金属的组织结构

第二章金属的组织结构
为什么不同材料具有不同性能，而且同一金属也有可能具有不同性能呢？大量研究证明：金属的性能除与金属的原子结构以及原子间的结合键有关外，还与金属原子的排列方式即组织结构有关。

为此，本章将阐述金属组织结构的相关知识。

第一节金属的结晶
一、金属结晶的有关概念
金属能够以气态、液态和固态形式存在，并且在一定条件下这三种状态能够互相转变。

金属由液态转变变为固态的过程叫凝固，又由于固态金属都是晶体，所以这一过程也称为结晶。

(一)晶体的概念
晶体是指原子（离子﹑分子）在三维空间呈有规则的周期性重复排列的物质。

在自然界中，除了少数物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。

晶体的各项性能指标在不同方向上具有不同的数值，即各向异性，而非晶体则是各向同性的。

自然界有些晶体的还具有规则的外形。

晶体都具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。

(二)金属结晶时的过冷现象
1. 理论结晶温度
从热力学角度来看，物质状态的稳定性是由该状态的自由能高低来决定的，总是自发地从自由能较高的不稳定状态向自由能较低的稳定状态转变。

那么，物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外界做功的这一部分能量就叫做“自由能（F）”。

图2-1所示的是同一金属在液态和固态时自由能随温度变化的曲线。

由图可见，液态自由能F L和固态自由能F S都随温度升高而降低，但是结构不同，自由能随温度的变化是不同的，液态自由能降低得更快些，因此两条曲线交于T0温度。

在T0温度，液态和固态的自由能恰好相等，两种状态具有同样的稳定性，固相和液相处于动态平衡，既不熔化，也不结晶。

液态和固态自由能相等时所对应的温度T0，就是理论结晶温度或理论熔点。

2. 过冷现象
如果将液态纯金属缓慢冷却，每隔一定时间测量一次温度，最后把实验数据绘在“温度－时间”坐标中，便可得到图2-2所示的冷却曲线，图中T0表示理论结晶温度。

由图可见，在结晶之前，冷却曲线连续下降。

当液态金属冷却到结晶温度T0时，并不开始结晶。

一直冷却到T0以下的某个温度T n时，液态金属才开始结晶，这种实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象叫过冷现象。

这是因为，要使液态金属进行结晶，就要使温度低于理论结晶温度，造成液相与固相间的自由能差（△F=F L-F S），即具有一定的结晶驱动力才可以。

结晶发生时，由于“结晶潜热”（结晶时释放的能量）释放，补偿了冷却散失的热量，所以冷却曲线上出现“平台”，对应的温度T n称为实际结晶温度，平
台延续的时间就是结晶过程所用的时间，结晶完成以后，冷却曲线又开始连续下降。

实际结晶温度T n与理论结晶温度T0之间的温度差，称为过冷度，用△T表示，即△T ＝T0－T n。

液态金属过冷度的大小，一方面取决于液态金属的本性和纯度，另一方面取决于液态金属的冷却速度。

冷却速度越大，则过冷度越大。

因为冷却速度越大，要发生结晶所需结晶驱动力越大，自由能差△F要求越大，实际结晶温度越低，于是过冷度越大。

图2-1 液态和固态自由能随
图2-2 纯金属的冷却曲线
二、金属的结晶过程
物质结晶时，首先在液体中出现一些极微小的固态质点，然后以它为核心向液体中长大，这种刚刚出现的作为结晶核心的微小固态质点，称为晶核。

结晶过程就是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。

液态金属的等温结晶过程如图2-3所示。

将液态金属快速冷却到T0以下某个温度等温，液态金属并不立即开始结晶，而是经过一段时间以后才出现第一批晶核。

这是因为最初形
图2-3 金属结晶过程示意图
成的一些不稳定原子有序排列的小集团是随后产生晶核的来源，称为“晶胚”。

当液体
被过冷至结晶温度以下时，尺寸较大而比较稳定的晶胚便有了进一步长大的条件，这些尺寸超过临界晶核尺寸、能够自发长大的晶胚叫做晶核。

晶核形成后便不断长大，如树枝一样先长出树干，再长出分枝，同时又有新的晶核形成和长大，最后再把晶间填满，这种成长方式称为“枝晶成长”。

最终，液态金属被完全耗尽，结晶过程结束。

由一个晶核长大的晶体，就是一个晶粒。

不同晶粒具有不同的内部原子排列位向。

综上所述，工程上实际使用的金属材料（除专门制备的外）是由许多外形不规则的单晶体（即晶粒）组成的多晶体结构，晶粒之间的接触面称为晶界。

(一)形核方式
金属结晶时，由于结晶条件不同，可能出现两种不同的形核方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核。

1. 自发形核
当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。

2. 非自发形核
实际金属结晶时，往往在很小过冷度下便已开始结晶，并不需要自发形核时那样大的过冷度。

这是因为，在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为非自发形核。

当然，只有这些固体微粒与原先液态金属中晶核的特点相似，才能作为非自发形核的基底。

(二)过冷度对形核和长大的影响
金属结晶时的冷却速度愈大，过冷度便愈大，不同过冷度△T对晶核形成率N（晶核形成数目/s·mm³）和成长速率G(mm/s)的影响如图2-4所示。

过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为在结晶过程中有两个因素同时在起作用，其中之一是晶体与液体的自由能差（△F），是晶核形成和长大的驱动力；另一因素是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长大的必须条件。

晶体与液体的自由能差（△F）和扩散系数（D）与过冷度（△T）的关系如图2-5所示。

V
图2-4晶核的形成率（N）和成长速率（G）与过冷度（△T）的关系
图2-5液体与晶体的自由能（△F）和扩散系数（D）与过冷度（△T）的关系
在图2-4中可以看出在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），结晶时的冷却速度越大或过冷度越大时，金属的晶粒便越细小。

至于图2-4中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示。

三、晶粒大小的控制
单个晶粒的大小称为晶粒度，通常采用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

(一)晶粒度对金属性能的影响
晶粒度对性能的影响，实质是晶界面积大小的影响。

对于金属的常温力学性能来说，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。

值得指出的是，对于在高温下工作的金属材料，晶粒应适当粗化，因为高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大大减弱所致。

(二)决定晶粒度的因素
金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的，晶粒度取决于晶核形成率N与成长速率G之比，比值N/G越大，晶粒越细小。

(三)结晶过程中控制晶粒度的方法
1. 控制过冷度。

液态金属过冷度越大，比值N/G越大，晶粒越细小。

2.变质处理。

在液态金属中加入一定变质剂，促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶粒。

3.机械振动法（如搅动）﹑超声波振动法等。

在液态金属凝固过程中，加以振动，一是促进形核，二是能够打碎正在长大的树枝晶，碎晶块又充当新的晶核。

第二节纯金属的晶体结构
一、金属晶体结构的描述
晶体中的原子有多种排列方式，为了便于理解和描述原子的排列规律，通常将实际晶体结构简化为完整无缺的理想晶体，并近似的把原子看成是不动的等径刚球质点，且
在三维空间紧密堆积，原子在空间的这种排列形式称为空间点阵，如图2-6(a)所示。

若用许多假想的平行直线将所有质点的中心连接起来，构成三维的几何格架，称为晶格，如图2-6(b)所示，图中各直线的交点称为结点。

由于晶格中各质点的周围环境相同，故其排列具有周期重复性。

为了描述金属晶格的几何规则，可以从晶格中取出由数个原子组成的并能代表整个晶格几何结构特征的最小单元，这样的最小单元称为晶胞，如图2-6(c)所示。

用来描述晶胞几何结构特征和几何尺寸的参数称为晶格常数。

通常以三条棱边的边长a、b、c和三条棱边的夹角α、β、γ这六个参数作为晶胞或晶格的晶格常数，如图2-6(c)所示。

常以晶胞的几何结构（晶格类型）和晶格常数来描述金属的晶体结构。

晶体结构不同，晶体表现出不同的性能。

值得注意的是，某些金属具有相同的晶格类型，因具有不同的晶格常数而具有不同的性能。

二、常用金属的晶体结构
通过X射线对所有金属晶体结构进行分析，结果发现共有14种晶体结构类型，存在着7种简单晶胞和7种复杂晶胞，但常用金属的晶体结构类型多为体心立方、面心立方和密集（密排）六方三种。

(一)体心立方晶格
如图2-7所示，体心立方晶格的晶胞结构是一个正立方体，除每个结点上各有一个原子外，立方体的中心还有1个原子，即共有9个原子组成一个体心立方晶格（并非一个晶胞含有9个原子），晶格常数为a=b=c，α=β=γ=90º。

属于体心立方晶格的金属有铁(α-Fe)、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)等，大多具有较高的强度和韧性。

(二)面心立方晶格
如图2-8所示，面心立方晶格的晶胞也是一个正立方体(a=b=c, α=β=γ=90º)。

除每个结点上各有一个原子外，每个面的中心还各有1个原子，共有14个原子组成一个面心立方晶胞。

属于面心立方晶格的金属有铁(γ-Fe)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)等，大都具有较高的塑性。

(三)密集六方晶格
如图2-9所示，密集六方晶格的晶胞是一个正六棱柱(a=b≠c, α=β=90º,γ=120º)。

在六棱柱的上下底面的12个结点上各有1个原子，上下底面中心各有1个原子，再加上六棱柱中间平面上的3个原子，共有17个原子组成一个密集六方晶格的晶胞。

属于密集六方晶格的金属有镁(Mg) 、锌(Zn)和钛(Ti)等，大多具有较大的脆性，塑性差。

三、金属的同素异晶转变
多数金属在结晶后晶体结构都保持不变，但某些金属如Fe、Cr、Mn、Ti等，晶体结
构会随外界条件（如温度、压力等）的改变而改变，这种转变称为同素异晶转变。

图2-10为纯铁由液态冷至室温的冷却曲线及晶体结构转变示意图。

由图可知，纯铁在912℃以下为体心立方晶体结构，称为α-Fe；912～1394℃为面心立方晶体结构，称为γ-Fe；1394～1538℃又呈体心立方晶体结构，称为δ-Fe。

当加热或冷却至转变温度时，就会发生相应的晶体结构转变，如下式所示：
金属的同素异晶转变是金属在固态下发生的一种重新“结晶”的过程。

要实现晶体结构即原子排列规则的转变，首先要在晶界上形成新的晶核，继而通过原子扩散来实现晶体结构的改组，所以金属的同素异晶转变过程也是不断产生晶核和晶核不断长大的过程，故也称为二次结晶。

研究同素异晶转变的意义在于：其一，此类金属或含此类金属的合金可进行热处理，如钢和铸铁均可通过热处理改变性能，与铁的同素异晶转变有关；其二，晶体结构不同，原子密度也不同，因而晶体结构的转变必然伴随着比容（C=1/p, p 是密度）的变化，引起体积变化，如当γ-Fe转变成α-Fe时，其体积大约膨胀1％，从而使得钢在热处理时产生内应力（组织应力）。

图2-10纯铁的冷却曲线及晶体结构转变示意图
第三节合金的组织和结晶
一、合金的概念
纯金属大都具有较好的物理﹑化学性能，但由于机械性能一般比较差，而且价格较高，种类有限，因此在工业生产中，广泛应用的是合金。

合金是指由一种金属元素与一种或几种其它元素经熔炼﹑烧结或其它方法结合在一起而形成的具有金属特性的物质。

组成合金的最基本、最简单且能独立存在的物质称为组元，或简称为元。

一般来说，组元就是组成合金的元素,如Cu-Zn合金(黄铜)中的Cu和Zn就是组元，但化合物也可以看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。

与纯金属相比，合金除具有更高的机械性能外，而且在电、磁、化学稳定性等物理化学性能方面也可以与纯金属相媲美或者更好，如有的合金就具有强磁性、耐蚀性等特殊的物理化学性能。

同时，还可以通过调节合金组元的比例获得一系列性能各不相同的合金，以满足工业上对材料的不同性能要求。

合金中含有两种或两种以上元素的原子，这些原子之间必然相互发生作用，使得结
晶形成的小晶体（晶粒）中也含有两种或两种以上的元素。

由多种元素构成的这些小晶体的化学成分和晶格类型可以是完全均匀一致的，也可以是不一致的，组成了合金中的相和组织。

所谓相，是指合金中化学成分、晶体结构相同，并以界面互相分开的均匀的组成部分。

所谓组织，是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称为显微组织。

合金的组织可以由一种相组成也可以由多种相组成，而纯金属的显微组织，一般都由一种相组成。

二、合金的相结构
液态时，大多数合金的组元均能相互溶解，成为成分均匀的液体，因而可以认为只具有一个液相。

固态时，组成合金的基本相按晶体结构特点可分为两大类：固溶体和金属化合物。

(一)固溶体
固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。

如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶格的晶粒，晶格内包含有各组元的原子，晶格类型与一种组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。

固溶体的晶格类型与溶剂相同。

1.固溶体的类型
根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换式固溶体与间隙式固溶体。

(1)间隙式固溶体当溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙中所形成的固溶体称为间隙式固溶体，如图2-11所示。

形成这类固溶体的溶质都是原子半径很小的一些非金属元素如C、N、B等，而且晶格空隙总是有限的，所以间隙式固溶体的溶解度一般比较小，如室温下碳在铁中的溶解度仅为0.0008％。

(2)置换式固溶体当溶质与溶剂的电化学性质相近，且原子半径相差不多时，溶质原子不可能进入溶剂晶格空隙，但能够占据某些晶格结点而替代溶剂原子，以这种方式形成的固溶体称为置换式固溶体，如图2-12所示。

例如，黄铜中的α固溶体是Zn原子替代某些Cu原子所形成的置换式固溶体。

根据溶解度的不同，置换式固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。

2.固溶体的特点
(1)固溶体的晶体结构与溶剂的晶体结构相同。

(2)某些元素相互间具有很大的溶解能力，可以形成无限互溶的固溶体。

如Cu与Ni、Fe与Cr等。

图2-13就是Cu-Ni合金的匀晶相图。

说明Cu与Ni无论以任何比例配成合金，室温下都可以得到单相图2-13Cu-Ni合金的匀晶相图及冷却曲线固溶体。

大部分元素之间的溶解能力较差，只能形成有限固溶体。

通常溶质在溶剂中的溶解度随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。

(3)溶质原子的溶入会使溶剂晶格产生畸变。

当形成间隙式固溶体时，只可能产生正畸变；但当形成置换式固溶体时，如果溶质原子半径大于溶剂原子半径则产生正畸变，如果溶质原子半径小于溶剂原子半径则将产生负畸变，如图2-14所示。

晶格畸变导致金属塑性变形阻力增大，从而使其强度和硬度提高，这种强化称为固溶强化，是合金热处
理强化的基本原理之一。

图2-14晶格畸变示意图
3.固溶体的性能
作为溶剂的纯金属一般来说强度和硬度较低，而塑性和韧性较高。

当溶质元素含量较少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。

随着溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，一般情况是：强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降等等。

需要指出的是，固溶强化是一种优异的强化方式，但单纯的固溶强化所能达到的最高强度指标仍然是有限的，往往还需配合其它的一些强化措施，才能达到性能要求。

（二）金属化合物
如前所述，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，多余的溶质从固溶体中析出，但大多是与合金其它组元间发生相互作用，从而可能会形成新相，又称中间相，其晶格类型及性能不同于任一组元。

金属化合物就是一种中间相，其中，除离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而具有一定的金属性质，故称之为金属化合物。

金属化合物一般具有复杂的结合键及晶体结构，并表现出有高熔点、高硬度及高脆性。

当它以细小的尺寸、弥散地分布在合金中固溶体基体内时，可使合金得到强化，有效地提高其强度、耐磨性及高速切削性能，这种强化称为析出强化或弥散强化。

根据金属化合物形成规律及结构特点，可以分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物。

三、合金的结晶
合金的结晶过程本质上与纯金属一样，也是在过冷情况下通过形核与长大而进行的。

但是，合金的结晶凝固过程和纯金属又有所不同，如纯金属的结晶是在某一温度下进行的，而合金往往是在某一温度范围内进行的。

合金的结晶过程比较复杂，要用状态图才能表示清楚。

合金状态图就是表示合金系结晶过程的简明图解。

合金状态图是用实验方法得到的。

首先在极其缓慢冷却的条件，即平衡条件下作出该合金系中一系列不同成分合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转变温度（又叫做临界点），然后把这些临界点标在温度－成分坐标图上，最后将各相应点连接起来，就可得到该合金系的状态图。

如图2-13所示，铜镍合金的匀晶相图就是如此得到的。

第四节铁碳合金及其平衡状态图
钢铁材料是工业中应用范围最广的合金，是以铁和碳为基本组元的复杂合金。

铁碳合金的平衡状态图则是研究铁碳合金的基本工具。

为详细分析铁碳合金平衡状态图，首先来了解铁碳合金中的基本相和基本组织。

一、铁碳合金中的基本相与基本组织
铁碳合金中的基本相中有铁素体、奥氏体和渗碳体。

1.铁素体（F）
铁素体是碳溶入α-Fe中形成的一种间隙式固溶体，用字母“F”表示。

铁素体能够在室温下稳定存在，晶体结构保持α-Fe的体心立方晶体结构，由于α-Fe的晶格间隙很小，碳在α-Fe中的溶解度很小，室温时为0.0006%～0.0008%,727℃时具有最大溶解度，也不过为0.0218%，所以铁素体和纯铁的性能相差不多，机械性能见表2-1，显微组织如图2-15所示。

2. 奥氏体（A）
奥氏体是碳溶入γ-Fe中所形成的一种间隙式固溶体，用字母“A”表示。

一般来说，它在高温下才能稳定存在，晶体结构保持γ-Fe的面心立方晶体结构。

由于γ-Fe的晶格空隙比α-Fe大，因而碳在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的溶解度要大，727℃时为0.77%,1148℃时为2.11%。

但因它是一种高温组织，强度和硬度较低，而塑性很高，所以在生产中常把钢加热获得单相奥氏体组织进行塑性变形。

奥氏体的性能见表2-1，显微组织如图2-16所示。

3. 渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁与碳发生化学反应生成的一种化合物。

渗碳体具有固定的化学成分，含碳量为6.69%，为复杂斜方晶体结构，硬度极高，脆性大，塑性和韧性几乎为零，性能见表2-1。

渗碳体在钢中起着主要的强化作用。

当它为粗大的片状或网状时，使合金的脆性增大；当呈细小的球状弥散分布时，不仅能提高合金的硬度和强度，还能减小脆性。

根据渗碳体的来源、结晶形态及在组织中的分布情况的不同，可把它细分为三种：从液态合金中直接结晶得到的渗碳体，称为一次渗碳体(Fe3CⅠ)；冷却时从奥氏体中析出的渗碳体，称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)；从铁素体中析出的渗碳体，称为三次渗碳体(Fe3CⅢ)。

但这些渗碳体的化学成分、晶体结构和力学性能完全相同。

图2-15 铁素体的显微组织
图2-16奥氏体的显微组织
(二)铁碳合金中的基本组织
铁碳合金中的基本组织除铁素体、奥氏体和渗碳体这三种单相组织之外，还有两种特殊的机械混合物——珠光体和莱氏体，均为多相组织。

1.珠光体（P）
含碳量为0.77%的奥氏体，当温度降至727℃时，同时析出铁素体和渗碳体，形成的机械混合物称为珠光体，以字母“P”表示。

这种在一定的温度下，由一种一定成分的固相物质同时析出两种固相物质的反应，称为共析反应。

奥氏体的共析反应可用下式表示：当奥氏体的冷却速度较小时，所得到的珠光体为片状珠光体，即铁素体和渗碳体相间分布的片层状组织，冷却速度越小，珠光体的片层越粗大。

珠光体的显微组织如图2-17所示，机械性能介于铁素体和渗碳体之间，见表2-1。

2. 莱氏体(Ld)
含碳量为4.3%的液态铁碳合金，当温度降至1148℃时，同时结晶出奥氏体与渗碳体，形成的机械混合物称为高温莱氏体，常用“Ld”表示。

这种在一定的温度下从一种一定成分的液相中同时结晶出两种固相物质的反应称为共晶反应。

液态铁碳合金的共晶反应可用下式表示：
当温度降至727℃时，高温莱氏体中的奥氏体同样要发生共析反应转变成珠光体，所以在727℃以下高温莱氏体(Ld)就变成珠光体与渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，用“ Ld′”表示。

低温莱氏体的显微组织是在渗碳体基体上分布的柱状或粒状珠光体，如图2-18所示。

图2-17 珠光体的显微组织。