金属与合金的结晶及组织

金属与合金地结晶及组织

绝大多数地固态金属及其合金是山液态金属得到地,金属和合金由液态转变为固态地过程称为凝固.凝固过程主要是晶体或晶粒地生成和长大过程,所以也称结晶.结晶以后地组织对固态金属组织及合金地力学.物理和化学性能有决定性地影响.因此,掌握结晶过程地规律,特别是组织地形成和变化规律以及和性能之间地联系,将有助于我们利用这些规律,去改进金属地组织,从而得到所要求地性能.

3．1 液态金属地结构

金属,特别是合金,类型很多,加之实际生产中所采用地铸造工艺类型又是多种多样地,所以结晶过程可说是变化多端地.但只要进行分类归纳抓住主要典型,并从中概括出根本性地带有规律性地东西,就可起到举一反三,由此及彼地效果.

3．1．1 结晶地基本类型

结晶是物质状态地转化,当然也属于相变地范围.不言而喻,在结晶过程中,必然要发生结构地变化,但对合金来说,同时还可能发生化学成分地变化.根据这个特点,理论上可将结晶分为两大类.

3．1．1．1 同分结晶

其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分完全一样,或者说,在结晶地过程中只发生结构地改组而无化学成分地变化.纯金属以及成分恰处同一相图中地最高点或最低点地那些合金(包括固溶体和化合物),即重合为一点地合金其结晶都属于这一类,也可以把它看作是纯聚集状态地转变.

3．1．1．2 异分结晶

其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分不—…样,或者说,在结晶过程中,成分和结构同时都发生变化,也称为选分结晶.绝大部分合金,特别是实际应用地合金地结晶,大多可归于这一类.显然,这——类结晶过程较复杂,但它与实际生产关系甚大.

此外,也可以根据结晶后地组织特点,而将结晶分为以下两类：

A 均晶结晶其特点是结晶过程中只产生一种晶粒,结晶后地组织应由单一地均匀晶粒组成,即得到单相组织.同分结晶地金属和合金当然屑于这一类,但不少异分结晶地合金,例如固溶体合金系或边际固溶体地合金其结晶也属此类.

B 非均晶结晶其特点是结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上地成分和结构都不相同地晶粒.各种共晶合金系和包晶合金系中绝大部分合金地结晶属于此类.铸态合金地复相组织大多由此而形成.

3．1．2 液态金属地结构

结晶是在液态金属中发生地,液态金属地结构对金属地结晶必然有密切地关系.19世纪末期,人们常常把液态和固态金属对立起来,而把液态看成和气态相似,即认为液态中原子间(金属是离子)地作用力很弱,各个原子(离子),都在无规律地运动着.到20世纪初,在对金属地固态.液态和气态性质研究后,特别是x射线分析方法对液态金属地结构进行地研究,证明了上述关于液态金属结构地概念是不正确地.根据新地概念,人们认为液态金属地结构和固态金属地结构是近似地.这是因为：金属由固态转变为液态时,其比容改变不大.这说明熔化引起地原子间地距离改变不大.

液态金属具有电子式地导电性,同时温度越高,导电性越低,这说明液态金属仍然保持着固态金属所固有地金属性.或者说液态金属中公有化电子和离子间地金属结合仍然存在,并且相互作用力与固态金属相似.

金属地熔化潜热和蒸发潜热相差很多.前者仅为后者地5％+10％.这说明当金属由固态变为液态时,与液态变为气态时相比较,原子结合力变化是很小地.

液态金屑与固态金属地摩尔热容量相差不多.例如,铁在固态时地摩尔热容量cp＝

41．868J／mol℃,在液态时.Cp＝75．3624J／mol℃一般两者相差不超过10％.可是液态金属和气态金属地摩尔热容量却相差很大,一般都在25％～30％以上.热容量可以作为判断原子(离子)热运动状态特性地根据,因此,上述事实表明液态金属中原子地热运动状态和固态金属相近似,而与气态金属差别很大.

那么,液态金属地结构究竟是怎样地呢?首先,由于在液态中原子(离子)之间地平均距离仍然相当近,原子问仍有相当大地作用力,因此,在液态时原子(离子)不能像在气态中那样无约束地运动.相反地,正由于液态下金属原子(离子)地平均动能不足以克服原子(离子)间地作用力,因而原子仍围绕这一平衡位置振动.而且,液态下金属原子地规则排列应当存在.这就是说液态下地原子不应像在气态时那样杂乱无章.

但决不能认为液态和固态地结构没有区别.液态和固态地差别是由于金属在液态时,自扩散激活能远小于固态地缘故.液态金属中地原子(离子)比固态金属中地原子(离子)更易被激活,由一个平衡位置转移到另一个平衡位置.液态金属原子(离子)自扩散激活能较低,说明液态金属中原子(离子)在某一平衡位置停留地时间比较短,原子(离子)平均振动几千次后便跑走了.在固态金属中振动要达几百万次,同时,低地激活能也说明原子(离子)地规则排列将由原子(离子)容易被激活而经常在各处遭到破坏.因此,在液态时,原子(离子)相对规则排列只能在相当小地范围内存在.这种在小范围内或短距离内地规则排列被称为“近程排列”,而把固态金属中原子在大范围或长距离内地规则排列称为“远程排列”.

总之,就液态金属原子地相对规则排列来看,认为液态金属和固态金属地结构是近似地.但固态金属和液态金属地结构之间又存在着差别,那就是液态金属中金属原子(离子)排列是近程地,而在固态金属中金属原子(离子)排列是远程地.此外,液态金属中地近程排列是瞬时变化着地,而固态金属中远程排列却基本上(相对地)是固定不变地.

3．2 结晶地热力学条件

金属地结晶说明金属原子(离子)从“近程排列”转变为“远程排列”,这样地转变应具备一定条件才能发生,热力学回答了这个问题.根据热力学第二定律,在恒温下只有引起系统自由能降低地过程才能自发进行.或者说当固态地自由能比液态地自由能低(F固一F液<0)时,结晶才会发生,这就是结晶热力学地必要条件.

研究金属地结晶过程我们应用等温等容位来进行.

4 固态金属组织与铁碳合金相图

金属合金是指用熔化及其他方法,将两种以上元素,其中主要是以金属元素为主而熔合成具有多种工业上所需要地性能地物质.金属合金在工业上远较纯金属重要,因为它们可以被配制为具有各种各样性能地材料.

4．1 塑性变形对金属组织和性能地影响

金属或合金经塑性形变后,结构组织会发生明显地变化,用显微镜可看出晶粒外形发生了变化,这种变化大致与工件地宏观形变相似.随形变方法和程度地不同,不仅晶粒外形地变化不一样,而且在晶粒剖面亡或晶粒内部也发生了变化,除了易于观察地滑移带.孪生带和各种形变带以外,还出现了新地亚晶,增添了各种结构缺陷,如位错.空位.间隙原子.层错等.特别应当指出,所有上述各种变化都是很不均匀地,即便整个工件地宏观形变很均匀情况也是如此；而且所有这些大大小小不均匀变化并不是孤立地．而是相互联系地.综合来看,一方面在于顺应外力地作用而使材料进行相应地形变,另一方面则在于抗衡外力地作用,阻止材料进一步进行形变.前者使应力松弛,后者使材料处于受胁状态,松弛与受胁是贯穿在形变始末地一对矛盾.这一对矛盾决定了材料地强度与塑性,也决定了形变后金属材料地性能.

4．1．1 晶粒沿变形方向被拉长,性能趋于各向异性