一、純金屬的結構與結晶

1、金屬的晶體結構

金屬在固態下都是晶體。金屬的性能、塑性變形和熱處理相變都與晶體結構有關。金屬中最常見的晶格有三鐘：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶體缺陷根據幾何形態可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。

2、金屬的結晶

金屬從液體狀態轉變為固體（晶體）狀態的過程叫做金屬的結晶。

(1)冷卻曲線和過冷現象

物質冷卻過程中溫度和時間的關系曲線叫冷卻曲線。金屬結晶的冷卻曲線可用熱分析法測定，其測定過程如下：先將金屬熔化并使溫度盡可能均勻，然后以一定的速度冷卻，記錄下溫度隨時間變化的數據，并將其繪制在溫度-時間坐標中，便可獲得如圖1所示的冷卻曲線。由于結晶時放出的結晶潛熱補償了金屬向外界散失的熱量，冷卻曲線上出現了一段水平線，這段水平線所對應是溫度就是金屬的實際結晶溫度。實驗表明，金屬的實際結晶溫度T1總是低于理論結晶溫度（平衡結晶溫度）T0，這種現象叫做過冷。過冷是結晶的必要條件，T1和T0之間的差值△T叫做過冷度，即△T=T0-T1。

(2)結晶過程

結晶過程是形核及晶核長大的過程。

3、金屬的同素異構轉變

金屬在固態下隨溫度的改變，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為同素異構轉變。具有同素異構轉

變的金屬有鐵、鈷、鈦、錫、錳等。以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為該金屬的同素異晶體。

二、合金的結構和結晶

相：指合金（或純金屬）中具有同一成分、結構、性能，并以界面互相分開的均勻的組成部分。

1、合金的相結構

根據構成合金的各元素之間的相互作用，合金中的相結構可以分為固溶體和金屬化合物兩大類型。

（1）固溶體

當液態合金凝固后，組元之間仍能互相溶解，形成在某種元素的晶格中溶有其它元素原子的相，這種相就稱為固溶體。

（2）金屬化合物

2、二元合金狀態圖

合金狀態圖又稱合金平衡圖或合金相圖，是表示在平衡條件下合金的狀態和溫度、成分之間的關系圖解。它反映了合金系中不同成分的合金在無限緩慢加熱或冷卻時的組織變化規律，是選擇合金成分、分析合金的顯微組織、研究合金的性能和制定鑄造、鍛造、熱處理工藝的重要依據。

（1）勻晶狀態圖：兩組元在液態和固態都能無限互溶的狀態圖。

這類合金凝固時都從液相結晶出固溶體，這種結晶過程稱為勻晶轉變。

（2）共晶狀態圖：兩組元在液態完全互溶，并具有共晶轉變的狀態圖。

共晶轉變：在一定溫度下，從一定成分的均勻液相中同時結晶出成分一定的兩種固相的轉變。

（3）包晶狀態圖：兩組元在液態時無限互溶，在固態時形成有限固溶體，并且有包晶轉變的狀態圖。

包晶轉變：在恒溫下，一定成分的液相和它所包圍的已結晶出來的一定成分的固相作用，形成另一個成分的新固相的轉變過程。

三、鐵—碳相圖

1、鐵—碳相圖

鋼是一定成分范圍的鐵碳合金，鐵碳合金相圖表示不同成分的鐵碳合金在不同溫度下的不同平衡組織，如圖Fe-Fe3C相圖所示。

由Fe-Fe3C相圖可以查出一定成分的鐵碳合金發生平衡相變的溫度，即臨界點；可以預測出在不同溫度區域發生的相變過程和冷卻到常溫時可能得到的平衡組織。鐵碳合金相圖中各特性點說明見表Fe-Fe3C相圖中的幾個特性點，各特性線說明見表Fe-Fe3C相圖中的特性線。

根據鐵碳合金相圖，含碳量小于2.11%為碳鋼，大于2.11%為鑄鐵。根據組織特征，從鐵碳合金相圖中將鐵碳合金按含碳量多少分為七大類：

（1）工業純鐵，含碳量＜0.0218%；

（2）共析鋼，含碳量0.77%；

（3）亞共析鋼，含碳量0.0218%～0.77%；

（4）過共析鋼，含碳量0.77%～2.11%；

（5）共晶白口鑄鐵，含碳量4.30%；

（6）亞晶白口鑄鐵，含碳量2.11%～4.30%；

（7）過晶白口鑄鐵，含碳量4.30%～6.69%；

2、金屬組織

金屬：具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性并且其導電能力隨溫度的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質。金屬內部原子具有規律性排列的固體（即晶體）。合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質。

固溶強化：由于溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點，使晶格發生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現象叫固溶強化現象。

化合物：合金組元間發生化合作用，生成一種具有金屬性能的新的晶體固態結構。

機械混合物：由兩種晶體結構而組成的合金組成物，雖然是兩面種晶體，卻是一種組成成分，具有獨立的機械性能。

鐵素體：碳在 a-Fe（體心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。

奧氏體：碳在 g-Fe（面心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。

滲碳體：碳和鐵形成的穩定化合物（Fe3c）。

珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）

萊氏體：滲碳體和奧氏體組成的機械混合物（含碳 4.3%）

（上圖為鐵碳相圖各階段對應的金屬組織）

金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。

為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。

審核編輯 ：李倩