第2章材料的微觀結(jié)構(gòu)2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2金屬的結(jié)晶2.3合金的相結(jié)構(gòu)習(xí)題與思考題２

不同的金屬材料具有不同的物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能等。通過不同的加工方式改變金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，可以極大地改變金屬材料性能。為了便于改善金屬材料的性能和開發(fā)新型金屬材料，應(yīng)先研究金屬和合金的內(nèi)部組織狀態(tài)、化學(xué)成分、溫度和加工處理工藝等因素間的相互關(guān)系。一般情況下，金屬和合金在固態(tài)下是晶體。要了解金屬和合金的內(nèi)部組織狀態(tài)，必須先了解晶體結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律。

2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.1.1晶體學(xué)基本知識1.晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)按原子(或分子)的排列狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。在自然界中，絕大部分固態(tài)無機(jī)物都是晶體，如金屬和合金制品、食鹽、雪花和冰塊等。常見的非晶體包括普通玻璃、松香等。晶體和非晶體的區(qū)分主要在于其內(nèi)部的原子排列狀態(tài)。晶體是指其原子(或分子)在三維空間呈周期性排列，即原子排列存在長程有序，這也是晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別。

晶體熔化時(shí)有固定的熔點(diǎn)，而非晶體在熔化過程中是逐漸過渡的，無固定熔點(diǎn)。晶體的性能(如導(dǎo)熱性和強(qiáng)度等)在不同方向表現(xiàn)出差異性，即存在各向異性，而非晶體卻為各向同性。在一定條件下，可將原子有序排列的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序排列的非晶體，轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)可使材料的性能發(fā)生極大的變化。

2.空間點(diǎn)陣和晶胞

實(shí)際晶體中的原子在三維空間有無限多種排列方式。由于金屬鍵無方向性，為了便于研究，可將原子看成是固定的剛性球，晶體就是由這些剛性(原子)球按一定的幾何形狀在空間堆垛而成，如圖2－1(a)所示。

為了便于研究，將2－1(a)中的剛性球抽象為幾何質(zhì)點(diǎn)，稱之為質(zhì)點(diǎn)。采用假想的線將各質(zhì)點(diǎn)連接起來，使每個質(zhì)點(diǎn)的幾何環(huán)境都相同，形成一個三維空間點(diǎn)陣，稱之為晶格，如圖2－1(b)所示。

由于晶體中的原子呈周期性排列，故可在晶格中選取一個能反映晶格特征且最小的六面體幾何單元來表示晶格中原子的排列規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞，如圖2－1(c)所示。晶胞要具有以下幾個特征：六面體能反映點(diǎn)陣的最高對稱性；六面體的棱長和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；六面體中存在直角時(shí)，直角數(shù)應(yīng)最多；晶胞應(yīng)具有最小的體積。圖2－1簡單立方晶體結(jié)構(gòu)的原子排列示意圖

在研究晶胞時(shí)，常以晶胞的棱邊長度a、b、c及棱邊夾角α、β、γ來表示晶胞的幾何形狀及尺寸。晶胞的棱邊長度一般稱為晶格常數(shù)。當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c，且夾角α=β=γ時(shí)，這種晶胞組成的晶格是最簡單的一種，稱為簡單立方晶格。

2.1.2金屬晶體結(jié)構(gòu)(包括致密度)

自然界中組成各種物質(zhì)的晶體有無數(shù)種，但根據(jù)晶胞的三個晶格常數(shù)和三個軸間夾角進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)晶格的基本類型可分為14種。在工業(yè)上使用的金屬元素中，絕大部分金屬元素具有較為簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型和常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。前兩種屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。

1.體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞模型示意圖如圖2－2所示。晶胞的三個棱邊長度相等，三個軸間夾角均為90°，構(gòu)成一個立方體。立方體的八個角和中心各有一個原子，每個角上的原子均與相鄰的八個晶胞共有，中心的一個原子完全屬于該晶胞，所以體心立方晶格晶胞中的原子數(shù)為8×1/8+1=2個。

常見的具有體心立方晶格的金屬包含αFe、Cr、W、Mo、V等30余種。圖2－2體心立方晶格晶胞模型示意圖

2.面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞模型如圖2－3所示。晶胞的三個棱邊長度相等，三個軸間夾角均為90°，構(gòu)成一個立方體。立方體的八個角和六個面各有一個原子，每個角上的原子均與相鄰的八個晶胞共有，每個面上的原子均與相鄰的兩個晶胞共有，所以面心立方晶格晶胞中的原子數(shù)為8×1/+6×1/2=4個。

常見的具有面心立方晶格的金屬包含γFe、Cu、Ni、Al、Ag等20余種。圖2－3面心立方晶胞示意圖

3.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞模型如圖2－4所示。在晶胞的12個角上各有1個原子，構(gòu)成六方柱體，上底面和下底面中心各有1個原子，晶胞內(nèi)還有3個原子。六方柱體的每個角上的原子為相鄰的六個晶胞共有，上底面和下底面中心的原子為兩個晶胞共有，中心的三個原子為此晶胞獨(dú)有，所以密排六方晶胞中的原子數(shù)為12×1/6+2×1/2+3=6個。

常見的具有密排六方晶格的金屬包含Mg、αTi、Zn、Be等。圖2－4密排六方晶格晶胞模型示意圖

2.1.3晶面指數(shù)、晶向指數(shù)與致密度

在晶體中，由一系列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面；由任意兩個原子間連線來表示某一原子列在空間的位向稱為晶向。為了便于研究不同晶面和晶向原子的排列情況及所在空間位向，采用統(tǒng)一的符號表示，這就是晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。如晶面指數(shù)(001)、(111)，晶向指數(shù)100?、111?。

計(jì)算結(jié)果表明，在體心立方結(jié)構(gòu)中，有68%的體積被原子占據(jù)，其余32%為空隙。同理，可以計(jì)算出面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)的致密度均為0.74，說明面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)中的原子具有相同的致密程度。晶胞的致密度越大，原子排列越緊密。當(dāng)同一種金屬元素的晶體結(jié)構(gòu)從體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)時(shí)，由于其致密度增大而使體積變小。

2.1.4晶體缺陷

1.單晶體和多晶體

晶體內(nèi)部所有晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。在工業(yè)上，可通過特殊的工藝獲得單個的晶體。少數(shù)金屬以單晶體形式使用時(shí)可體現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但是，實(shí)際工程上使用的金屬材料，其內(nèi)部包含大量顆粒狀小晶粒，每個晶粒內(nèi)部的晶格取向一致，但晶粒間的位向都不相同。這種由兩個及以上晶粒組成的晶體稱為多晶體。一般的金屬材料都是多晶體。多晶體金屬中晶粒位向示意圖如圖2－5所示。多晶體內(nèi)各晶粒的位向取向是隨機(jī)的，晶體的各向異性被相互抵消，使金屬材料在宏觀上不具有各向異性，這種現(xiàn)象稱為偽等向性。圖2－5多晶體金屬中晶粒位向示意圖

2.晶體缺陷

在實(shí)際使用的金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，不可避免地存在一部分原子偏離規(guī)則排列區(qū)域，這就是晶體缺陷。晶體缺陷的存在，對金屬性能產(chǎn)生顯著影響。通?？梢岳镁w缺陷的特征，采用適當(dāng)?shù)氖侄卧黾泳w缺陷，以達(dá)到提高金屬性能的目的。根據(jù)晶體缺陷存在形式的幾何特征，通常可將它們分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。

1)點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷的特征是在其三個方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子尺寸。典型的點(diǎn)缺陷包括空位和間隙原子，如圖2－6所示。在實(shí)際晶體中，晶格中某些節(jié)點(diǎn)未被原子占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時(shí)，在晶格空隙處可能出現(xiàn)多余的同種或異種原子，這類原子不占據(jù)正常節(jié)點(diǎn)而處在晶格空隙處，或節(jié)點(diǎn)由異種原子占據(jù)。圖2－6點(diǎn)缺陷示意圖

點(diǎn)缺陷形成的原因是原子的熱振動產(chǎn)生的原子跳躍使原子不能保持在其平衡位置上。原子克服周圍原子對其約束跳離，在原位置上出現(xiàn)了空節(jié)點(diǎn)，即空位；原子跳躍到晶界處或晶格間隙內(nèi)形成間隙原子；原子跳到其他節(jié)點(diǎn)上或節(jié)點(diǎn)原子由其他異種原子占據(jù)形成置換原子。

點(diǎn)缺陷的存在使原子離開了原來的平衡位置，產(chǎn)生了晶格畸變，從而使金屬材料性能的改變。原子跳躍能力與溫度有關(guān)。溫度越高，原子跳躍加劇，點(diǎn)缺陷增加，從而使金屬材料電阻增加。大量的點(diǎn)缺陷可提高金屬材料的強(qiáng)度和硬度，但是降低其塑性和韌性。晶體中的點(diǎn)缺陷都處在不斷的運(yùn)動中，是使金屬原子產(chǎn)生擴(kuò)散的主要方式之一。

2)線缺陷

線缺陷的特征是在其兩個方向上的尺寸很小，在另一個方向的尺寸相對很大。典型的線缺陷主要是各種類型的位錯。在晶體中，某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排稱為位錯。位錯有很多種，其中最基本的位錯包含刃型位錯和螺型位錯。

圖2－7所示為簡單立方結(jié)構(gòu)中刃型位錯示意圖。在圖中，某一原子平面在晶體內(nèi)部中斷，這個原子平面就像刀刃一樣將晶體上半部分切開后鍥入晶體內(nèi)，刀口處的原子列發(fā)生了有規(guī)律的錯排，此處錯排的原子列稱為刃型位錯；

EF線稱為刃型位錯線。刃型位錯分為正刃型位錯和負(fù)刃型位錯。通常，把額外半原子面位于晶體上部時(shí)的刃型位錯稱為正刃型位錯，用符號“┴”表示；反之，若額外半原子面位于晶體下部時(shí)，則稱為負(fù)刃型位錯，用符號“┬”表示。實(shí)際上刃型位錯的正、負(fù)之分并無本質(zhì)區(qū)別，只是為了表示兩者的相對位置，便于分析討論。圖2－7刃型位錯示意圖

圖2－8所示為簡單立方結(jié)構(gòu)中螺型位錯示意圖，其中BC線附近的原子列發(fā)生有規(guī)律的錯排，此處錯排的原子列稱為螺型位錯；

BC線稱為螺型位錯線。BC線一側(cè)的原子相當(dāng)于在外力作用下使上、下兩部分發(fā)生滑移，而BC線另一側(cè)的原子沒有發(fā)生滑移。螺型位錯根據(jù)錯排區(qū)原子的螺旋方向可分為左螺旋位錯和右螺旋位錯兩類。圖2－8螺型位錯示意圖

實(shí)際金屬材料中存在大量位錯，晶體中的位錯數(shù)量通常采用單位體積內(nèi)位錯線長度即位錯密度來表示。位錯線密度的變化及位錯線在外力作用下產(chǎn)生運(yùn)動、堆積和塞積，對金屬的性能、塑性變形及組織轉(zhuǎn)變等有顯著影響。圖2－9所示為金屬強(qiáng)度與位錯密度間的關(guān)系。從圖中可以看出，完全退火態(tài)金屬強(qiáng)度最低。當(dāng)位錯密度低于完全退火態(tài)時(shí)，由于晶須內(nèi)幾乎不存在位錯而具有極高的抗力。金屬經(jīng)冷變形后晶體中的位錯密度顯著增加，使金屬的強(qiáng)度也顯著提高(但金屬材料的塑性下降)，這種加工方法稱為加工硬化或形變強(qiáng)化。圖2－9金屬強(qiáng)度與位錯密度間的關(guān)系

3)面缺陷

面缺陷的特征是在其一個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸相對很大。典型的面缺陷包括晶界、亞晶界、相界等。在多晶體中，將各形狀不規(guī)則且內(nèi)部取向不同的晶粒區(qū)分開的界面就是晶粒間界，即晶界。多晶體金屬材料中大多數(shù)相鄰晶粒間位向差大于10°，這種晶界稱為大角度晶界，如圖2－10所示。一般認(rèn)為大角度晶界處的原子同時(shí)包含相鄰兩個晶粒的原子，晶界處的原子總體排列紊亂，但也存在局部排列完整區(qū)域。故可以將晶界看成是不同位向晶粒之間的過渡層，晶界層的厚度從幾個原子到幾百個原子尺寸不等。圖2－10大角度晶界示意圖

由于晶界處原子排列不規(guī)則，晶格畸變程度大，故晶界處的能量相比晶粒內(nèi)較高，從而使其具有一系列不同于晶粒內(nèi)的性能。在一般情況下，晶界比晶粒內(nèi)部容易被腐蝕和氧化，晶界強(qiáng)度和硬度較高，晶界熔點(diǎn)較低，晶界處原子擴(kuò)散速度較快等。

在晶粒內(nèi)部，還存在許多小尺寸、小位向差的晶塊，通常位向差只有2°~3°，這些小晶塊稱為亞晶粒。簡單的亞晶界可看成是由一系列刃型位錯組成的小角度晶界，如圖2－11所示。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。晶粒中的亞晶和亞晶界稱為亞組織。圖2－11小角度晶界示意圖

增加晶界和亞晶界的數(shù)量，可提高金屬材料晶界和晶粒內(nèi)的強(qiáng)度，同時(shí)可以提高材料的韌性和塑性，這種金屬材料的強(qiáng)化方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

2.2金屬的結(jié)晶

2.2.1純金屬的結(jié)晶及鑄件晶粒大小控制1.純金屬的結(jié)晶1)結(jié)晶條件金屬材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固；凝固后的固態(tài)金屬通常是晶體，所以這一過程又可稱為結(jié)晶。金屬的結(jié)晶，是原子從不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)。在該轉(zhuǎn)變過程中，存在一個平衡結(jié)晶溫度，液態(tài)低于這個溫度時(shí)出現(xiàn)結(jié)晶，固態(tài)高于這個溫度時(shí)熔化。

當(dāng)溫度處于結(jié)晶溫度時(shí)，結(jié)晶系統(tǒng)中液體與固體共存。純金屬的結(jié)晶過程在恒溫下轉(zhuǎn)變完成，其結(jié)晶過程可用冷卻曲線來描述。冷卻曲線一般采用熱分析法獲得。

以工業(yè)純鐵為例，先將工業(yè)純鐵置于坩堝中加熱熔化至液態(tài)，在液態(tài)金屬中插入熱電偶測量其溫度，然后以一定的冷卻速度使液態(tài)金屬冷卻至室溫。在冷卻過程中，熱電偶按每隔一定時(shí)間記錄一次溫度直至室溫為止，如此便獲得了溫度與時(shí)間關(guān)系的冷卻曲線。

純金屬結(jié)晶的冷卻曲線如圖2－12所示，從冷卻曲線可以看出，金屬在結(jié)晶前，液態(tài)金屬溫度隨時(shí)間增加而不斷降低。當(dāng)溫度降低到純鐵的理論結(jié)晶溫度(熔點(diǎn))T0

時(shí)，并未開始出現(xiàn)結(jié)晶，當(dāng)溫度降低到T0

以下某一溫度T1時(shí)，溫度不再隨時(shí)間增加而變化，曲線上出現(xiàn)了一個溫度水平段，此水平段對應(yīng)的溫度是純鐵的實(shí)際結(jié)晶溫度。根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在金屬結(jié)晶過程中，結(jié)晶的動力是液態(tài)金屬和固態(tài)金屬的自由能之差。

當(dāng)液態(tài)金屬溫度降低到實(shí)際結(jié)晶溫度后，釋放的熱量(結(jié)晶潛熱)與向外界散發(fā)的熱量大致相當(dāng)，所以在冷卻曲線上表現(xiàn)為平臺，平臺的延續(xù)時(shí)間就是結(jié)晶過程所用的時(shí)間。在結(jié)

晶結(jié)束后，固態(tài)金屬向周圍環(huán)境散熱，溫度又重新下降直到室溫為止。

圖2－12純金屬結(jié)晶的冷卻曲線

在結(jié)晶過程中，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，用Δt表示，Δt=T0-T0。過冷度越大，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。Δt與金屬的屬性、純度和冷卻速度等因素相關(guān)。不同金屬的過冷度不同；金屬的純度越高，過冷度越大；冷卻速度越大，過冷度越大。對某一金屬，過冷度有一最小值，液態(tài)金屬不可能在理論結(jié)晶溫度下進(jìn)行結(jié)晶，即液態(tài)金屬的結(jié)晶總是在有適當(dāng)過冷度的條件下才能進(jìn)行。

2)結(jié)晶過程

(1)晶核的形成。

晶核的形成有兩種方式：均勻形核和非均勻形核。

研究表明，液態(tài)金屬中的原子排列在大范圍內(nèi)是無序的(長程無序)，但在微小范圍內(nèi)存在許多原子集團(tuán)，原子集團(tuán)內(nèi)部原子緊密規(guī)則排列(近程有序)。原子集團(tuán)內(nèi)部原子熱運(yùn)動劇烈，能量起伏很大，每個原子都能克服原子集團(tuán)的束縛加入別的原子集團(tuán)或組成新的原子集團(tuán)。液態(tài)中的原子集團(tuán)處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，時(shí)大時(shí)小，時(shí)聚時(shí)散。

原子集團(tuán)的平均尺寸及存在時(shí)間與溫度有關(guān)，溫度越高，原子集團(tuán)的平均尺寸越小，存在時(shí)間越短。通常將這些不穩(wěn)定的原子集團(tuán)稱為晶胚。當(dāng)過冷液態(tài)金屬冷卻到實(shí)際結(jié)晶溫度，某些尺寸較大的晶胚開始變得穩(wěn)定，并能夠自發(fā)長大，稱為液態(tài)金屬結(jié)晶的晶核。這種依靠過冷液態(tài)合金本身，且各區(qū)域出現(xiàn)晶核的概率相同的晶核形成過程稱為均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核。

但在實(shí)際液態(tài)金屬結(jié)晶過程中，液態(tài)金屬原子可以依附于異種原子(如金屬內(nèi)部雜質(zhì)、型壁等)上形成晶核。由于異種原子的存在可以降低晶胚表面能，減小形核阻力，可使液態(tài)金屬的結(jié)晶在較小過冷度下進(jìn)行。這種液態(tài)原子依附于其他固體表面且優(yōu)先形成晶核的過程稱為非均勻形核，又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。實(shí)際上金屬的結(jié)晶主要是按照非均勻形核方式進(jìn)行，非均勻形核在實(shí)際生產(chǎn)過程中有重要意義。

純金屬結(jié)晶過程示意圖如圖2－13所示。圖2－13純金屬結(jié)晶過程示意圖

(2)晶核長大。

當(dāng)液態(tài)金屬中出現(xiàn)第一批晶核后，由于形成晶核時(shí)晶體的表面、棱角等區(qū)域的散熱條件優(yōu)于其他區(qū)域，使周圍的原子逐個擴(kuò)散到晶體表面而長大。在第一批晶核長大的過程中，液態(tài)金屬中開始出現(xiàn)第二批、第三批等新的晶核。在結(jié)晶過程中，晶核的形成和晶核地長大不斷進(jìn)行，直到所有的液態(tài)金屬消耗完全成為固體，長大后相鄰的晶粒相互抵觸，此時(shí)結(jié)晶過程結(jié)束。

晶核長大要求液態(tài)金屬能夠不斷地向晶體提供原子，即要求液態(tài)合金要有足夠的溫度以保證原子的擴(kuò)散能力；同時(shí)，要求晶體表面能夠不斷地接納這些原子，晶體表面微觀形態(tài)直接影響原子在晶體表面的附著穩(wěn)定程度。結(jié)晶過程應(yīng)滿足熱力學(xué)規(guī)律，即結(jié)晶過程是一個系統(tǒng)能量降低的過程，這就要求晶核長大需要足夠的過冷度。

當(dāng)過冷度較大時(shí)，金屬晶體通常以樹枝狀長大。由于晶核內(nèi)部原子的排列特點(diǎn)及晶格各區(qū)域散熱程度不一致，使固體中某一區(qū)域優(yōu)先生長且長得較快、較大，像樹枝一樣生長成為一次晶軸。在一次晶軸上又生長出二次晶軸，二次晶軸發(fā)展到一定程度后，又在它上面長出三次晶軸，如此不斷長大與分枝下去，直到液態(tài)金屬全部消失，每一個枝晶成長為一個晶粒，這就是樹枝晶。樹枝晶生長示意圖如圖2－14所示。

綜上所述，純金屬的結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行，結(jié)晶需要有足夠的過冷度，結(jié)晶時(shí)總有結(jié)晶潛熱釋放，金屬的結(jié)晶是晶核的形成和長大的過程。圖2－14樹枝晶生長示意圖

2.晶粒大小控制

金屬結(jié)晶后通常是由許多晶粒組成的多晶體。晶粒的大小稱為晶粒度。晶粒的大小對金屬的力學(xué)性能有很大影響。通常，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度越高，同時(shí)塑性和韌性也越好。

金屬結(jié)晶后晶粒的大小取決于形核率N和晶核的長大速度vg的相對大小。形核率是在單位時(shí)間單位體積液相中形成的晶核數(shù)量。形核率越大，則單位體積中的晶核數(shù)目越多，結(jié)晶結(jié)束后長成的晶粒越細(xì)小。長大速度是指晶體長大的線速度。長大速度越大，結(jié)晶結(jié)束后長成的晶粒越粗大。因此，可通過促進(jìn)形核，抑制晶粒長大的方式細(xì)化晶粒。

(1)控制過冷度。

增加過冷度，形核率和長大速度都增大，但形核率的增大速度較大。在一般金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度范圍內(nèi)，過冷度越大，晶粒越細(xì)小。

增加過冷度的方法主要是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。如在鑄造生產(chǎn)過程中，為了提高鑄件的冷卻速度，可以采用金屬型替代砂型，增加金屬型的厚度，局部加冷鐵，采用循環(huán)水冷散熱等。

(2)變質(zhì)處理。

變質(zhì)處理是指在液態(tài)金屬中加入孕育劑(又稱為變質(zhì)劑)，促進(jìn)非均勻形核來細(xì)化晶粒。變質(zhì)劑分為兩類，一類可以增加晶核數(shù)量，如在液態(tài)鋁合金中添加的鈦和鋯，在鋼水中添加的鈦和釩等；另一類可以阻礙晶粒的長大，如在液態(tài)Al－Si合金中添加的鈉鹽。

(3)振動和攪拌。

可采用機(jī)械振動、超聲波振動、電磁攪拌等方式，促進(jìn)晶核形成或使樹枝晶受到外部能量沖擊而破碎，這樣可使已經(jīng)長大的晶粒破碎而細(xì)化，且破碎的枝晶可以作為形核質(zhì)點(diǎn)促進(jìn)形核，增加形核數(shù)目，細(xì)化晶粒。

2.2.2同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變

大多數(shù)金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，從液態(tài)結(jié)晶成固態(tài)晶體后，其晶體結(jié)構(gòu)不再隨溫度的變化而變化。但也有少量金屬如Fe、Ti、Sn等在固態(tài)下具有兩種或多種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。固態(tài)金屬在一定溫度下由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變。

圖2－15所示為工業(yè)純鐵的同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變示意圖，從圖中可看出，F(xiàn)e在1394℃至熔點(diǎn)1538℃間具有體心立方結(jié)構(gòu)，稱為δFe；在912~1394℃時(shí)，具有面心立方結(jié)構(gòu)，稱為γFe；在912℃以下時(shí)為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為αFe。(L的含義為Fe在熔點(diǎn)1538℃以上為液態(tài))。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)致密度不同，在發(fā)生同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨著有體積的變化、應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。圖2－15純鐵的同素異構(gòu)體轉(zhuǎn)變示意圖

2.3合金的相結(jié)構(gòu)

純金屬具有良好的物理和化學(xué)性能，在工業(yè)上獲得了一定的應(yīng)用，但是其強(qiáng)度低，價(jià)格昂貴，不適合作為結(jié)構(gòu)材料。為了滿足各種機(jī)械零件的不同要求，通常采用合金。

2.3.1基本概念

1.合金

合金是指兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉或燒結(jié)以及用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金相比于純金屬，具有很高的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，還可能具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能、強(qiáng)磁性等，且價(jià)格較為低廉。最典型的合金如工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的碳鋼和鑄鐵，是由鐵和碳組成的合金；黃銅是由銅和鋅組成的合金。

2.組元

組成合金最基本的獨(dú)立存在的物質(zhì)叫做組元，簡稱元。組元可以是組成合金的元素，如鋼鐵的組元為Fe和C，黃銅的組元為Cu和Zn

；它也可以是穩(wěn)定的化合物，如鐵碳合金中的金屬化合物Fe3C?？梢酝ㄟ^調(diào)整合金中組元的比例，配制成一系列成分不同的合金，以滿足不同性能要求，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系。由兩個組元組成的合金系稱為二元系；由三個組元組成的合金系稱為三元系；由三個及以上組元組成的合金系稱為多元系。

3.相

不同的組元在熔煉和燒結(jié)過程中發(fā)生物理或化學(xué)的相互作用，形成不同的具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的相。相是指合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，且以界面相互分開的組成部分。由一種固相組成的合金稱為單相合金；由兩種或兩種以上相組成的合金稱為多相合金。如黃銅合金系中，當(dāng)鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，Cu－Zn合金是由單一的面心立方結(jié)構(gòu)的晶體組成的，所以它是一種單相合金；當(dāng)鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，Cu－Zn合金是由一種面心立方結(jié)構(gòu)的晶體和一種銅鋅化合物組成的，所以它是一種兩相合金。

不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，但可根據(jù)相的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩大類。

2.3.2固溶體

1.固溶體的分類

合金中的組元以一定比例混合溶解后形成固相，且其晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這種相就稱為固溶體；這一組元稱為溶劑；其他的組元稱為溶質(zhì)。固溶體的特征是保持與溶劑一致的晶體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)溶質(zhì)原子在晶格中所占位置可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。置換固溶體是指溶質(zhì)原子替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點(diǎn)位置從而形成的固溶體。置換固溶體如圖2－16(a)所示。當(dāng)溶質(zhì)原子處于溶劑原子間的間隙中，而不是占據(jù)溶劑晶格的節(jié)點(diǎn)位置，這類固溶體稱為間隙固溶體，如圖2－16(b)所示。圖2－16固溶體的兩種類型

按固溶度可將固溶體分為有限固溶體和無限固溶體。在一定條件下，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度有一定限度，超過這個限度就不再溶解。這個限度即為此溶質(zhì)在溶劑中的溶解度或固溶度；這種固溶體即為有限固溶體。當(dāng)溶質(zhì)在溶劑中的固溶度可達(dá)到100%時(shí)，這種固溶體就成為無限固溶體。對于無限固溶體，通常將含量大于50%的組元稱為溶劑；含量小于50%的組元稱為溶質(zhì)。

按照溶質(zhì)原子在晶格中分布的相對狀態(tài)，固溶體可分為無序固溶體和有序固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子隨機(jī)地分布于溶劑晶格的節(jié)點(diǎn)或間隙中，且無次序性和規(guī)律性，這種固溶體稱為無序固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子按一定規(guī)律占據(jù)溶劑晶格的節(jié)點(diǎn)或間隙，且圍繞著溶劑原子分布，這種固溶體稱為有序固溶體。有些合金在一定溫度條件下可以由無序固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w，這種現(xiàn)象稱為有序化轉(zhuǎn)變。

2.固溶體的性能

在固溶體中，當(dāng)溶質(zhì)含量極小時(shí)，固溶體的性能與溶劑的性能基本相同。隨著溶質(zhì)濃度的增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子的添加引起了溶劑晶格的畸變，進(jìn)而使位錯在晶體內(nèi)移動受到阻力，從而在宏觀上表現(xiàn)為固溶體有更高的強(qiáng)度和硬度。通常，溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，引起的晶格畸變就越大，固溶強(qiáng)化的效果越明顯。

2.3.3金屬化合物

當(dāng)合金中溶質(zhì)的含量超過了固溶體的固溶度時(shí)，除了形成固溶體外，還可以形成金屬化合物。由于金屬化合物總是位于二元合金相圖的中間，故又稱為中間相。通常金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元。金屬化合物是金屬鍵與離子鍵或共價(jià)鍵相混合作用的，因此具有一定的金屬特性。典型的金屬化合物分為三類：正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物。

1.正常價(jià)化合物

正常價(jià)化合物通常是由元素周期表中位置相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩種元素形成的，原子間的結(jié)合鍵主要以金屬鍵、離子鍵或共價(jià)鍵