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§ 5. 1金属材料的基础知识

§ 5. 1. 1金属结构的基本知识

不同的金属材料有不同的性能，甚至同一种金属在不同条件下（例如受力、受热及不同加T 状态 等），其性能也不相同，这与金属及合金的内部结构和引起内部结构齐种变化的外因有关。

金属是由原子在空间呈有规则排列的集合体即晶体构成的，晶体有一定的熔点并 具有各向异性（即在不同方向受力吋表现出不同的机械性能，或在不同方向上对 超声波有不同的传播速度，或者对X 射线表现有不同的吸收或衍射等等）。人多 数的金属和合金都属于多晶结构，亦即由许多方位不同的晶粒组成，称为多晶体, 由于各向异性被相互抵消而表现为各向同性（在各个方向上的机械性能，或者对 超声波的传播速度，或者对射线的吸收或衍射等有和同的表现），即所谓的“伪 等向性”。

晶体是山原了堆积而成的，山于原了空间排列方式的不同而将形成不同的晶格，主要的晶格形式 有：

体心立方晶格：例如910°C 以下的铁（称为a-Fe ）和1394°C 以上的铁（称为o-Fe ）,以及室温 下的锯、鸭、钢、帆等元索。

面心立方晶格:例如910°C'、1390°C 的铁（称为Y-Fe,与前面所述的a-Fe 和。-Fe 称为铁的同 索异构转变），以及室温下的铜、線、金、银、铝等。

密排六方晶格：例如镁、锌、镉、彼、钛等。

不同的晶格其原子排列规则与紧密程度不同，因而使不同金属的塑性、强度、热处理、合金化效 果以及其他物理化学性能等冇明显的不同，即使在相同晶格类型的情况下，视元索的原子宜径大 小和原子间的中心距离（晶格常数）不同，各原子包含的电子数不同，其性能仍有很大差别。

晶体的形成是在金属从液态转变到固态的凝固过程中进行的，此过程称为金属的结晶过程。结晶 过程不同，形成的晶体结构不同，因而将有不同的性能。

金属的结晶过程可以分为三个步骤：晶核的形成；围绕晶核的长大与晶粒形成；各单独的小晶体 长大而相互接触，最终联结成整体（固体形成）。山于各晶粒的空间方位不同，在接触面附近的 原了排列不会像晶体内部那样完整规则和方位一致，因而接触面上的组织和性能与晶体内部的组 织和性能将冇明显的不同。各个不同方位的小晶体间交界接触面称为晶界，被晶界包围的各小晶 体称为晶粒。

此外，在金属的实际结晶过程中，山于金属材料受不同条件的加丁、冶炼、熔化、浇铸或其他加

工、体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格

处理以及杂质的影响，实际晶体中的某些原子可能会离开正常的晶格结点位置，造成“空穴”, 或者某些原子或杂质进入晶格原子的间隙中成为“间隙原子”，亦即产生“点缺陷”（实际生产中也常利川这一点形成特定性能的显微结构，即“间隙固溶体”）；在实际晶体中，同一晶粒中的某些晶体小块也会出现排列方位不一致而形成“线缺陷”，还有在多晶体的晶界上会因各晶粒的取向、方位不同，在晶界附近表现为晶格混乱，而忖杂质也多，形成''而缺陷”，这种缺陷表现为晶界上的化学成分、组织结构、性能等方面都与晶粒内部存在较大的差异。

工业上使用的金属材料绝大多数采用合金，因为合金的许多性能是纯金屈达不到的。合金是山两种以上的金属和金属，金属和非金属元素组成，具冇金属特性的物质。组成合金的独立的最基本的单元称为“组元”或“元”，组元可以是金属元索或非金属元索，或者山稳定的化合物组成，而合金中成分、性能和组织状态均匀一致的部分称为“相”。

合金的结构山组成合金的组元在结晶时彼此所起的作用决定，其基本结构为：

（1）固溶体-合金在液态下部呈均匀的液相，即呈液体溶液，合金在转变成固态后，仍能保持组织结构的均匀性，这种合金结晶后所形成的固态相称为固溶体。它只有一种晶格，其•内可以有两种或两种以上的元素存在，保持晶格不变的元素称为溶剂，而其它元素称为溶质。根据溶质原了在溶剂原了晶格结点屮所应的位置不同，可以把固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种：

置换同溶体：溶质原了部分r1!据了溶剂原了晶格结点位置，即由溶质原了部分替换了原来结点位置上的溶剂原了所形成的固溶体。

间隙固溶体：溶质原了溶入溶剂原子晶格的间隙Z屮而形成的固溶体。

上述两种固溶体的共同特点是都有一定的溶解度，随着溶解度的增大，由于不同原子的直径不同，将使固溶体晶格发生膨胀或收缩，以及引起晶格畸变，这会导致固溶体强度提高、导电性下降，这种现象称为同溶强化，对合金钢及钢的热处理有重要意义，因为溶质原了的大小和数量多少，将决定固溶体的性能。

（2）金属化合物-金属化合物具有与形成的各元素晶格完全不同的特殊晶格，其中各元素的原子呈有序扌『:列。金属化合物具有一定的熔化（分解）温度，形成化合物的元素在某种条件下能溶解或者被其它元素替换形成新的化合物。化合物可以是全部金属元素，也可以是金属和非金属元素组成（例如碳化物、氮化物等）。

化合物不能单独构成合金（单一化合物一般哽而脆，不能单独应用），而只能是作为一个组元，弥散分布在固溶体或纯金属的基体组织中，使合金的報性变形抗力增高，或者增高抗磨性等，能有效地改善合金的机械性能和热处理性能。

（3）机械混合物-当构成合金的两个纽•元在固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应形成化合物时，就构成了机械混合物。机械混合物屮各组元各H保持自己的晶格和性能，其形状、大小、分布状况对合金的性能有明显影响。

机械混合物可由纯金属之.间形成，也可由纯金属和化合物、纯金属和同溶体、固溶体和同溶体以及固溶体和化合物Z间形成。

铁碳合金的组织与性能和含碳量及温度有关，在常温下它的基本结构有：

铁素体（常用代表符号F）-碳与合金元素溶解于a -Fe屮形成的间隙同溶体，为体心立方晶格，含碳量低，因而铁索体组织具有良好的報性和韧性，但是强度和硬度较低。

渗碳体（常用代表符号Fc3C）-一种铁碳化合物，呈复杂的斜方晶格。渗碳体的熔点、硬度高，脆性大，槊性与韧性很低。钢屮含碳量增大时，渗碳体的数量也增大，从而增加了钢的强度和硬度，但使其報性和韧性下降。

珠光体（常用代表符号P）-铁素体与渗碳体的机械混合物，呈现铁素体和渗碳体相间排列的片层状