物理冶金学.docVIP

导论 根据考古学家把人类历史的发展阶段划分为青铜时代和铁器时代的是事实，就可以充分说明在人类历史发展的过程中，金属一直起着极为重要的作用。对于近一百二十年来已经极大地改变了我们祖祖辈辈的日常生活的工业化过程来说，金属的重要性尤为明显。为了说明这一点，我们来分析一下运载工具。如果没有金属，要制造汽车、火车、飞机、拖拉机、船舶、自行车、滑坡车等都是不可能的。很清楚，金属在这些运载工具，尤其是在驱动这些运载工具的发动机中起着关键性的作用。当我们走过任何一个工厂，无论它是化工厂、机械厂、电子工厂、核工厂或其他各类工厂时，也可以明显地看到金属的这种关键性作用。如果我们稍加思考，金属在改变我们的家庭生活中所起的重要作用也是很明显的。请看一看下列在我们看来已经十分平常，而我们十九世纪祖先的家庭中却是没有的一些器件： 卫生管道系统 洗碗机和垃圾处理装置 电线和电灯 采暖锅炉和管道 点起炉灶 收音机和电视机 电冰箱 铝窗框架 洗衣机和烘干器 空调装置 在所有这些器件中，都有一些金属起着重要作用的地方，以至于没有金属要想生产这些器件就非常困难，而且往往是不可能的。当然，除金属外，其他许多材料在现代工业中许多产品的制造方面也有分厂重要的作用。例如，汽车轮胎使用橡胶制成的，而同名窗户的材料为玻璃。 设计工程师总是选择那些具有所要求的物理性能而又最经济的材料。在人类历史的发展过程中，金属之所以起着重要的作用是由于金属实际上具有下述三个主要的物理性能： 可成形性。值得指出的是，我们使用的金属零件实际上都是采用机械方法成形的。只有大约20%的金属直接在铸态下使用。 具有较高的强度而无脆性。有许多材料例如玻璃，尽管强度很高，但却极脆。因此对染玻璃的屈服强度要比最好的铝合金高七倍，但决不能梦想设计出一架飞机，其机翼可用这种玻璃来制造。 良好的电学性能和磁学性能。这里的关键性性能是金属中相当小的电阻率以及褐色金属的磁化性能。 物理冶金学主要研究金属的原子排列和显微组织对金属的物理性能的影响。它们之间的关系可以粗略地概括于下中： 从这个表可以看出，通过控制原子排列和显微组织，人们可以在某种程度上控制金属的所有物理性能，尤其是机械性能。因此，在本书的最后几章中，我们将着重讨论对金属机械性能的控制。经由铸造压力加工和热处理等工序，冶金工作者能够控制金属的原子排列和显微组织。本书的主要目的之一就在于提供这方面的理论基础，以便使读者了解这些工序是怎么样和为什么能改变金属的原子排列和显微组织的。 第1章 晶体的描述 如果考察一下日常接触的绝大多数非金属固态材料，就会发现就其外形而论，与多数金属材料并没有什么显著的不同。因此，当指出金属具有一定的晶体结构，而木材、塑料、纸张、玻璃等却不是晶体时，许多人往往会感到惊讶。由于金属的晶体结构对金属的性能有很大的影响，故有必要很好的掌握晶体的初步概念。 所谓金属是晶体，就是说金属的原子是按照一定的几何方式在空间作周期性的重复排列的。正如导论性的教科书中所指出的那样，金属的晶体结构可以用布喇菲(Bravais)点正加以描述。金属具有特别简单的晶体结构。（1）面心立方结构；（2）体心立方结构；（3）密集六角结构；（4）正方结构。随着温度的变化，许多金属还会呈现出不止一种的晶体结构，但是，晶体结构的这种转变，在大多数情况下是在这四种简单的晶体结构之间进行的。 这里假定读者已经熟悉晶体结构的几何学。同时假定读者已经掌握这些结构的旋转对称性、描述晶体中的方向和平面的晶向指数[xyz]和密勒(Miller)指数（hkl)的用法，并且了解晶向指数〈xyz和晶面指数{hkl}的意义（参见参考文献1，第74-89页；或参考文献2，第45-50页和第208-214页）。本章后面列出的前七道习题可以帮助读者复习这些概念。 §1.1 面心立方和密集六角晶体中原子的堆积 在上述方法中，金属晶体的原子结构是用空间点阵中原子的排列情况开描述的。对于金属所具有的简单晶体结构而言，还可以用其他更有效的方法加以描述。我们把金属晶体中的原子看作大小相等的球体，当然这只是近似的，但是却为我们提供了相当可靠的第一级近似，而这在许多情况下是非常有用的。 使金属原子结合在一起的金属键方向性很小。因此可以认为，这种将金属原子拉在一起的吸引将是金属原子在各个方向上都等同地堆积起来，并使各金属原子间具有最小的间隙空间。如果把原子视为钢球，现在问：将大小相等的钢球堆积在一起，并使各钢球之间的空隙打到最小，可以有几种堆积方式?由于明显的原因，这种结构称为“密集结构”。下面我们来讨论这个问题。首先，我们在二维平面上确定这些钢球怎样排列才能