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金属材料由称为“晶粒”或微晶的小晶体的微观结构组成

来源:作者: 日期:2019/3/28 10:17:34 浏览:

金属材料由称为“晶粒”或微晶的小晶体的微观结构组成。颗粒的性质(即颗粒尺寸和组成)是决定金属整体机械性能的最有效因素之一。热处理通过控制微观结构内的扩散速率和冷却速率提供了一种有效的方法来控制金属的性质。热处理通常用于改变金属合金的机械性能,控制硬度,强度,韧性,[1]延展性和弹性等性能。


在热处理过程中有两种机制可能改变合金的性质:马氏体的形成导致晶体本身变形,扩散机制引起合金均匀性的变化。[2]


晶体结构由以非常特定的排列分组的原子组成,称为晶格。在大多数元素中,此顺序将根据温度和压力等条件重新排列。这种重排,称为同素异形或多态,可能在特定金属的许多不同温度下发生数次。在合金中,这种重排可能导致通常不会溶解到基体金属中的元素突然变得可溶,而同素异常的逆转会使元素部分或完全不溶。[3]


当处于可溶状态时,扩散过程导致溶解元素的原子扩散,试图在基体金属晶体内形成均匀分布。如果合金冷却至不溶状态,则溶解的成分(溶质)的原子可以从溶液中迁移出来。这种称为沉淀的扩散导致成核,其中迁移的原子在晶界处聚集在一起。这形成了通常由两个或更多个不同相组成的微观结构。[4]例如,加热到奥氏体化温度以上的钢(红色到橙色 - 热,或者在1500°F(820°C)到1600°F(870°C)左右,取决于碳含量),然后缓慢冷却,形成由铁素体和渗碳体交替层组成的层状结构,变成柔软的珠光体。[5]在将钢加热至奥氏体相然后在水中淬火之后,微观结构将处于马氏体相。这是因为在淬火后钢将从奥氏体相变为马氏体相。应该注意的是,如果淬火没有迅速冷却所有钢,可能会存在一些珠光体或铁素体。[4]


与铁基合金不同,大多数可热处理的合金不会发生铁素体转变。在这些合金中,晶界处的成核通常会加强晶体基质的结构。这些金属因沉淀而硬化。通常是一个缓慢的过程,取决于温度,这通常被称为“时效硬化”。[6]


许多金属和非金属在快速冷却时会表现出马氏体转变(使用外部介质,如油,聚合物,水等)。当金属很快冷却时,不溶性原子可能无法及时迁移出溶液。这被称为“无扩散转换”。当晶体基质变为其低温排列时,溶质的原子被捕获在晶格内。被捕获的原子阻止晶体基质完全转变为低温同素异形体,在晶格内产生剪切应力。当某些合金快速冷却时,例如钢,马氏体转变会使金属硬化,而在其他合金中,如铝,合金会变得更柔软。[7] [8]


构图的影响[编辑]


铁碳合金化系统的相图。对于不同的组成(水平轴),在不同温度(垂直轴)处发生相变。虚线表示共析(A)和共晶(B)组成。

合金体系的具体组成通常对热处理的结果有很大影响。如果每种成分的百分比恰好合适,则合金在冷却时将形成单一的连续微结构。据说这种混合物是共析的。然而,如果溶质的百分比与共析混合物不同,则通常同时形成两种或更多种不同的微结构。亚共析溶液含有的溶质少于共析混合物,而过共析溶液含有更多。[9]


共析合金[编辑]

共析(共晶)合金的行为类似于共晶合金。共晶合金的特征在于具有单一熔点。该熔点低于任何组分的熔点,并且混合物中的任何变化都不会进一步降低熔点。当熔融的共晶合金冷却时,所有成分将在相同温度下结晶成各自的相。


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