金属材料的热处理..doc

第一篇 金属材料与热处理 众所周知，生产中使用的材料的发展将人类生活的时代划分为石器时代（公元前10万年）、青铜器时代（公元前3000年）、铁器时代（公元前1000年）、水泥时代（公元0年）、钢时代（1800年）、硅时代（1950年）以及人工合成新材料时代（1990年）。 在所有材料当中金属材料占有较大比重，而作为金属材料主体的钢铁材料的发展在一定程度上推动着一个国家的科学技术发展。仅以日本和英国为例，二战后，1952年，日本钢产量为700万吨，而英国为1700万吨；1962年，日本钢产量猛增到2755万吨，而英国只有2500万吨；日本钢铁业的发展推动了其汽车工业和其他使用钢铁材料的产业的飞速发展，并使其工业地位与美国及欧洲等发达国家并驾齐驱。 金属材料包括纯金属及其合金，是由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特征（如导电性、导热性、延展性等）的重要工程材料。在十七世纪的科学革命和十八、十九世纪的工业革命时期，人们对它的认识仍是非理性的，主要停留在工匠、艺人的经验技术的水平上。为了更有效地使用金属材料，需要了解其内部的结构及影响金属材料性能的各种因素，掌握提高或改善其性能的途径。金属材料与热处理这一篇就是阐述各种金属材料的共性基础知识，从金属材料的组织结构出发，研究金属材料的结构与其外在性能的关系及如何改善和提高其自然属性和性能。 第一章 金属的晶体结构和结晶 金属材料固态下通常都是晶体（金属晶体），原子呈规则排列，这是由金属键的特征所决定的。研究金属及其合金的内部结构，即研究金属中原子的相互作用和结合方式，原子的聚集状态和分布规律，各种晶体的特点和彼此的差异，实际金属中的各种晶体缺陷，是金属材料研究的必要手段。因此在第一章我们首先学习金属的晶体结构和结晶方面的一些基础知识，为进一步学习金属材料及热处理打好基础。 1.1 金属的晶体结构 1.1.1 晶体与非晶体 固态物质按其内部原子（或分子）的聚集状态而分为晶体和非晶体两大类，其根本区别在于晶体中的质点（原子、离子或分子）在空间作有规则的排列，即相同的质点，在空间有周期性地重复出现，这称为长程有序排列（或远程有序排列）；而非晶体内部的质点排列不规则，至多有些局部的所谓短程有序排列（或近程有序排列）。通常条件下液态金属凝固后原子是规则排列的，所以固态金属往往都是晶体。液体中的原子处于紧密聚集的状态，但并不存在长程的周期性排列，从物质的质点排列是否规则而言，固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是其物理性质与通常意义上的液体有所不同。玻璃是典型的非晶体，故往往也将固态非晶体（即非晶态的固体）称为玻璃体。 晶体与非晶体内部结构的不同，造成两者性能上的一些重要差异。⑴冷却或熔化时晶体有一定的凝固点或熔点（即固体与液体之间转变的临界温度）。在临界温度以上为非晶 体状态的液体，临界温度以下液体转变为晶体，即晶体的固、液态转变具有突变性质，当然也就导致物理性质的突变，例如液态金属转变为固态金属，其粘度的上升幅度可以达到约20个数量级。非晶体的固态与液态之间的转变则是逐渐过渡的，没有明显的凝固点或熔点，其物理性质的变化也是逐渐过渡的。⑵晶体与非晶体另一个重要的差异是：沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度以及外表面的化学性质等等）并不相同。例如，沿铜单晶体（冷却时，仅由液体中一个晶体核心长大而成的晶体称单晶体）不同方向测定有关性能的最大值与最小值之比，对弹性模量来说，可达2.86，抗拉强度则为2.70，而伸长率更达到5.5之多，这种现象就是晶体的各向异性（或异向性）。非晶体的性能不因方向而异，这称为各向同性(或等向性)。 自然界的许多晶体（例如天然金刚石、结晶盐、水晶等等）有规则的外形，这与晶体的形成条件有关，如果条件不具备，晶体也可能有不规则的外形，所以，晶体与非晶体的本质区别在于内部结构而非外形。一定条件下,晶体与非晶体可以互相转化。玻璃经高温长时间加热能形成所谓的晶态玻璃，而液态金属快速凝固(冷却速度大于106)可获得非晶态的固体金属（又称金属玻璃）。当然，随着晶态与非晶态的转变，其性能也会发生极大的改变。 1.1.2 金属的晶体结构 金属的性能不仅决定于其组成原子的本性和原子间结合键的类型，也与原子的排列方式有关。换句话说，不同的金属，其原子排列方式不同而其性能有所差异；即使同一种金属，在不同温度或压力条件下，由于其内部原子排列不同，性能也会发生很大的变化。 1.1.2.1 有关金属晶体的一些基本概念 按照金属键的概念（见图1.1），金属离子沉浸在自由运动的电子气中，呈均匀对称分布的形态，没有方向性，不存在结合的饱和性，所以完全可以将金属晶体中的原子（或离子）看作为固定的圆球。那么晶体就由这些圆球有规则地堆垛而