金属与合金的结晶及组织.doc

金属与合金的结晶及组织 绝大多数的固态金属及其合金是山液态金属得到的，金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶。结晶以后的组织对固态金属组织及合金的力学、物理和化学性能有决定性的影响。因此，掌握结晶过程的规律，特别是组织的形成和变化规律以及和性能之间的联系，将有助于我们利用这些规律，去改进金属的组织，从而得到所要求的性能。31 液态金属的结构 金属，特别是合金，类型很多，加之实际生产中所采用的铸造工艺类型又是多种多样的，所以结晶过程可说是变化多端的。但只要进行分类归纳抓住主要典型，并从中概括出根本性的带有规律性的东西，就可起到举一反三，由此及彼的效果。311 结晶的基本类型 结晶是物质状态的转化，当然也属于相变的范围。不言而喻，在结晶过程中，必然要发生结构的变化，但对合金来说，同时还可能发生化学成分的变化。根据这个特点，理论上可将结晶分为两大类。 3111 同分结晶 其特点是结晶出的晶体和母液的化学成分完全一样，或者说，在结晶的过程中只发生结构的改组而无化学成分的变化。纯金属以及成分恰处同一相图中的最高点或最低点的那些合金(包括固溶体和化合物)，即重合为一点的合金其结晶都属于这一类，也可以把它看作是纯聚集状态的转变。 3112 异分结晶 其特点是结晶出的晶体和母液的化学成分不样，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，特别是实际应用的合金的结晶，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，也可以根据结晶后的组织特点，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，结晶后的组织应由单一的均匀晶粒组成，即得到单相组织。同分结晶的金属和合金当然屑于这一类，但不少异分结晶的合金，例如固溶体合金系或边际固溶体的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的成分和结构都不相同的晶粒。各种共晶合金系和包晶合金系中绝大部分合金的结晶属于此类。铸态合金的复相组织大多由此而形成。312 液态金属的结构 结晶是在液态金属中发生的，液态金属的结构对金属的结晶必然有密切的关系。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)的作用力很弱，各个原子(离子)，都在无规律地运动着。到20世纪初，在对金属的固态、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的结构进行的研究，证明了上述关于液态金属结构的概念是不正确的。根据新的概念，人们认为液态金属的结构和固态金属的结构是近似的。这是因为：金属由固态转变为液态时，其比容改变不大。这说明熔化引起的原子间的距离改变不大。 液态金属具有电子式的导电性，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的金属性。或者说液态金属中公有化电子和离子间的金属结合仍然存在，并且相互作用力与固态金属相似。 金属的熔化潜热和蒸发潜热相差很多。前者仅为后者的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的。 液态金屑与固态金属的摩尔热容量相差不多。例如，铁在固态时的摩尔热容量cp41868Jmol，在液态时。Cp753624Jmol一般两者相差不超过10。可是液态金属和气态金属的摩尔热容量却相差很大，一般都在2530以上。热容量可以作为判断原子(离子)热运动状态特性的根据，因此，上述事实表明液态金属中原子的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，液态金属的结构究竟是怎样的呢?首先，由于在液态中原子(离子)之间的平均距离仍然相当近，原子问仍有相当大的作用力，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。相反的，正由于液态下金属原子(离子)的平均动能不足以克服原子(离子)间的作用力，因而原子仍围绕这一平衡位置振动。而且，液态下金属原子的规则排列应当存在。这就是说液态下的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的结构没有区别。液态和固态的差别是由于金属在液态时，自扩散激活能远小于固态的缘故。液态金属中的原子(离子)比固态金属中的原子(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的时间比较短，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，低的激活能也说明原子(离子)的规则排列将由原子(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的范围内存在。这种在小范围内或短距离内的规则排列被称为“近程排列”，而把固态金属中原子在大范围或长距离内的规则排列称为“远程排列”。 总之，就液态金属原子的相对规则排列来看，认为液态金属和固态金属的结构是近似的。但固态金属和液态金属的结构之间又存在着差别，那就是液态金属中金属原子(离子)排列是近程的，而在固态金属中金属原子(离子)排列是远程的。此外，液态金属中的近程排列是瞬时变化着的，而固态金属中远程排列却基本上(相对的)是固定不变的。32 结晶的热力学条件 金属的结晶说明金属原子(离子)从“近程排列”转变为“远程排列”，这样的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的过程才能自发进行。或者说当固态的自由能比液态的自由能低(F固一F液0)时，结晶才会发生，这就是结晶热力学的必要条件。 研究金属的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的性能的物质。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的材料。41 塑性变形对金属组织和性能的影响 金属或合金经塑性形变后，结构组织会发生明显的变化，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的宏观形变相似。随形变方法和程度的不同，不仅晶粒外形的变化不一样，而且在晶粒剖面亡或晶粒内部也发生了变化，除了易于观察的滑移带、孪生带和各种形变带以外，还出现了新的亚晶，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的，即便整个工件的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的而是相互联系的。综合来看，一方面在于顺应外力的作用而使材料进行相应的形变，另一方面则在于抗衡外力的作用，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的一对矛盾。这一对矛盾决定了材料的强度与塑性，也决定了形变后金属材料的性能。411 晶粒沿变形方向被拉长，性能趋于各向异性 金属在外力作用下产生塑性变形时，随着金属外形被压扁或拉长，其内部晶粒会产生破碎。例如，在拉拔时，晶粒随工件的形变而逐步变长，甚者最后可变为纤维丝状；在轧压时，晶粒逐渐变为扁平状，甚至变为薄片状。当变形量很大时，各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状，晶界变得模糊不清。这种组织称为纤维组织，如图41所示。塑性变形后金属性能将会具有明显的方向性，例如纵向(沿纤维方向)的强度和塑性要比横向(垂直于纤维方向)高得多，即各向异性。各向异性的产生，实际上是两种因素的综合结果，其一是组织的方向性，其二是结构的方向性，而单向形变或不匀称形变则是引起这两种方向性的重要的直接原因之一。412 晶粒破碎，位错密度增加和产生加工硬化 金属发生塑性变形时，不仅晶粒的外形发生变化，而且晶粒内部的结构也会发生显著的变化，这对金属的性能将有很大的影响。在变形量不太大时，先是在变形晶粒中的晶界附近出现位错的堆积，随着变形量的增大，使晶粒破碎成细碎的亚晶粒。变形量愈大，品粒被破碎得愈严重，亚晶界愈多，位错密度愈大。这种在业品界处大量堆积的位错，以及它们之间的相互干扰作用，均会阻碍位错的运动，使金属变形抗力增大，强度和硬度显著增高。随着变形程度的增加，使金属强度和硬度升高，而塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。图42为纯铜的冷轧变形度对其力学性能的影响。 根据实验测定，金属形变所施加的外部能量大部分消耗在以滑移或孪生为主的形变功上，并转变为热而逸散到周围环境中去，只有少部分能量或以弹性应变或以各种缺陷的形式储存在金属内部。前者反映在形变后各种内应力的大小上，后者表现在所增加的缺陷的类型和数量上。在由形变产生的诸缺陷中，以位错和空位为最重要。但空位能所占储存能的比率较小，所以储存能大部分是由位错的增殖而引起的，位错能约占总储存能的8090，由此可见位错在形变中的重要性。据统计，在经过强烈形变的金属中，位错密度可由平均106根cm2增至1012根cm2以上，而且其分布是很不均匀的，利用透射电镜可以观察形变后位错的分布，结果表明，随条件的不同，位错的分布也有所不同。例如，当形变温度较低，位错的活动性较差时，形变后位错大多是相当紊乱，无规则地分散在晶体中；当位错活动性较大，并可进行滑移时，位错大多集聚在局部区域，纠结在一起，组成所谓位错发团。这样，在金屑中便出现许多由位错发团区分隔开的、位错密度较低的区域。这些区域之间有不大的取向差别，称之为形变亚晶，形变量越大，亚晶越小。相对来说，由于位错的交互作用，这后一种情况比前一种情况能量较低，稳定性较大。所以只要条件允许，在形变后的组织中，每个晶粒内部总是包含着许多细微的亚晶，亚晶界纠结着大量位错。在其他条件相同时，形变量越大，位错密度也越大；但复杂的形变较之简单的形变因参与的滑移系多，位错相耳交割频繁，相互干扰严重，所以位错密度增加较大。 当形变方法和形变量一定时，位错密度随晶粒大小、杂质的多少或形变温度的高低而变化。一般来说，