热处理材料晶体结构的相变研究

摘要：金属材料经过热处理过程使材料具有优良的组织和性能，广泛应用于先进科技和日常生活中。金属材料的微观显微组织是研究金属材料组织性能的有效方法。金属材料微观组织的形成是金属材料合金成分在金属晶体晶胞中的溶入析出，金属晶体的晶格结构从体心立方晶格转变成面心立方晶格和密排六方晶格。金属材料不同的热处理过冷转变温度形成不同的微观形态的相结构。金属材料从加热状态冷却到室温，金属材料微观晶格结构的变化我们称之为相变。本文研究金属材料微观晶格结构的相变过程。

关键词：金属晶体 溶入析出 力学性能 防腐性能

金属材料的热处理过程是金属材料微观相结构发生固态转变的过程，固态转变是金属材料合金成分在金属晶体晶胞内的溶解析出形成的。热处理过程中金属材料冷却转变温度不同，形成不同的微观相结构，金属材料的合金成分不同，热处理以后会有不同的微观显微组织。为了满足对金属材料各种性能的要求，对金属材料进行强韧化处理，加入合金成分进行固溶强化，冷变形回复再结晶细晶强化，塑性变形增加金属材料的位错强化。金属材料强韧化处理以后，可以应用在工程和机械方面，有工程结构钢、机械制造结构钢，应用在工具制造和耐热耐高温的高科技行业，有工具钢、高温合金钢。热处理的发展有整体热处理、表面热处理、化学热处理，我国先进的热处理设备和热处理技术为我国现代化建设作出了重要贡献。

1、金属材料的微观晶体结构

金属材料都是晶体结构，如果金属在液态急冷也会形成非晶态组织。晶体有单晶体和多晶体，单晶体是单一位向的晶体，多晶体是不同位向的晶体，晶体的不同位向我们称之为晶粒。

金属材料的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，各种晶格结构的晶体都有它的晶向指数和晶面指数。晶向指数的确定方法是建立坐标系，求坐标uvw，化整数uvw，加中括号，晶面指数的确定方法是建立坐标系，求截距、取倒数、化整数、加小括号。金属材料的微观显微组织由各个相组成，所谓相就是金属材料中结构相同、成分性能均一的组成部分。金属材料合金成分在金属晶体中固溶，金属材料晶体结构中存在空位、间隙原子，存在位错，还有晶界、相界以及表面。

2、金属材料合金成分的溶入析出理论

金属材料由金属晶体加入合金成分固溶在金属晶体的晶胞内，合金成分它们的原子以分子间力、金属键、共价键、离子键的结合力的形式固溶。金属材料合金成分的原子在金属晶体的晶胞内的固溶位置随温度而变化，温度升高原子逐渐固溶在金属晶体的晶胞心部，快速冷却时原子析出在金属晶体的晶胞表面，金属材料的晶格结构从体心立方晶格转变成面心立方晶格和密排六方晶格。金属材料合金成分的原子从晶胞心部向晶胞表面的析出过程是微观相结构的形成过程，在热处理冷却过程中不同的冷却转变温度析出具有不同形态的相组织。从加热状态快速冷却至室温的金属材料晶格结构之间的转变我们称之为金属材料的相变。

金属材料的热处理过程是金属材料加热、保温和快速冷却的过程，在热处理加热过程中，随着温度的升高，金属材料的合金成分在金属晶体晶胞内的溶入度不断增大，从加热保温状态以一定的冷却速度冷却，随着金属材料合金成分在金属晶体晶胞内的溶入度迅速减小，合金成分析出在金属晶体的晶胞表面，在室温下可以从电子显微镜观察到不同的微观相组织。

3、金属材料合金成分和力学性能

金属材料中的合金成分可以增加金属材料的强度。金属材料合金成分不同，原子之间的结合力不同，则金属材料的力学性能不同。纯金属只有一种金属原子，它们原子之间的结合力我们称之为分子间力。如果固溶的合金元素是金属元素，则固溶的合金元素之间形成金属键，如果固溶的合金元素是金属元素和非金属元素，则形成共价键，两个原子各提供一个价电子形成的共价键称为一般共价键，由一个原子单独提供价电子形成的共价键称为配位共价键。如果固溶的合金原子结合力强形成离子键，离子键是金属原子的核外电子进入非金属原子的核外电子轨道形成离子键化合物。

在热处理中，同样的冷却转变温度不同的金属材料有不同的微观析出形态，这和金属材料原子之间的结合力有关，原子之间的结合力不同原子析出速度不同，形成不同的微观相结构，材料因此具有不同的强度、硬度等力学性能。

4、金属材料原子的结合力和防腐蚀性

金属材料要具有很强的抗氧化和抗腐蚀的能力。空气、蒸汽、水属于弱腐蚀介质，酸、碱、盐属于化学侵蚀性介质。在金属材料中间隙固溶的合金原子之间存在结合力，如果金属晶体的原子和合金成分原子之间也存在结合力，则间隙固溶的合金成分的原子能量增加，间隙原子置换出金属晶体的原子，置换出的金属原子进入金属晶体的空位或表面，进入表面的金属晶体原子和弱腐蚀介质或者化学浸蚀性介质的原子结合形成化合物，金属材料就会被氧化腐蚀。

如何防止金属材料氧化腐蚀，就是要防止金属材料的金属晶体的原子被合金原子置换。金属材料的合金原子固溶后由于间隙固溶原子会造成晶格绮变，原子核对电子的束缚力很大，形成自由电子可能性很小，而间隙固溶的原子核外电子轨道的重叠很多，能形成稳定的化学键。如果合金材料中加入一种金属合金元素则金属原子之间以分子间力的形式形成稳定的固溶体。如果加入两种不同的金属合金元素则形成稳定的金属键固溶体，如果加入两种合金元素一种是金属一种是非金属，则形成稳定的共价键化合物或离子键化合物固溶体。如果是两种合金元素则原子数要相同，否则多余的合金原子容易和金属晶体的原子形成结合力，容易置换出金属晶体的原子，造成氧化腐蚀。我们可以用原子之间结合力的方式设计合金成获得

具有优良性能的金属材料。

5、金属材料微观相结构的相变理论

金属材料在热处理中同一个相变温度则形成单相组织，不同相变温度则形成多相组织。以铁碳合金的热处理微观显微组织分析，亚共析钢缓慢冷却得到铁素体和珠光体组织。铁素体是白色的块状组织，珠光体是黑色的片状组织。铁素体和珠光体的形成是金属材料加热、保温、冷却过程中，合金成分从金属晶体的晶胞内析出在金属晶体的晶胞表面，由于在加热的高温状态缓慢冷却因此金属材料的冷却转变温度高，原子的析出速度慢，析出的合金成分慢慢聚集形成珠光体片状组织，合金成分含量很少的晶胞形成白色的铁素体块状组织。

如果热处理过程中金属材料的冷却速度快，冷却转变温度低，原子的析出速度快。如果贝氏体冷却转变温度偏高则金属材料合金成分的原子在金属晶体的晶胞表面析出形成羽毛状的上贝氏体组织，如果贝氏体冷却转变温度偏低则形成针状或竹叶状的下贝氏体组织。

如果金属材料在冷却介质中快速冷却，原子的析出速度快，因此合金成分在很短的时间内快速析出在金属晶体的晶胞表面形成板条状马氏体组织。在板条状马氏体组织形成的同时，出现残余奥氏体组织，残余奥氏体组织是金属材料合金成分析出在金属晶体晶胞表面以后的组织。

6、结论

（1）金属材料的合金成分固溶在金属晶体的晶胞内，在热处理过程中随着温度的变化合金成分在金属晶体的晶胞内溶入析出，金属晶体的晶格结构从合金成分溶入金属晶体晶胞心部的体心立方晶格转变成合金成分析出在金属晶体晶胞表面的面心立方晶格和密排六方晶格。

（2）金属材料间隙固溶的金属或非金属原子由于原子核对电子轨道电子的束缚力大，电子轨道的重叠较多，如果合金成分的金属或非金属的原子配位数相同，则可以形成稳定的固溶体。如果可以避免金属晶体的原子被置换，有效防止金属材料的氧化腐蚀。

（3）微观显微组织的相结构是在热处理中合金成分的原子在金属晶体的晶胞表面析出形成的。不同的过冷转变温度析出具有不同形态的相结构。金属材料在热处理过程中金属晶体晶格结构的转变我们称之为相变。

参考文献：

[1]百度百科全书[M].北京：中国人民出版社，2006.