金屬的晶體結(jié)構(gòu)、合金的組織及Fe-C相圖

金屬的晶體結(jié)構(gòu)、合金的組織及Fe-C相圖一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)焊接材料的金屬性能不僅取決于材料的化學(xué)成分，更需要研究其組織成分，因此在焊接材料選用種，必須研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)。1.晶體結(jié)構(gòu)(1)晶體與非晶體晶體與非晶體的對(duì)比見表2-2-3。(2)典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)為了清楚地表示晶體中原子的排列規(guī)律，將原子簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，再用假想的線將它們連接起來，形成一個(gè)能反映原子排列規(guī)律的空間格架，這種空間格架稱為晶格。金屬晶格常見的有體心立方晶格和面心立方晶格，如圖2-2-5所示。

1)體心立方晶格。體心立方晶格立方體的中心和8個(gè)頂點(diǎn)各有1個(gè)原子。屬于這種晶格類型的金屬有鉻、釩、鎢、鉬及α-Fe等金屬。2)面心立方晶格，面心立方晶格立方體的8個(gè)頂點(diǎn)和6個(gè)面的中心各有1個(gè)原子。屬于這種晶格類型的金屬有鋁、銅、鉛、鎳及γ-Fe等金屬。2.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)诠虘B(tài)下，金屬隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。例如，隨著溫度的變化，純鐵可以由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格。純鐵在常溫下是體心立方結(jié)構(gòu)（稱為α-Fe);當(dāng)溫度升高到910℃時(shí)，純鐵的晶格由體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц瘢ǚQ為γ-Fe);再升溫到1390℃時(shí)，面心立方晶格又重新轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格（稱為δ-Fe)，然后一直保持到純鐵的熔化溫度。純鐵的這種特性非常重要，是鋼材通過各種熱處理方法來改變其組織，從而改善性能的內(nèi)在因素之一，也是焊接熱影響區(qū)中具有不同組織和性能的原因之一。二、合金的組織結(jié)構(gòu)以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔合而獲得的具有金屬特性的材料稱為合金，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。1.固溶體固溶體是合金中一種物質(zhì)均勻地溶解在另一種物質(zhì)內(nèi)形成的單相晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)原子在晶格上分布的形式，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。某一元素晶格上的原子部分被另一元素的原子取代，稱為置換固溶體；如果另一元素的原子擠入某元素晶格原子之間的空隙中，稱為間隙固溶體，如圖2-2-6所示。兩種元素的原子大小差別越大，形成同溶體后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金屬塑性變形的阻力，所以固溶體比純金屬硬度高、強(qiáng)度大。2.化合物合金中兩種元素的原子按一定比例相結(jié)合，具有新的晶體結(jié)構(gòu)，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通?；衔锞哂休^高的硬度、較低的塑性，脆性也較大。3.混合物由兩種不同晶體結(jié)構(gòu)混合組成的合金稱為混合物?；旌衔镏懈鹘M成部分仍保持自己原來的晶格?；旌衔锏男阅苋Q于各組成部分的性能，以及它們分布的形態(tài)、數(shù)量、大小。它往往比單一的固溶體合金具有更高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，塑性和壓力加工性能則較差。4.固溶強(qiáng)化無論是間隙固溶體還是置換固溶體，在其形成過程中，都會(huì)使溶劑晶格發(fā)生畸變，從而使合金對(duì)變形的抗力增加。也即通過溶人溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬材料強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化，如圖2-2-7所示。三、鋼的基本組織鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的合金，它們主要是由鐵和碳組成的合金（合金鋼還含有少其他元素），由于鐵和碳的組織結(jié)構(gòu)不同，鐵碳合金的基本組織有以下幾種：1.鐵素體鐵素體是指α鐵中溶入一種或多種溶質(zhì)元素構(gòu)成的固溶體，用符號(hào)F表示。它的含碳量很低，具有良好的塑性、韌性，較低的強(qiáng)度、硬度。其晶格結(jié)構(gòu)如圖2-2-8a所示。2.奧氏體奧氏體是指γ鐵中溶人碳和（或）其他元素構(gòu)成的固溶體，用符號(hào)A表示。它的含碳量中等，強(qiáng)度、硬度雖不高，卻具有良好的塑性，尤其是具有良好的鍛壓性能。其晶格結(jié)構(gòu)如圖2-2-8b所示。3.滲碳體滲碳體是指晶體結(jié)構(gòu)屬于正交系、化學(xué)式為近似Fe3C的間隙化合物。這是鋼和鑄鐵中常見的固相。它的含碳量較高，高焙點(diǎn)、高硬度，塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。其晶格結(jié)構(gòu)如圖2-2-8c所示。4.珠光體珠光體是指鐵素體薄層（片）與碳化物（包括滲碳體）薄層（片）交替重疊組成的共析組織，用符號(hào)P表示。力學(xué)性能是兩者的綜合，強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。5.萊氏體萊氏體是指鑄鐵或高碳合金鋼中由奧氏體（或其轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物）與碳化物（包括滲碳體）組成的共晶組織，用符號(hào)Ld表示。低溫萊氏體（727℃以下至室溫）由珠光體和滲碳體組成，用符號(hào)L’d表示。萊氏體的基體是滲碳體，所以性能接近于滲碳體，硬度很高，塑性很差。四、Fe—C相圖鐵碳合金中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%?6.69%的鐵碳合金稱為鑄鐵。鐵碳合金相圖表示在緩慢冷卻（或緩慢加熱）的條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形，如圖2-2-9所示。1.相圖中的組織鐵碳合金在不同碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同溫度下形成的組織如圖2-2-9所示。2.共晶反應(yīng)和共析反應(yīng)共晶反應(yīng)是指在1148℃液體結(jié)晶出萊氏體的反應(yīng)。共析反應(yīng)是指在727℃液體析出珠光體的反應(yīng)。共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變物為液體，共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變物為固體。3.相圖中的點(diǎn)(1)E點(diǎn)是區(qū)分鋼和鑄鐵的分界點(diǎn)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%。E點(diǎn)左邊為鋼，右邊為鑄鐵。(2)S點(diǎn)為共析點(diǎn)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％。S點(diǎn)成分的鋼是共析鋼，其組織全部為珠光體。S點(diǎn)左邊的鋼是亞共析鋼，其組織為珠光體+鐵素體。S點(diǎn)右邊的鋼是過共析鋼，其組織為珠光體+滲碳體。(3)C點(diǎn)為共晶點(diǎn)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%。C點(diǎn)成分的合金為共晶白口鑄鐵，C點(diǎn)左邊的鑄鐵為亞共晶白口鑄鐵，C點(diǎn)右邊的鑄鐵為過共晶白口鑄鐵。共晶白口鑄鐵組織為萊氏體，萊氏體組織在常溫下是珠光體+滲碳體的混合物，其性能硬而脆。4.相圖中的線(1)ACD線為液相線，在ACD線以上合金呈液態(tài)。(2)AECF線為固相線，在AECF線以下合金呈固相。在液相線和固相線之間的區(qū)域?yàn)閮上啵ㄒ合嗪凸滔啵┕泊妗?3)GS線表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.77%的鋼在緩慢冷卻時(shí)由奧氏體開始析出鐵素體的溫度，簡(jiǎn)稱為A3線。(4)ES線表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.77%的鋼在緩慢冷卻時(shí)由奧氏體開始析出滲碳體的溫度，簡(jiǎn)稱為Acm線。(5)PSK水平線，727℃為共析反應(yīng)線，表示鐵碳合金在緩慢冷卻時(shí)由奧氏體開始始析出珠光體的溫度，簡(jiǎn)稱為A1線。(6)ECF水平線，1148℃，為共晶反應(yīng)線，表示液體緩慢冷卻至該溫度時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，生產(chǎn)萊氏體組織。5.Fe—C相圖的應(yīng)用現(xiàn)以碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的低碳鋼為例，說明從室溫加熱過程中鋼的組織變化低碳鋼室溫下的組織為珠光體+鐵素體，當(dāng)溫度上升到PSK(A1)線以上時(shí)，組織變?yōu)閵W氏體+鐵素體，溫度上升到GS(A3