金属与合金的结晶及组织

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1、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。3．1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

2、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。3．1．1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。　　3．1．1．1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

3、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。　　　　3．1．1．2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

4、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。3．1．2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

5、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

6、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的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)热运动状态特性的根据，因此，上述事实表明液态金属中原子的热运动状

7、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

8、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