金屬材料的基本知識-資料下載頁

　　

【正文】 ? 由每個(gè)晶核長成的晶體稱為晶粒，晶粒之間的接觸面稱為晶界。晶粒的外形是不規(guī)則的。因此，金屬實(shí)際上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體 ? 晶粒的大小對金屬的性能影響很大。因?yàn)榫ЯＰt晶界就多，而晶界增強(qiáng)了金屬的結(jié)合力。因此，一般 金屬的晶粒越小，強(qiáng)度、塑性和韌性就越好 。生產(chǎn)上常用增加冷卻速度或向液態(tài)金屬加入某些難熔質(zhì)點(diǎn)，以增加晶核數(shù)目，而細(xì)化晶粒 ? 影響晶核的形成率和成長率的最重要因素是 結(jié)晶時(shí)的過冷度 和 液體中的不熔雜質(zhì) 1) 過冷度的影響 ? 金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度愈大，其過冷度便愈大，不同過冷度⊿ T對晶核的形成率N（晶核形成數(shù)目/s?mm3）和成長率 G（ mm/s）的影響如圖 ? 過冷度對晶核的形成率和成長率的這些影響，主要是因?yàn)樵诮Y(jié)晶過程中有兩個(gè)相反的因素同時(shí)在起作用 ? 其中之一即如前所述的晶體與液體的自由能差（ ⊿ Ｇ ），它是晶核的形成和成長的推動力 ? 另一相反因素便是液體中原子遷移能力或擴(kuò)散系數(shù)（ D），這是形成晶核及其成長的必需條件，因?yàn)樵拥臄U(kuò)散系數(shù)太小的話，晶核的形成和成長同樣也是難以進(jìn)行的。 ? 在圖 ，我們還從晶核的形成率與成長率之間的相對關(guān)系示意地表達(dá)出了幾種不同過冷度下所得到的晶粒度的對比，從中可以得到一個(gè)十分重要的結(jié)論即在一般工業(yè)條件下（圖中曲線的前半部實(shí)線部分）， 結(jié)晶時(shí)的冷卻速度愈大或過冷度愈大時(shí)，金屬的晶粒度便愈細(xì) ? 圖 ，因?yàn)樵诠I(yè)實(shí)際中金屬的結(jié)晶一般達(dá)不到這樣的過冷度，故用虛線表示，但近年來通過對金屬液滴施以每秒上萬度的高速冷卻發(fā)現(xiàn)，在高度過冷的情況下，其晶核的形成率和成長率確能再度減小為零，此時(shí)金屬將不再通過結(jié)晶的方式發(fā)生凝固，而是形成非晶質(zhì)的固態(tài)金屬 2)未熔雜質(zhì)的影響 ? 任何金屬中總不免含有或多或少的雜質(zhì)，有的可與金屬一起熔化，有的則不能，而是呈未熔的固體質(zhì)點(diǎn)懸浮于金屬液體中。這些未熔的雜質(zhì)，當(dāng)其晶體結(jié)構(gòu)在某種程度上與金屬相近時(shí)，常可顯著地加速晶核的形成，使金屬的晶粒細(xì)化。因?yàn)楫?dāng)液體中有這種未熔雜質(zhì)存在時(shí)，金屬可以沿著這些現(xiàn)成的固體質(zhì)點(diǎn)表面產(chǎn)生晶核，減小它暴露于液體中的表面積，使表面能降低，其作用甚至?xí)h(yuǎn)大于加速冷卻增大過冷度的影響 ? 在金屬結(jié)晶時(shí)，從為向液態(tài)金屬中加入某種難溶雜質(zhì)來有效地細(xì)化金屬的晶粒，以達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的，這種細(xì)化晶粒的方法叫做 “ 變質(zhì)處理 ” ，所加入的難溶雜質(zhì)叫 “ 變質(zhì)劑 ” 或 “ 人工晶核 ” 。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 ? 某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結(jié)構(gòu)，同一種固態(tài)的純金屬（或其他單相物質(zhì)），在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)不同的穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。此時(shí)除體積變化和熱效應(yīng)外還會發(fā)生其他性質(zhì)改變。例如 Fe、 Co、 Sn、 Mn等元素都具有同素異構(gòu)特性。 ? 鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程如圖 。鐵在 1394℃ 以上時(shí)具有體心立方晶格，稱為 δFe；冷卻至 1394~912℃ 之間，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц穹Q為 γFe；繼續(xù)冷卻至 912℃ 以下又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，稱為 αFe。 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1. 多晶體 2. 晶體缺陷 （ 1）點(diǎn)缺陷 （ 2）線缺陷 （ 3）面缺陷 1. 多晶體 ? 以上研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，是把晶體看成由原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成，即晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，這種晶體稱為單晶體。在工業(yè)生產(chǎn)中，只有經(jīng)過持殊制作才能獲得，如半導(dǎo)體工業(yè)中的單晶硅。 ? 實(shí)際的金屬都是由很多小晶體組成的，這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。晶粒內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，晶粒與晶粒之間，晶格位向卻卻彼此不同。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體，如圖 。 ? 多晶體的性能在各個(gè)方向基本是一致的，這是由于多晶體中，雖然每個(gè)晶粒都是各向異性的，但它們的晶格位向彼此不同，晶體的性能在各個(gè)方向相互補(bǔ)充和抵消，再加上晶界的作用，因而表現(xiàn)出各向同性。這種各向同性被稱偽各向同性。 ? 晶粒的尺寸很小，如鋼鐵材料的晶粒尺寸一般為 101~103mm左右，必須在顯微鏡下才能觀察到。在顯微鏡下才能觀察到的金屬中晶粒的種類、大小、形態(tài)和分布稱顯微組織，簡稱組織。金屬的組織對金屬的力學(xué)性能有很大的影響 2. 晶體缺陷 ? 實(shí)際上每個(gè)晶粒內(nèi)部，其結(jié)構(gòu)也不是那么理想，存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。 1）點(diǎn)缺陷 ? 點(diǎn)缺陷的具體形式有如下三種。 ? (1) 空位 晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。當(dāng)晶格中的某些原子由于某種原因（如熱振動等）脫離其晶格節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生此類點(diǎn)缺陷。這些點(diǎn)缺陷的存在會使其周圍的晶格產(chǎn)生畸變。 ? (2) 間隙原子 在晶格節(jié)點(diǎn)以外存在的原子，稱為間隙原子。在金屬的晶體結(jié)構(gòu)中都存在者間隙，一些尺寸較少的原子容易進(jìn)入晶格的間隙形成間隙原子。 ? (3) 置換原子 雜質(zhì)元素占據(jù)金屬晶格的結(jié)點(diǎn)位置稱為置換原子。當(dāng)雜質(zhì)原子的直徑與金屬原子的半徑相當(dāng)或較大時(shí)，容易形成置換原子。 ? 三種點(diǎn)缺陷的形態(tài)如圖 。 2）線缺陷 ? 晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)徘現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可形成不同類型的位錯(cuò)，如圖 。由于該晶體的右上部分相對于右下部分局部滑移，結(jié)果在晶格的上半部中擠出了一層多余的原子面EFGH，好象在晶格中額外插入了半層原子面一樣，該多余半原子面的邊緣 EF便是位錯(cuò)線。沿位錯(cuò)線的周圍，晶格發(fā)生了畸變。 ? 金屬晶體中的位錯(cuò)很多，相互連結(jié)成網(wǎng)狀分布。位錯(cuò)線的密度可用單位體積內(nèi)位錯(cuò)線的總長度表示，通常為 104一 1012cm／ cm3之間。位錯(cuò)密度愈大，塑性變形抗力愈大，因此，目前通過塑性變形，提高位錯(cuò)密度，是強(qiáng)化金屬的有效途徑之一 3）面缺陷 ? 面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述，晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時(shí)適應(yīng)相鄰兩個(gè)晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上（如圖 ）。另外，晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，尺寸為 104~106cm。亞晶粒的交界稱為亞晶界（如圖 ）。 實(shí)際金屬中的缺陷對材料力學(xué)性能的影響如下： ? 點(diǎn)缺陷的存在，提高了材料的硬度和強(qiáng)度，降低了材料的塑性和韌性，增加位錯(cuò)密度可提高金屬強(qiáng)度，但塑性隨之降低 ? 面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性 ? 細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段