金属中气体元素的行为和对金属材质的影响

 在与金属接触的气体中，无论是地球的大气，真空系统的残留气体，或惰性气体中，总是有氢、氧、氮、碳、硫。因此在地球上不可能得到完全不含“气体”元素的金属。随着科学技术的发展，我们可以通过广泛的科学研究进一步探讨和认识气体元素在金属中的行为，已弄清了过去所不知道的固体中气体杂质形成的来源。作为理想的金属晶格而言，氢、氧、氮、碳(硫除外，它不属于间隙相元素)，在达到一定浓度值以前，将仅以间隙溶液形式存在。半径分别接近于0.46、0.7、0.71、0.77(A°)的氢、氧、氮、碳的原子填充到金属晶格的结点中间并不置换金属原子，使晶格对称性稍有扭曲。除间隙固溶体外，气体在金属中还能以剩余相(凝聚相和气态相)形式，围绕位错堆聚的形式以及在内表面上的吸着形式存在。

    在相同的晶体结构范围内氢、氧、氮、碳在金属中的最大溶解度随着原子序数的增加，按钛－锌，锆－镉，铪－汞的方向，从百分之几十降到千分之几(原子百分数单位)，在某些情况下，已达到用目前可行的方法所能检测的范围以外。在超过气体元素溶解度极限的情况下(在一定的温度和分压下)，剩余相的形式的析出过程就开始了。

    在实际金属中，杂质气体元素由气相经表面层转入凝聚相可以分为吸附、分解、表面溶液的形成、扩散、溶解杂质气体元素在固溶体和结构缺陷间的分配，剩余相的成核和析出几个阶段。气体杂质元素的原子在间隙固溶体和位错附近的堆聚区之间可以达到平衡分配，在温度急剧改变的情况下，原先接近平衡的气体－金属系统变成不平衡，为吸着和解吸过程的发展提供条件。

    由填隙元素在固溶体金属中形成的固溶体能够在一定的浓度范围内存在。当这种浓度范围扩大为纯金属组分时，该固溶体称为初级固溶体。室温下通常此相浓度界限不大，且随着温度的升高而增大。在给定的温度下，超过溶解度时则形成次级固溶体(氢化物、氮化物或氧化物相)。次级固溶体的晶体结构与初级的不同。例如：400°C时，氮在铁中形成一种填隙式固溶体，浓度可达0.4个氮原子/100个铁原子。此时氮含量在初级固溶体范围，未超过极限溶解度，该相呈体心立方晶形存在，这正是在相应温度下，溶剂金属铁的结构。当加入更多的氮，超过极限溶解度则形成次级相，Fe₄N(r^，)；它含有24.1-25.8个氮原子/100个铁原子的氮。这种次级相是面心立方结构。当氮含量达到35.5个氮原子/100个铁原子时，形成密堆积六角形x相，因此可看出加入气体会改变金属原子的堆积形式。

    在金属原子的密堆积点阵中，存在两种填隙位置，即坐标数为6的“八面体的”位置和坐标数为4的“四面体的”位置，气体元素占据哪种位置取决于与其体积相适应的最高坐标数。较大的原子往往会占有八面体位置，而较注的则占有四面体的点阵位置，即氢倾向于占据填隙式四面体位置，而较大的氧和氮原子倾向于占据密堆积金属晶格中八面体的位置。

    气体在金属中的溶解度在相应温度和溶化温度下都出现突变。铁的a和d相是体心立方结构，而g相铁是面心立方结构，填隙元素在面心立方晶格中的溶解度较大。

    气体元素能使钢材产生缩孔、气泡、疏松、点状偏析、裂纹等缺陷。缩孔是钢锭冷却收缩时，因无液体补充而在钢锭内部形成的孔洞。钢中气泡是由于钢锭凝固时，碳－氧反应生成的气泡来不及排除就被围在钢锭内部产生的。疏松是一种微小孔洞分布在钢材内部。点状偏析形成的原因是钢件中已凝固或已呈糊状的金属部份，存在气泡或收缩孔隙，这些位置随后为富含低熔点组元和杂质的溶液所填充，就造成了点状偏析，点状偏析严重的钢中气体元素含量往往较高。而裂纹的产生通常是由于钢液凝固过程中发生了夹杂质物的集聚和气体溶解度的降低，并且一般集中在晶粒边界，形成了薄弱环节，以后当热处理或压力加工时产生的应力超过强度时，这种地方容易开裂产生裂纹。钢中气体元素除了与其它各种因素综合作用产生许多缺陷外，其本身还会对钢材性能产生各自独有的影响。