围的已结晶出来的一定成分的固相作用，形成另一个成分的新固相的转变过程。

三、铁—碳相图

1、铁—碳相图

钢是一定成分范围的铁碳合金，铁碳合金相图表示不同成分的铁碳合金在不同温度下的不同平衡组织，如图Fe-Fe3C相图所示。

由Fe-Fe3C相图可以查出一定成分的铁碳合金发生平衡相变的温度，即临界点；可以预测出在不同温度区域发生的相变过程和冷却到常温时可能得到的平衡组织。铁碳合金相图中各特性点说明见表Fe-Fe3C相图中的几个特性点，各特性线说明见表Fe-Fe3C相图中的特性线。

根据铁碳合金相图，含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁。根据组织特征，从铁碳合金相图中将铁碳合金按含碳量多少分为七大类：

（1）工业纯铁，含碳量＜0.0218%；

（2）共析钢，含碳量0.77%；

（3）亚共析钢，含碳量0.0218%～0.77%；

（4）过共析钢，含碳量0.77%～2.11%；

（5）共晶白口铸铁，含碳量4.30%；

（6）亚晶白口铸铁，含碳量2.11%～4.30%；

（7）过晶白口铸铁，含碳量4.30%～6.69%；

2、金属组织

金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。 合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。

化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。

机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。

铁素体：碳在 a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

奥氏体：碳在 g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。

珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）

莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳 4.3%）

（上图为铁碳相图各阶段对应的金属组织）

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

本文来自：热处理小讲堂。