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金属材料及热处理 金属材料是现代工业的基础。金属材料包括黑色金属材料和有色金属材料两大类。正确地了解、认识金属材料，并合理选择材料。正确使用好材料是保证机械工程、机械设备以及锅炉压力容器产品质量乃至安全可靠运行必不可少的重要控制环节。 第一节 金属学基础知识 在自然界中已发现的全部化学元素中，金属元素约占3/4，而固态金属所具有的共同特性是，有金属光泽，良好的导电性、导热性及良好的塑性等。这些特性是由金属原子电子结构和原子间的排列、结合方式所决定的。由两种或以上金属元素溶合在一起所形成的复合体，称为合金。 1 金属的晶体结构 1.1晶体与晶格 金属的原子都是按一定的规律次序排列的，不同金属有不同的排列方式，这种排列方式称为金属的晶体结构。晶体结构是决定金属性能的重要内在因素。 晶体的特征；具有一定的熔点，组成晶体的质点（原子、离子和分子）在三维空间按一定规律排列，因此金属具有规则的几 何外形，各向异性，即晶体在不同方向上具有不同的性能。 实际晶体中各原子是按一定几何形状紧密地堆积在一起的，如下图所示。但在研究晶体结构时，为便于分析各种晶体中原子的不同排列方式，于是采用了假想的几何线条，将各原子的中心连接起来，就得到一个抽象化的几何空间格架，称为空间晶格。简称晶格。 如果在晶格中取出一个完全代表晶格的最小单位，称为晶胞。晶格就是有无数晶胞在三维空间堆积起来的。典型的晶格有体心立方晶格，面心立方晶格和密排六方晶格。 体心立方晶格的晶胞是一个正六面体（立方体），立方体每个顶角都各有一个原子，中心有一个原子，体心立方晶格的金属有Mo、V、α-Fe等 面心立方晶格的晶胞是也是一个正六面体，其八个顶角上各有一个原子，六个面的中心处也各有一原子，面心立方晶格金属有Cu、Al、Ag。 密排六方晶格的晶胞是一八面体，上下两个底面呈六角形，六个侧面为长方形。密排六方晶格的金属有Mg、Zn等。 晶格中原子的排列、密度对金属的塑性变形能力影响很大，如面心立方晶格的金属塑性好，密排六方晶格的金属塑性较差。 2 实际金属的晶体结构 实际金属与上述理想的单晶体的晶体结构不同，实际金属由很多结晶位向不同的小晶体颗粒所组成，晶粒内晶体的位向相同，如图，晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。 在晶体内部一般存在着缺陷。根据缺陷的几何形态可分为点缺陷，线缺陷，面缺陷3类。 3 金属的结晶 3.1金属结晶的概念 物质从液态状态转变为固态时的凝固过程，即为晶体结构的形成过程称为结晶。从原子排列情况来讲，结晶是原子以不规则排列（液态）过渡到规则排列（晶体）的过程。 每一种金属都存在一定的平衡结晶温度（T0），当液态金属冷却到低于这一温度时即开始结晶，如水到0°以下开始结冰， 在平衡温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态，这时液态中的原子结晶到晶体上的速度与晶体上的原子溶于液态中的速度相同。从宏观来看，这时既不结晶也不熔化，处于平衡状态。只有冷却到低于平衡结晶温度下才能开始结晶。 3.2结晶过程 液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过程。首先在液态金属中形成 极小的晶体-晶核，作为结晶中心。此后，已形成的晶核不断长大，同时液相中又不断产生晶核并长大，直至液相完全消失。每个晶核长大成为一个晶粒。结晶过程示意图如下，每一批晶核形成后，成核和长大过程是同时进行的，直至每个晶核长大到互相接触，每个长大的晶核就成为1个晶粒。 晶核的形成有两种情况，一是在液体中一定过冷度条件下自然形成的晶粒。称为自发晶核。二是在液体中依附外来的固态粒子的表面上形成晶核，称为非自发形核。 4 合金的相结构 合金是两种或两种以上金属元素（或金属与非金属元素）溶合在一起，形成一种有金属特征的新物质，称为合金。 钢是铁和碳的合金，黄铜是铜和锌的合金。组成合金的各元素称为组元。 合金通过不同元素的结合，使材料强度、硬度、耐磨性得到改善，工艺性能得到提高。合金的性能是由合金相结构及其分布形式所决定的。相是指合金中具有相同化 学成分相同物理和化学性能、同一聚集状态并以界面互相分开的各个均匀组成部分。例如纯铁是由单相的α-Fe组织。室温下45钢的组织为铁素体和渗碳体两个相组成。 合金的相结构分为固溶体和化合物两大类。 4.1固溶体 把蔗糖溶于水，得到糖和水的溶液-糖水。水是溶剂即为基体组元称为溶剂。蔗糖 是溶质，为溶入基体的组元称为溶质。如糖水结成冰，就得到蔗糖在固态水中的固溶体。合金中也存在类似的情况。如果溶质原子溶入溶剂晶格中所形成均匀的固体合金，这种固体合金结构称为固溶体。如果当两种原子直径大小相近时，则在形成固溶体时，溶剂在晶格上的部分原子被溶剂原子所置换，这种固溶体称为置换固溶体，如果溶质原子分布在溶剂晶格的间隙处，就形成间隙固溶体。如图所示， 置换固溶体，由于溶质原子的溶入造成溶剂晶格的畸变。随