金属的结构与组织特征探究

纯金属因强度很低而很少使用，工程中使用的金属材料主要是合金。合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如，钢主要是由Fe和C组成的合金，黄铜主要是由Cu和Zn组成的合金等。有关合金的几个概念术语如下。

（1）组元

组成合金的最基本而独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的化学元素。如黄铜的组元是Cu和Zn；青铜的组元是Cu和Sn。但也可以是稳定的化合物，如铁碳合金中的Fe3C，镁硅合金中的Mg2Si等。

（2）合金系

当组元不变，而组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。

（3）相

相是指在合金中具有相同的物理和化学性能并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。例如液固共存系统中的液相和固相。

（4）组织

组织是指用金相观察方法，所观察到的金属及合金内部涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的微观构造。合金在固态下，可以形成均匀的单相组织（如纯铁），也可以形成由两相或两相以上组成的多相组织，这种组织称为两相或复相组织（如退火状态的45钢）。

（5）相与组织的关系

相是构成组织的最基本的组成部分；但是当相的大小、形态与分布不同时会构成不同的组织，相是组织的基本单元，组织是相的综合体。合金的性能取决于成分、相和组织，即取决于合金的结构。

1）合金的结构

由于合金各组元之间的相互作用不同，固态合金可形成两种基本相结构：固溶体和金属化合物。

（1）固溶体

合金中组元在固态下相互溶解而形成的均匀固相，其晶体结构为一种组元的晶格内溶解了另一种组元的原子，称为固溶体。与固溶体晶格类型相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。一般溶剂含量多，溶质含量较少。固溶体可理解为是一种“固态液体”，其溶解度称为固溶度。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

①置换固溶体

若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，则称之为置换固溶体，如图2－20所示。一般来说，当溶剂和溶质的原子半径比较接近时容易形成置换固溶体。

图2－20　置换固溶体中的原子

按照溶质在溶剂中的溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体两种。两组元的晶格类型相同，原子半径差别愈小，在周期表中位置愈靠近，则固溶度愈大，直至接近100%，称为无限固溶体。一般情况下，大多数合金并不满足上述条件，只在液态时组元间可无限互溶，而凝固后的置换固溶体的固溶度是有一定限度的，形成的是有限固溶体。有限固溶体的固溶度还与温度有关。温度越高，固溶度越大。因此，凡是在高温已达饱和的有限固溶体，冷却后由于本身固溶度的降低将使固溶体发生分解而析出其他相。

②间隙固溶体

溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是嵌入各结点间的空隙中，这样形成的固溶体称为间隙固溶体，如图2－21所示。实验证明，当溶质元素与溶剂元素的原子半径的比值R质／R剂＜0．59时才可能形成间隙固溶体。例如，C、N、B等非金属元素溶入铁中易于形成间隙固溶体。凡是间隙固溶体必然是有限固溶体，这是因为溶剂晶格中的间隙总是有一定限度的。

图2－21　间隙固溶体中的原子

无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的溶入都使固溶体内部产生了晶格畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高，如图2－22所示。这种由于溶质原子的进入，造成固溶体强度、硬度升高的现象称为固溶强化。而且溶解度越大，造成的晶格畸变也越大，固溶强化效果越好。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。固溶体一般具有较高的塑性和韧性，常作为合金的基体相。

图2－22　固溶体中的晶格畸变

○—溶剂原子　●—溶质原子

（2）金属化合物

当溶质含量超过固溶体的溶解度时，还将析出新相，若新相的晶体结构不同于任意组成元素，新相将是组元元素间相互作用而生成的一种新的物质，即为金属化合物或中间相。金属化合物通常有一定的化学成分，可用分子式（例如Fe3C、VC）表示，其晶格一般比较复杂，性能特点为熔点高、硬而脆。例如铁碳合金中的Fe3C就是铁和碳组成的化合物，它具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，如图2－23所示。、

图2－23　Fe3C的晶体结构

金属化合物一般熔点高，硬而脆，生产中很少直接

使用单相金属化合物的合金。但当金属化合物呈细小

颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度

硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物通常作为合金中的强化相。

2）合金相图的建立

合金结晶同纯金属一样，也遵循形核与长大的规律。但合金的成分中包含有两个以上的组元（各组元的结晶温度是不同的），并且同一合金系中各合金的成分不同（组元比例不同），所以合金在结晶过程中其组织的形成及变化规律要比纯金属复杂得多。这里主要介绍二元合金的相图。

为了研究合金的性能与其成分、组织的关系，就必须借助于合金相图这一重要工具。合金相图又称状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。所以，通过相图可以了解合金系中任何成分的合金，在任何温度下的组织状态，在什么温度发生结晶，存在几个相，每个相的成分是多少等。

在生产实践中，相图可作为正确制订铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。

（1）相图的表示方法

由两个组元组成的合金相图称为二元合金相图。现以Cu－Ni合金相图为例，来说明二元合金相图的表示方法。Cu－Ni合金相图如图2－24所示。图中纵坐标表示温度，横坐标表示合金成分。横坐标从左到右表示合金成分的变化，即镍的质量分数wNi由0向100%逐渐增大，而铜的质量分数wCu相应地由100%向0逐渐减少。在横坐标上任何一点都代表一种成分的合金，例如A点代表wNi为20%＋wCu为80%的合金，而B点代表wNi为80%＋wCu为20%的合金。

图2－24　二元合金相图的表示方法

（2）相图的建立

相图是通过实验方法测绘的。其中最常用的方法是热分析法，测定的关键是找出合金的熔点和固态转变温度（发生相变的温度，也称临界点或转折点）。下面以Cu－Ni合金为例，说明二元合金相图的建立过程。

表2－3　Cu－Ni合金成分

①熔配不同成分的一系列Cu－Ni合金（见表2－3），供热分析实验之用。

②在热分析仪上分别测出各合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上临界点（转折点或平台）温度。

③画出温度－成分坐标系，在各合金成分垂线上标出临界点温度。

④将具有相同意义的点连接成线，即得到Cu－Ni合金相图，如图2－25所示。

图2－25　Cu－Ni合金相图的建立

3）二元合金相图类型及分析

二元合金的组织可利用其相图进行结晶过程分析而得到。不同的二元合金系，其相图不同，但都可以看作是由一些基本相图所构成。二元合金的基本相图主要有匀晶相图、共晶相图、共析相图等。一定合金系的相图可以由基本相图的一种或多种构成。下面通过对二元合金基本相图的分析来确定其组织。

（1）匀晶相图

两组元在液态时无限互溶，在固态时也无限互溶，则冷却时将产生匀晶反应的合金系，构成匀晶相图，例如，Cu－Ni、Fe－Cr、Au－Ag合金相图等。现以Cu－Ni合金相图为例，分析匀晶相图及其合金的结晶过程。

①相图分析

图2－26（a）为Cu－Ni合金相图。A、B点分别为铜和镍的熔点。液相线（A1B线）和固相线（A2B线）表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。液相线和固相线将相图分成三个区域。液相线以上，合金处于液体状态（L），称为液相区；在固相线以下，合金处于固体状态（α），称为固相区，是由Cu、Ni形成的无限固溶体；液相线和固相线之间，合金处于液、固两相（L＋α）并存区。

②典型合金的结晶过程

以质量分数为wNi＝x%的Cu－Ni合金为例分析结晶过程。该合金的冷却曲线和结晶过程如图2－26（b）所示。在1点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至1～2点温度之间时，合金凝固结晶，从液相中逐渐结晶出α固溶体，即发生匀晶反应，合金处于液、固两相平衡共存状态。2点温度以下，合金全部结晶为α固溶体。其他成分合金的结晶过程也完全类似。

如图2－26所示，液态金属结晶过程中，一定温度下存在的各相，它们有着不同的成分。在平衡转变中，随着温度的降低，原子的不断扩散，各相的成分也随之变化。确定不同温度下各相成分的方法是：过指定温度Tm作水平线，分别交液相线和固相线于wLm点和wαm点，则wLm点和wαm点在成分轴上的投影点即相应为L相和α相的成分。随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。到温度Tn时，L相成分及α相成分分别为wL n点和wαn点在成分轴上的投影。但在整个结晶过程中，系统的平均成分恒为wNi＝x%。

从这里可以看出，合金的凝固过程与纯金属有所不同，归纳为以下几点：合金开始凝固的温度与成分有关；合金的凝固是在一个温度区间内进行的，是一个变温结晶过程。

图2－26　Cu－Ni合金相图及典型合金结晶过程

③杠杆定律

在两相共存的阶段，温度一定时，不但两相各自的成分是确定的，而且两相的质量比也是确定的。随着体系温度的变化，成分改变的同时，两相的相对量也随着结晶过程的进行而改变。怎样求得两相的相对量呢？(www.xing528.com)

设在图2－27（a）中成分为x的液态合金的总质量为m，在温度T1时的液相的成分为wL，对应的质量为mL，固相的成分为wα，对应的质量为mα，则有

mL＋mα＝m

mLwL＋mαwα＝mx

图2－27　杠杆定律的证明和力学相似性

解此方程组，可得

由此得出结论，某合金两相的质量比等于这两相成分点到合金成分点距离的反比。这与力学中的杠杆定律非常相似，所以称之为杠杆定律，如图2－27（b）所示。需要注意的是，杠杆定律只适用于相图的两相区中，并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度下两相的成分点，而支点为合金的成分点。

④枝晶偏析

固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。如图2－28所示为Cu－Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100℃左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，达到成分均匀化的目的，这种处理称为扩散退火或均匀化退火。

图2－28　Cu－Ni合金的平衡组织（a）与枝晶偏析组织（b）

（2）共晶相图

若两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，则冷却时将产生共晶反应的合金系，构成共晶相图。例如，Pb－Sn、Al－Si、Ag－Cu合金相图等。现以Pb－Sn合金相图为例，分析共晶相图及其合金的结晶过程。

①相图分析

图2－29为Pb－Sn合金相图。a、b点分别为Pb和Sn的熔点。adb线为液相线，acdeb线为固相线。合金系有三种相：Pb与Sn形成的L液相，Sn溶于Pb中的有限固溶体α相，Pb溶于Sn中的有限固溶体β相。相图中有三个单相区（L、α、β）；三个双相区（L＋α、L＋β、α＋β）；一条L＋α＋β的三相共存线（水平线cde）。

图2－29　Pb－Sn合金相图

当合金成分位于c点以左时，液相L在固相线以下结晶为α固溶体。当合金成分位于e点以右时，液相L在固相线以下结晶为β固溶体。成分在c点与e点之间的合金，在结晶温度达到固相线cde水平线对应温度（共晶温度）时，都发生以下恒温反应：

Ld↔αc＋βe

这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行着。水平线cde为共晶反应线，d点称为共晶点。d点成分的合金称为共晶合金，成分位于c点与d点之间的合金称为亚共晶合金，成分位于d点与e点之间的合金称为过共晶合金。

cf线为Sn在Pb中的溶解度线（或α相的固溶线）。温度降低时，固溶体的溶解度下降。Sn含量大于f点的合金从高温冷却时，超过固相线而冷却到室温的过程中，由于溶解度降低，α相中将析出富Sn相——β相，以降低其Sn含量。从固态α相中析出的β相称为二次β，常写作βⅡ。eg线为Pb在Sn中的溶解度线（或β相的固溶线）。Sn含量小于g点的合金，冷却过程中同样会发生二次结晶，析出二次α，表示为αⅡ。

②典型合金的结晶过程

a．成分位于c点以左的合金结晶过程

图2－29合金Ⅰ的平衡结晶过程如图2－30所示。液态合金冷却到1点温度以后，发生匀晶结晶过程，至2点温度时合金完全结晶成α固溶体，随后的冷却（2点至3点间的温度），α相不变。从3点温度开始，由于Sn在α中的溶解度沿cf线降低，从α中析出βⅡ，到室温时α中Sn含量逐渐变为f点，最后合金得到的组织为α＋βⅡ，其组成相是f点成分的α相和g点成分的β相。运用杠杆定律，两相的相对质量为：

图2－30　合金Ⅰ的结晶过程示意图

图2－31　共晶合金Ⅱ的结晶过程示意图

合金Ⅰ的室温组织由α和βⅡ组成，但βⅡ少得多。

b．共晶合金（图2－29合金Ⅱ）结晶过程

共晶合金Ⅱ的结晶过程如图2－31所示。合金从液态冷却到1点温度后，发生共晶反应：Ld↔αc＋βe，经一定时间到1′时反应结束，全部转变为共晶体（αc＋βe）。从共晶温度冷却至室温时，共晶体中的αc和βe均发生二次结晶，从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ。α的成分由c点变为f点，β的成分由e点变为g点，两种相的相对质量依杠杆定律变化。由于析出的α1和β1较少，且都相应地同α和β相连在一起，在显微镜下难以分辨。合金的室温组织仍可认为是（α＋β）共晶体。图2－32所示为共晶合金的金相组织。

c．亚共晶合金结晶过程

图2－29亚共晶合金Ⅲ的结晶过程如图2－33所示。合金冷却到1点温度后，由匀晶反应生成α固溶体（初生α相）。从1点到2点温度的冷却过程中，初生α的成分沿ac线变化，液相成分沿ad线变化，初生α逐渐增多，液相逐渐减少。当刚刚冷却到2点温度时，合金由c点成分的初生α相和d点成分的液相组成，液相立即发生共晶转变，初生α相不变化。经一定时间到2′点剩余液相全部变成共晶体，合金固态组织由初生α相和（α＋β）共晶体组成。温度继续下降，初生α中不断析出βⅡ，成分由c点降至f点，如前所述，共晶体中的次生相不予考虑，只考虑α固溶体中析出的βⅡ数量。合金的室温组织为初生α＋βⅡ＋（α＋β），如图2－34所示。合金的室温组成相为α和β，它们的相对质量为：

图2－32　Pb－Sn合金共晶组织

成分在cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程均与合金Ⅲ相同，仅组织组成物和组成相的相对质量不同。成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。

图2－33　合金Ⅲ的结晶过程示意图

图2－34　Pb－Sn合金亚共晶组织

d．过共晶合金结晶过程

图2－29中成分在de之间的过共晶合金Ⅳ的结晶过程与亚共晶合金相似，也包括匀晶反应、共晶反应和二次结晶的三个转变阶段，不同之处是初生相为β固溶体，二次结晶析出相为αⅡ。室温组织为β＋αⅡ＋（α＋β），如图2－35所示。

图2－35　Pb－Sn合金过共晶组织

图2－36　标注组织组成物的相图

上述组织中的α、αⅡ、β、βⅡ及（α＋β）通常称为合金的“组织组成物”，而上述中的α、β通常称为合金组织中的“相”。为了使相图更清楚地反映其实际意义，往往在相图的各个区域中标注相应的组织组成物，如图2－36所示。

（3）共析相图

在二元合金相图中，经常会遇到这样的反应，即在高温时所形成的单相固溶体，在冷至某一温度处又发生分解而形成两个与母相成分不相同的固相，如图2－37所示。相图中A、B代表两组元，当具有c点成分的γ相冷至dce水平线温度时，将发生如下恒温反应：

γc↔αd＋βe

图2－37　共析相图

这种在固态下由一种固相同时析出两种新固相的反应，称为共析反应，其相图称为共析相图。图中c点为共析点，dce线为共析线，（α＋β）为共析体。

用共析相图分析合金的结晶过程与共晶合金相图的分析有相似之处，在此不再分析。共析合金的组织为（α＋β），亚共析合金组织为α＋（α＋β），过共析合金组织为β＋（α＋β）。

与共晶反应相比，共析反应的母相是固相而不是液相，反应在固态下进行，转变温度较低，原子的扩散过程较液态困难得多，故共析反应较共晶反应具有更大的过冷度。因此得到的两相机械混合物（共析体）比共晶体更为细小和弥散。

（4）包晶相图

若两组元在液态时无限互溶，在固态时有限溶解，则发生包晶反应时所构成的相图，称为包晶相图。具有这种相图的合金系主要有：Pt－Ag、Ag－Sn、Sn－Sb、Fe－C等。

现以铁碳合金相图中的包晶部分（见图2－38）为例，讨论包晶相图的特征及典型合金的结晶过程。图2－38中A点为纯铁的熔点。ABC线为液相线。AHJE线是固相线。HJB水平线为包晶线，J点是包晶点。图中标示出的三个单相区分别为L、δ和A，三个两相区分别为L＋δ、L＋A和δ＋A。以包晶点成分的合金Ⅰ为例，分析其结晶过程。

图2－38　Fe－Fe3C相图包晶部分

当合金Ⅰ冷至1点时开始由匀晶反应从液相中析出δ固溶体，继续冷却，δ相数量不断增加，液相数量不断减少。δ相成分沿AH线变化，液相成分沿AB线变化。当合金冷至包晶反应温度时，先析出的δ相与剩下的液相作用生成A。A在原有δ相表面生核并长大，结晶过程在恒温下进行，如图2－39所示。其反应式为：

LB＋δH↔AJ

图2－39　包晶转变示意图

通过Fe、C原子的扩散，A相一方面不断消耗液相向液体中长大，同时也不断吞并δ固溶体向内生长，直至把液体和δ固溶体全部消耗完毕为止，最后形成单相A，包晶转变即告完成。当合金成分位于HJ之间时，包晶反应终了时δH有剩余，在随后的冷却过程中，将发生δ→A的转变。当冷至JN线时δ相全部转变为A。而成分位于JB之间的合金，包晶反应终了时液相有剩余。在以后的冷却过程中，继续发生匀晶反应，直至得到单相A为止。