金属的特性及组织分析

已知106种化学元素中有83种是金属元素。化学元素周期表的右部是非金属，而中间部分的Si、As、Se、Te被看做是居于金属和非金属间的过渡元素。

固态金属和个别液态金属具有下列特征：

1）高的导热、导电性。

2）电阻温度系数为正值，即随温度升高，电阻增大。

3）约30种金属具有超导性，即接近绝对零度时，电阻急剧减小，趋近于零。

4）具有热电子发射功能，即加热到较高温度能发射出电子。

5）有较大的塑性变形特性。

6）具有优异的反射能力，不透明，有光泽。

所有金属和合金都是结晶体，金属中的原子（离子）都呈规则排列，形成所谓的点阵（晶格）。物质金属状态的主要特性是存在自由电子。金属状态在于多个原子的组合，当这些原子相互接近时，其外层电子会脱离单个原子成为共同电子，即电子聚集，并在带正电和在空间周期排列的离子间，按一定能阶（布里渊带）自由运动。因此，离子-电子体系金属的稳定性取决于带正电离子和聚集电子间的相互作用，这种离子骨架和电子云间的相互作用被称作金属键。

金属的键合力取决于离子和电子间的排斥力和吸引力比值。原子（离子）间的距离要保证相互的作用能最低（见图2-1）。与此状态相应的是图中的平衡态R₀。要针对压力或引力做一定量的功才能使原子（离子）间距小于或大于R₀。当金属中的原子作规则排列，形成正确点阵时，就是原子间最小作用能的理想状态。

晶体点阵中原子潜（势）能的变化特征示于图2-1b。原子（离子）占据的位置具有最低潜能。由于相互作用力不平衡，表面层原子具有较高潜能，在原子（离子）周围形成球面应力场。

掌握和研究金属学、物理冶金和热处理原理必须了解下面一系列专业术语和概念。

1）纯金属：任何纯金属都或多或少含有杂质，绝对纯的金属是不存在的。所谓纯金属可理解为基本金属含量（质量分数）在99.99%～99.999%范围的金属。(www.xing528.com)

图2-1 两原子相互作用力和晶体点阵中原子势能变化

a）两原子相互作用力 b）晶体点阵中原子势能变化

2）工业纯金属：是指杂质含量（质量分数）在0.1%～0.5%、纯度（质量分数）为99.5%～99.9%，以普通方式冶炼成的金属。

3）合金：将两种或多种金属或金属与非金属用熔炼法或烧结法（很少用沉积法）制备出的是合金。纯金属在一般组织状态下的强度不高，不具备各种工况要求的性能，故很少有工业应用。合金的强度高，力学、物理、化学性能好，具有金属状态的各种特性，故被广泛使用。

4）晶粒：用普通方法生产的金属（合金）是由相互不同取向的晶体微粒（0.1～1000μm）构成的多晶体。由于结晶条件不同，晶体具有不规则形状，这些形状各异的晶体就是晶粒。

5）相：平衡状态下的相组合被称作系统。具有一定成分、晶体结构、性质、相同聚集状态，且和其他部分有分割界面的系统组合部分被称作相。例如，均匀的纯金属或合金是单相系统，同时有液态合金（金属）和固态结晶的状态则为双相系统。如果固态合金具有金属晶粒基体和碳化物微粒，则此合金为双相合金。

6）组织：相应相在金属和合金中的形状、尺寸和相互排列特征。合金的组织成分被看成是具有独特性质和相同结构的合金独立部分。

7）宏观组织：肉眼可见或低倍放大（30～40倍）观察的金属和合金结构。研究宏观组织使用宏观磨片。为制备磨片，可从大坯件（铸锭、锻件等）或零件上切下样块、磨光表面，然后用专用腐蚀剂侵蚀。研究宏观磨片可以得知铸态金属的晶粒形貌和分布、自由锻和模锻件的纤维（变形晶体）取向、破坏金属密实性的缺陷（疏松、气孔、缩孔、裂纹等），由于结晶、热处理和化学热处理（渗碳、渗氮等）导致的合金化学成分的不均匀性（硫、磷偏析）等。

8）显微组织：用光学显微镜和电子显微镜在高倍（100～2000倍）和超高倍（>5000倍）放大下观察到的组织。研究显微组织用显微磨片。为此，从半成品或零件上按一定方向切下一块试样，磨光其一个平面，并用专用腐蚀剂侵蚀。在电子显微镜下观察显微组织不用磨片，而是用金属制件上截取的薄片经腐蚀减薄制成的薄膜或从试样表面拓下的复膜。

9）显微镜的分辨（能）力：最小可分辨的物件（组织细节）尺寸。光学显微镜的最高分辨力是0.2，有效放大倍率是2000倍。进一步提高光学显微镜的放大倍率是无益的，还是看不到更细的组织细节，因为其分辨力是由光的波动本质决定的。电子显微镜利用波长极短[（0.04～0.12）×10^-1nm]的电子束可以把研究对象的细节区别到0.2～0.5nm。用光学显微镜可显示出相的分布、形状和尺寸。用电子显微镜能仔细研究金属的精细结构（亚结构），还可直接观察金属的晶体结构缺陷。

10）断口和断口分析：金属的破断表面即为断口。断口类型有韧性断口、解理断口、疲劳断口、氢脆断口之分，取决于加载条件、金属（合金）金相结构和显微组织、熔炼与成形工艺、热处理、零件工作温度和介质。断口研究也有宏观与微观（放大5×10⁴倍以上）之分。断口的肉眼观察和用低倍光学显微镜的研究被称为断口分析。在电子显微镜下研究断口的精细组织特征被称为显微断口分析。用断口分析法可研究金属材料的破断机理、组织、工艺和其他因素对破坏行为的影响。断口显微分析用扫描式电子显微镜，靠一次电子束在被研究断口表面连续移动和由表面发射的二次电子流形成图像。扫描电镜分辨力为15～20nm，比透射电镜低。