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金屬材料由稱為“晶?!被蛭⒕У男【w的微觀結構組成

來源:作者: 日期:2019/3/28 10:17:34 瀏覽:

金屬材料由稱為“晶?!被蛭⒕У男【w的微觀結構組成。顆粒的性質(即顆粒尺寸和組成)是決定金屬整體機械性能的最有效因素之一。熱處理通過控制微觀結構內的擴散速率和冷卻速率提供了一種有效的方法來控制金屬的性質。熱處理通常用于改變金屬合金的機械性能,控制硬度,強度,韌性,[1]延展性和彈性等性能。


在熱處理過程中有兩種機制可能改變合金的性質:馬氏體的形成導致晶體本身變形,擴散機制引起合金均勻性的變化。[2]


晶體結構由以非常特定的排列分組的原子組成,稱為晶格。在大多數元素中,此順序將根據溫度和壓力等條件重新排列。這種重排,稱為同素異形或多態,可能在特定金屬的許多不同溫度下發生數次。在合金中,這種重排可能導致通常不會溶解到基體金屬中的元素突然變得可溶,而同素異常的逆轉會使元素部分或完全不溶。[3]


當處于可溶狀態時,擴散過程導致溶解元素的原子擴散,試圖在基體金屬晶體內形成均勻分布。如果合金冷卻至不溶狀態,則溶解的成分(溶質)的原子可以從溶液中遷移出來。這種稱為沉淀的擴散導致成核,其中遷移的原子在晶界處聚集在一起。這形成了通常由兩個或更多個不同相組成的微觀結構。[4]例如,加熱到奧氏體化溫度以上的鋼(紅色到橙色 - 熱,或者在1500°F(820°C)到1600°F(870°C)左右,取決于碳含量),然后緩慢冷卻,形成由鐵素體和滲碳體交替層組成的層狀結構,變成柔軟的珠光體。[5]在將鋼加熱至奧氏體相然后在水中淬火之后,微觀結構將處于馬氏體相。這是因為在淬火后鋼將從奧氏體相變為馬氏體相。應該注意的是,如果淬火沒有迅速冷卻所有鋼,可能會存在一些珠光體或鐵素體。[4]


與鐵基合金不同,大多數可熱處理的合金不會發生鐵素體轉變。在這些合金中,晶界處的成核通常會加強晶體基質的結構。這些金屬因沉淀而硬化。通常是一個緩慢的過程,取決于溫度,這通常被稱為“時效硬化”。[6]


許多金屬和非金屬在快速冷卻時會表現出馬氏體轉變(使用外部介質,如油,聚合物,水等)。當金屬很快冷卻時,不溶性原子可能無法及時遷移出溶液。這被稱為“無擴散轉換”。當晶體基質變為其低溫排列時,溶質的原子被捕獲在晶格內。被捕獲的原子阻止晶體基質完全轉變為低溫同素異形體,在晶格內產生剪切應力。當某些合金快速冷卻時,例如鋼,馬氏體轉變會使金屬硬化,而在其他合金中,如鋁,合金會變得更柔軟。[7] [8]


構圖的影響[編輯]


鐵碳合金化系統的相圖。對于不同的組成(水平軸),在不同溫度(垂直軸)處發生相變。虛線表示共析(A)和共晶(B)組成。

合金體系的具體組成通常對熱處理的結果有很大影響。如果每種成分的百分比恰好合適,則合金在冷卻時將形成單一的連續微結構。據說這種混合物是共析的。然而,如果溶質的百分比與共析混合物不同,則通常同時形成兩種或更多種不同的微結構。亞共析溶液含有的溶質少于共析混合物,而過共析溶液含有更多。[9]


共析合金[編輯]

共析(共晶)合金的行為類似于共晶合金。共晶合金的特征在于具有單一熔點。該熔點低于任何組分的熔點,并且混合物中的任何變化都不會進一步降低熔點。當熔融的共晶合金冷卻時,所有成分將在相同溫度下結晶成各自的相。


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