金屬材料及熱處理常識

一、純金屬的構造固體物質可分為晶體和非晶體。在非晶體內，原子在空間是雜亂而無序的排列，例如，玻璃就是這神非晶體。在晶體內，原子（或分子）在空間是按一定的幾何規(guī)律排列的，它構成的空間格子，稱為晶格,所有固體金屬都屬于晶體。晶格是金屬結晶構造的最小單元,許多有規(guī)則的晶格,可組成形狀不規(guī)則的晶粒。這些我們用肉眼是看不到的，只有在顯微鏡下才能看到晶粒的大小和和形狀。1.純金屬的晶體結構純金屬的晶格主要有3種類型:體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。這3種晶格的形狀如圖2-31所示。

1）體心立方晶格（圖2-31（a））從晶格中取出一個單位立方體，它由2個原子組成,8個頂角各有一個原子，但每個頂角上的原子是8個單位立方體所共有。在立方體中心，還有一個原子。常溫下的純鐵（又稱ɑ鐵）以及鉬、鎢、釩等是體心立方晶格。2）面心立方晶格（圖2-31（b））從晶體中取出一個單位立方體,它由14個原子,8個頂角各有一個原子，但每個頂角上的原子是8個單位立方體所共有。在立方體的6個平面中心，也各有一個原子,每個平面中心原子是兩個單位立方體所共有的。銅、鎳和溫度在910℃-1390℃時的純鐵（又稱γ鐵）等，是有這種面心立方晶格。3）密排六方晶格（圖2-31（c））從晶體中取出一個單位六方柱體，它由6個原子組成,12個頂角各有一個原子，每個頂角上原子是6個棱柱體所共有。上下兩個正六方面的中心，各有一個原子,每個原子是兩個相鄰六棱柱體所共有。在六方柱體的中心，還有3個原子。鋅、鎂等是有這種晶格。2.液體金屬的結晶過程金屬液體凝固為固體的過程，稱做結晶（或一次結晶）。當液態(tài)金屬冷卻到熔點以后，金屬內部就有一些原子開始穩(wěn)定下來，成為結晶的核心（簡稱晶核）。溫度繼續(xù)下降，一方面在已經產生的晶核附近，原子按一定的幾何規(guī)律凝結排列，長大為晶粒;另一方面又出現(xiàn)許多新的晶核，并陸續(xù)長大，直到全部液態(tài)金屬完全凝固為止。這種金屬的結晶過程，如圖2-32所示。

由此過程可知，金屬的結晶過程，是由兩個基本過程組成的，即晶核的形成和晶核的長大。下面分別介紹焊接熔池熔化金屬的結晶特征。1）晶核的形成熔池液態(tài)金屬中常有難熔金屬質點，作初始的晶核，然后長大為晶粒。熔合線上局部溶化的母材晶粒（稱半熔化晶粒），成為熔池金屬的結晶核心，形成焊縫金屬與母材金屬生長在—起的“聯(lián)生結晶”。熔合線處的母材晶粒越粗大，凝固后的焊縫金屬其晶粒也就越粗大。2）晶粒長大晶粒長大的方向是由邊緣指向熔池中心（溫度最高點）。由于熔池體積小、散熱快，結晶速度很快。結晶從母材金屬的半熔化晶粒上開始，柱狀晶較發(fā)達,而且柱狀晶的成長方向基本上與熔池界面相垂直,只有在熔池中心處或火口處,才有可能出現(xiàn)等軸晶。熔池金屬是在運動中結晶，晶粒在成長過程中有停頓現(xiàn)象,易產生層狀組織,從焊縫表面成形看即呈魚鱗紋。3）晶粒邊界晶粒與晶粒的交界面叫做晶粒邊界，簡稱晶界。熔池在結晶過程中凝固較快，焊件母材中有許多元素和少量夾雜物，熔池結晶時，高熔點的成分先析出，最后易熔的夾雜物被留在柱狀晶粒之間。3.合金的晶體構造及鐵碳平衡相圖1）合金的晶體構造合金中的原子也和純金屬一樣，在空間按一定的幾何規(guī)則排列，與純金屬相比要復雜得多。根據(jù)兩個元素相互作用關系，合金的晶體構造可分3類,分別是固熔體、金屬化合物和共析體,我們以鐵碳合金為例，來說明合金晶體的構造。（1）固熔體

一種物質均勻地熔解在另一種固體物質之中，所形成的熔合體叫固熔體。根據(jù)固熔體內原子排列情況，還可分為置換固熔體和間隙固熔體，如圖2-33所示。

某一元素晶格上的原子，一部分被另一元素的原子所取代的固熔體，叫置換固熔體。若某一元素晶格上的原子沒有減少，而另一元素的原子擠入其原子的間隙中，形成的固熔體，叫做間隙固熔體。碳原子擠進ɑ鐵的體心立方晶格間隙處，形成的間隙固熔體，稱為鐵素體。由于碳原子的擠入，使ɑ鐵的晶格歪扭，從而使鐵素體的塑性變形阻力增大。這就是鐵素體比純鐵的強度和硬度稍高的原因。（2）金屬化合物合金中的兩種元素，按一定的原子s數(shù)量之比相化合而形成一種新的化合物，例如Fe3C,稱為滲碳體。它的分子是由3個鐵原子和1個碳原子組成的，含碳設為6.67%。滲碳體的晶格是由復雜的八面體組成，占據(jù)頂角或心部位置的是碳化鐵分子，而不是碳或鐵的原子。滲碳體的硬度很高（70HRC-75HRC）,塑性幾乎等于零。在某種條件下，它可以分解為碳和鐵。（3）共析體

共析體是由兩種或兩種以上的晶體結構混合而成的,在顯微鏡下呈非均勻組織結構。例如，常溫下鐵素體和滲碳體，是互相不溶解的兩種晶體結構，它們在鋼中形成-種共析體邊稱機械混合物,稱為珠光體。以機械混合物存在于鋼中的滲碳體，顯著提高了鋼的強度、硬度和耐磨性，但卻降低了鋼的塑性。2）金屬的同素異構轉變如前所述，金屬的結晶構造通常指金屬由液態(tài)凝固為固態(tài)晶格類型。但有些金屬（鐵、錳、鋅、錫等）在固態(tài)下，隨著溫度的變化，它的結晶構造也由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格。如純鐵在室溫下是體心立方晶格（ɑ鐵），當溫度升高到912℃時，由體心立方晶格變?yōu)槊嫘牧⒎狡犯瘢é描F），并一直保持到1394℃。當溫度為1394℃-1535℃（熔化溫度）時，又轉變?yōu)轶w心立方晶格（δ鐵）。金屬在固態(tài)下的結晶構造隨溫度的變化而轉變的現(xiàn)象，叫同素異構轉變。各種晶格的鐵對碳和合金元素的溶解能力不是不同的。例如，面心立方晶格的γ鐵，比體心立方晶格的ɑ鐵有更多的間隙，可以讓碳原子擠進去。γ鐵最高溶碳量為2.11%，我們把碳在γ鐵中的固體叫奧氏林。而ɑ鐵最高溶碳量為0.02%。金屬的同素異構轉變有很大的實際意義，它是熱處理的理論基礎之一，也是焊縫熱影響區(qū)各區(qū)段與基本金屬金相組織不一樣的依據(jù)之一。上述的鐵素體、滲碳體、奧氏體、珠光體等都稱為金屬的組織。為了區(qū)別單一的結晶構造，還是幾種結晶構造的混合，通常將單一結晶構造的叫做相。如鐵素體、滲碳體、奧氏體都叫單相組織。而珠光體則是鐵素體與滲碳體的雙相組織，籠統(tǒng)地稱為金相組織。金相組織是在放大100倍-1000倍的顯微鏡下來觀察的，幾種常見的金相組織如圖2-34所示。

3）鐵碳平衡相圖鋼的含碳量不同，在不同溫度下碳鋼的組織變化也各不相同。若將各種成分的碳鋼.在平衡狀態(tài)（即經過很長時間，碳鋼的組織成分仍然保持不變的狀態(tài)）所具有不同組織總和起來，即可得到鐵碳平衡相圖，如圖2-35所示。鐵碳平衡相圖是研究鐵碳合金的基礎。由于含碳量高于6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價值，因而鐵碳平衡相圖只研究Fe-Fe3C部分。鐵碳平衡相圖中，各主要點的含義、溫度以及含碳量列于表2-2中。圖2-35中，ABCD為液相線，AHJECF為固相線。E點為區(qū)分鋼和生鐵的分界點；S點常被稱為共析點。S點左邊的鋼稱為亞共析鋼，共組織結構為珠光體+鐵素體。S點右邊的鋼稱過共析鋼，其組織結構是珠光體+滲碳體。平衡相圖上幾條線代表的意義分別為：PQ線:表示鐵素體在0~727℃之間時所能溶解碳的最大量，或稱為碳在鐵素體中的固熔線。PG線:表示鐵素體在727℃~912℃之間時，所能溶解碳的最大量。溫度在912℃時，鐵素全本身開始轉變?yōu)閵W氏林。PSK線:稱為共析線，相當于727℃。它表示含碳量0.77%的鋼在緩慢冷卻時，奧氏體全部轉變?yōu)橹楣怏w的溫度。反之在緩慢加熱時,它又為珠光體全部；轉變?yōu)閵W氏體的溫度，此線常用A1表示。GS線:是碳鋼奧氏體的轉變溫度線，即在緩慢加熱時，鐵素體向奧氏體轉變的溫度。反之當緩慢冷卻時，則是奧氏體向鐵素體轉變的溫度。常以A3表示。SE線：表示含碳量超過0.77%的鋼,在緩慢冷卻時，由奧氏體內析出二次滲碳體的溫度，常以Acm表示。JE線:叫固相線。表示含義為鋼在加熱時，開始溶化的臨界溫度，或冷卻時，液體合金全部凝固為奧氏體的溫度。BC線:叫液相線。表示碳鋼加熱時，全部轉變?yōu)橐后w合金的臨界溫度，或冷卻時,液體開始結晶的溫度由此可看出，含碳量越高的鋼，其凝固點(或熔點)越低。NJ線：表示奧氏體開始轉變?yōu)棣蔫F的溫度。NH線:表示奧氏體完全轉變?yōu)棣蔫F的溫度。在鐵碳平衡圖上，各種合金通?？砂春剂亢徒M織的不同分為3類。（1）工業(yè)純鐵。（2）鋼，包括亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼。（3）白口鑄鐵,包括亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵，其含碳量與平衡組織的關系如表2-3所列。二、鋼的熱處理1.鋼的固態(tài)相變所謂固態(tài)相變，即為鋼在加熱或冷卻過程中，其金相組織產生的各種不同轉變。1)加熱時的轉變從鐵碳平衡相圖可以看出，亞共析鋼當加熱溫度超過A3線時，珠光體中的鐵素體與滲出碳體,首先形成奧氏體，但晶粒很細小。所形成的奧氏體晶粒,把珠光體外的鐵素體吸收，如圖2-36所示。當加熱溫度超過A3線很多，比如低碳鋼加熱到1050℃以上,并停留較長的時間時，奧氏體晶粒便會迅速長大，且從粗大的晶粒澡析出針狀鐵素體，形成魏氏組織。提高了強度，降低了塑性和韌性。這些都是我們在焊接中不希望出現(xiàn)的。2）冷卻時的轉變當溫度降至A3線以下，亞共析鋼將沿著奧氏體晶粒邊界首先出鐵素體，這時奧氏體中的碳量就增高了。當奧氏體中的含碳撤高至0.77%時，滲碳體和鐵素體就會產生各自間的小片狀晶粒，成為珠光體。而鐵素體和珠光體顆粒，卻與原來奧氏體晶粒相差不多（圖2-37）。冷卻時的轉變，是奧氏體晶粒的分解。冷卻速度越慢時，奧氏體便在原晶粒大小的基礎上分解為鐵素體和珠光體。一般希望的是珠光體顆粒小，而片狀組織又不太細，這樣會提高強度、塑性和韌性。但冷卻速度很快時，奧氏體來不及分解為珠光體和鐵素體，而形成又脆又硬的淬火組織,稱為馬氏體。2.鋼的熱處理將金屬加熱到某一溫度，在該溫度下保持一定的時間。然后按一定的冷卻速度冷卻到室溫。這一過程稱為熱處理。加熱溫度的高或低、保溫時間的長或短、冷卻速度的快或慢，將對鋼的組織變化，產生很大的影響。焊接時，焊縫熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的作用，實質上就是經受了熱處理?常用的熱處理方法有以下幾種：1）退火將鋼加熱到A1線或A3線以上30℃~50℃,并保溫一段時間，然后緩慢均勻地冷卻到室溫，或冷卻到A1線以下的某一溫度，并停留一段時間后，再在空氣中冷卻，這一過程叫退火。退火可以降低硬度、細化晶粒和消除內應力。焊接結構常用退火的方法來消除焊接應力。其加熱溫度在A1線以下，一般為600℃~650℃，保溫時間按（4min~5min）/mm計算（但不少于lh），然后在爐中或空氣中冷卻。2）正火把鋼加熱到A3線或A線以上40℃~60℃,保溫一般時間，然后在空氣中冷卻，這一過程叫做正火。正火可以細化鋼的晶粒，提高鋼的強度和硬度。由于在空氣中冷卻得快，則正火后鋼的晶粒較退火更細，強度和硬度也都比退火時髙。3）淬火對于亞共析鋼淬火時加熱溫度應高于A3線30℃~50℃,并要在此溫度下保溫一段時間，使鋼的組織全部轉變?yōu)閵W氏體，然后在油中或水中急冷,這—過程叫做淬火。由于冷卻速度太快，奧氏體來不及分解為鐵素體+珠光體,而生成淬火組織。含碳量較高的鋼，其淬火組織為馬氏體,馬氏體是碳熔于體心立方晶格中的過飽和固熔體，呈白色針狀質,硬而脆。在焊接含碳董較高的鋼時，熱影響區(qū)易出現(xiàn)這種組織，促使產生冷裂紋。而對低碳鋼，則不易淬火成為馬氏體，則焊接也不易產生冷裂紋。在焊接有淬火傾向的鋼時,常采用預熱和焊后保溫緩冷等措施，