1、第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(shí)一、金屬晶體結(jié) 構(gòu)的一般知識(shí)眾所周知，世界 上的物質(zhì)都是由化 學(xué)元素組成的，這些 化學(xué)元素按性質(zhì)可 分成兩大類：第一大類是金屬，化學(xué)元素中有83 種是金屬元素。 固態(tài)金屬具有不透 明、有光澤、有延展 性、有良好的導(dǎo)電性 和導(dǎo)熱性等特性，并 且隨著溫度的升高， 金屬的導(dǎo)電性降低， 電阻率增大，這是金 屬獨(dú)具的一個(gè)特點(diǎn)。 常見的金屬元素有 鐵、鋁、銅、鉻、鎳、 鎢等。第二大類是非 金屬，化學(xué)元素中有 22 種，非金屬元素 不具備金屬元素的 特征。而且與金屬相 反，隨著溫度的升 高，非金屬的電阻率 減小，導(dǎo)電性提高。 常見的非金屬元素 有碳、氧、氫、氮、 硫、磷等。我們所

2、焊接的 材料主要是金屬，尤 其是鋼材，鋼材的性 能不僅取決于鋼材 的化學(xué)成分，而且取 決于鋼材的組織，為 了了解鋼材的組織 及對(duì)性能的影響，我 們必須先從晶體結(jié)構(gòu)講起。（ 一 ） 晶體的特對(duì)于晶體，大家 并不生疏。食鹽、水 結(jié)成的冰，都是晶 體。一般的固態(tài)金屬 及合金也都是晶體。 并非所有固態(tài)物質(zhì) 都是晶體。如玻璃、 松香之類就不是晶 體，而屬于非晶體。 晶體與非晶體 的區(qū)別不在外形，而 在內(nèi)部的原子排列。 在晶體中，原子按一 定規(guī)律排列得很整 齊。而在非晶體中， 原子則是散亂分布 著，至多有些局部的 短程規(guī)則排列。由于晶體與非 晶體中原子排列不 同，因此性能也不相 同。（二）典型的金 屬晶體

3、結(jié)構(gòu)金屬的原子按 一定方式有規(guī)則地 排列成一定空間幾 何形狀的結(jié)晶格子， 稱為晶格。金屬的晶 格常見的有體心立 方晶格和面心立方 晶格，如圖1 4所 示。體心立方晶格的 立方體的中心和八 個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)鐵 原子，而面心立方晶 格的立方體的八個(gè) 頂點(diǎn)和六個(gè)面的中 心各有一個(gè)鐵原子。(a)圖1 4典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)(a) 體心立方晶格(b) 面心立方晶格鐵屬于立方晶 格，隨著溫度的變 化，鐵可以由一種晶 格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶 格。這種晶格的轉(zhuǎn) 變，稱為同素異晶轉(zhuǎn) 變。純鐵在常溫下是 體心立方晶格 （ 稱為 a -Fe）；當(dāng)溫度升高 到910C時(shí)，純鐵的 晶格由體心立方晶 格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?晶格（稱為y

4、 -Fe）;再升溫到1390 C時(shí),面心立方晶格又重 新轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方 晶格（稱為S -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,是鋼材所以能通 過各種熱處理方法 來改變其內(nèi)部組織, 從而改善性能的內(nèi)在因素之一，也是焊 接熱影響區(qū)中各個(gè) 區(qū)域與母材相比， 具 有不同組織和性能 的原因之一。二、合金的組 織、結(jié)構(gòu)及鐵碳合金 的基本知識(shí)（ 一 ） 合金的組兩種或兩種以 上的元素(其中至少 一種是金屬元素), 組合成的金屬，叫做 合金。根據(jù)兩種元素 相互作用的關(guān)系，以 及形成晶體結(jié)構(gòu)和 顯微組織的特點(diǎn)可 將合金的組織分為(1)固溶體固 溶體是一種物質(zhì)的 原子均勻地溶解在

5、另一種物質(zhì)的晶格 內(nèi)，形成單相晶體結(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 子部分地被另一元 素的原子所取代，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，見圖15所示。O于O薄擁康子需鬧康子溶度肇子3圖1 5固溶體示意圖(a)置換固溶體；(b)間隙固溶體兩種元素的原 子大小差別愈大，形 成固溶體后所引起 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(2) 化合物 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

6、相互位置是固定的， 叫化合物。通常化合 物具有較高的硬度， 低的塑性，脆性也較 大。( 3) 機(jī)械混合物 固溶體和化合物均 為單相的合金，若合 金是由兩種不同的 晶體結(jié)構(gòu)彼此機(jī)械 混合組成，稱為機(jī)械 混合物。它往往比單 一的固溶體合金有 更高的強(qiáng)度、硬度和 耐磨性；塑性和壓力 加工性能則較差。( 二 ) 鋼中常見 的顯微組織(1) 鐵素體 (F) ： 鐵素體是少量的碳 和其它合金元素固 溶于a -鐵中的固溶 體。a -鐵為體心立 方晶格，碳原子以填 隙狀態(tài)存在，合金元 素以置換狀態(tài)存在。 鐵素體溶解碳的能 力很差，在723C時(shí) 為 002，室溫時(shí) 僅 0 006。鐵素 體的強(qiáng)度和硬度低， 但塑

7、性和韌性很好， 所以含鐵素體多的 鋼 ( 如低碳鋼 ) 就表 現(xiàn)出軟而韌的性能。(2) 滲 碳 體 (Fe 3C) 滲 碳 體 是 鐵與碳的化合物， 分 子式是Fe3C,其性能 與鐵素體相反，硬而 脆，隨著鋼中含碳量 的增加，鋼中滲碳體 的量也增多，鋼的硬 度、強(qiáng)度也增加，而 塑性、韌性則下降。(3) 珠光體 (P) 珠光體是鐵素體和 滲碳體的機(jī)械混合 物，含碳量為 08 左右，只有溫度低于 723 C時(shí)才存在。珠 光體的性能介于鐵 素體和滲碳體之間。(4) 奧氏體 (A) 奧氏體是碳和其它 合金元素在Y -鐵中 的固溶體 。在一般鋼 材中，只有高溫時(shí)存 在。當(dāng)含有一定量擴(kuò) 大丫區(qū)的合金元素

8、時(shí)，則可能在室溫下 存在，如鉻鎳奧氏體 不銹鋼則在室溫時(shí) 的組織為奧氏體。奧 氏體為面心立方晶 格，奧氏體的強(qiáng)度和 硬度不高，塑性和韌 性很好。奧氏體的另 一特點(diǎn)是沒有磁性。(5) 馬氏體 (M) 馬氏體是碳在a -鐵 中的過飽和固溶體， 一般可分為低碳馬 氏體和高碳馬氏體。 馬氏體的體積比相 同重量的奧氏體的 體積大，因此，由奧 氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 時(shí)體積要膨脹，局部 體積膨脹后引起的 內(nèi)應(yīng)力往往導(dǎo)致零 件變形、開裂。高碳 淬火馬氏體具有很 高的硬度和強(qiáng)度，但 很脆，延展性很低， 幾乎不能承受沖擊 載荷。低碳回火馬氏 體則具有相當(dāng)高的 強(qiáng)度和良好的塑性 和韌性相結(jié)合的特 點(diǎn)。(6) 魏 氏 組

9、 織 魏氏組織是一種過 熱組織，是由彼此交 叉約 60°的鐵素體 針嵌入基體的顯微 組織。碳鋼過熱，晶 粒長(zhǎng)大后，高溫下晶 粒粗大的奧氏體以 一定速度冷卻時(shí)， 很 容易形成魏氏組織。 粗大的魏氏組織使 鋼材的塑性和韌性 下降，使鋼變脆。（二）鐵一碳合 金平衡狀態(tài)圖鋼和鑄鐵都是 鐵碳合金。含碳量低 于2. 11%的鐵碳合 金稱為鋼，含碳量2. 11%6. 67%的 鐵碳合金稱為鑄鐵。 為了全面了解鐵碳 合金在不同含碳量 和不同溫度下所處 的狀態(tài)及所具有的 組織結(jié)構(gòu)，可用 Fe-C 合金平衡狀態(tài)圖來 表示這種關(guān)系， 見圖 16。圖上縱座標(biāo)表 示溫度，橫座標(biāo)表示 鐵碳合金中碳的百 分含量。

10、例如，在橫 座標(biāo)左端，含碳量為 零，即為純鐵； 在右 端，含碳量為6. 67%,全部為滲 碳體(FesC)-8A*"47光卅護(hù)做疇卜體+幕民曹】L 一 $ _£§了何*£#900 1*tt#» J8001快怵70©1 鑽怵(二生)I 600 1 0圖1 6 Fe-C平衡狀態(tài)圖圖中ACD線為 液相線，在ACD線以 上的合金呈液態(tài)。 這 條線說明純鐵在 1535C凝固，隨碳含 量的增加，合金凝固 點(diǎn)降低。 C 點(diǎn)合金的 凝 固 點(diǎn) 最 低 ， 為 1147C。當(dāng)含碳量大 于 4 3以后，隨 含碳量的增加， 凝固 點(diǎn)增高。AHJEF線為固相

11、線。在AHJEF線以下 的合金呈固態(tài)。 在液相線和固相線之間 的區(qū)域?yàn)閮上?（ 液相 和固相 ） 共存。GS 線表示含碳 量低于 0 8的鋼 在緩慢冷卻時(shí)由奧 氏體開始析出鐵素 體的溫度。ECF 水平線，1147°C,為共晶反應(yīng) 線。液體合金緩慢冷 卻至該溫度時(shí)， 發(fā)生 共晶反應(yīng)，生成萊氏 體組織。PSK 水平線，723 C，為共析反應(yīng) 線，表示鐵碳合金在 緩慢冷卻時(shí)，奧氏體 轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫為了使用方便， PSK線又稱為A線， GS線稱為A線，ES 線為Acm線。正點(diǎn)是碳在奧 氏體中最大溶解度 點(diǎn)，也是區(qū)分鋼與鑄 鐵的分界點(diǎn)，其溫度 為1147C，含碳量 為 2 11。S點(diǎn)為共析點(diǎn)

12、， 溫度為723 C，含碳 量為0. 8%。S點(diǎn)成 分的鋼是共析鋼， 其 室溫組織全部為珠 光體。 S 點(diǎn)左邊的鋼 為亞共析鋼，室溫組 織 為 鐵 素 體 + 珠 光 體；S點(diǎn)右邊的鋼為 過共析鋼，其室溫組 織 為 滲 碳 體 + 珠 光 體。C點(diǎn)為共晶點(diǎn)， 溫度為1147C，含 碳量為4. 3%。C點(diǎn) 成分的合金為共晶 鑄鐵，組織為萊氏 體 。 含 碳 量 在 2. 11%4. 3%之 間的合金為亞共晶 鑄鐵，組織為萊氏體 +珠光體 +滲碳體；含 碳量在4 . 3 % 667之間的合金 為過共晶鑄鐵，組織 為萊氏體 +滲碳體。萊氏體組織在 常溫下是珠光體 +滲 碳體的機(jī)械混合物， 其性能硬而

13、脆 。現(xiàn)以含碳 0. 2% 的低碳鋼為例，說明 從液態(tài)冷卻到室溫過程中的組織變化。 當(dāng)液態(tài)鋼冷卻至 AC 線時(shí)，開始凝固，從 鋼液中生成奧氏體晶核，并不斷長(zhǎng)大； 當(dāng)溫度下降到 AE 線 奧氏體；當(dāng)溫度下降 到 GS(A3) 線時(shí)，從奧 氏體中開始析出鐵 素體晶核，并隨溫度 的下降，晶核不斷長(zhǎng) 大；當(dāng)溫度下降到 PSK(A1) 線時(shí)，剩余 未經(jīng)轉(zhuǎn)變的奧氏體 轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；從 A1 下降至室溫， 其組 織為鐵素體+珠光 體，不再變化，見圖 17。時(shí)，鋼液全部凝固為圖1 7低碳鋼由高溫冷卻下來的組織變化示意圖Fe C合金平衡 狀態(tài)圖對(duì)于熱加工具有重要的指導(dǎo)意 義，尤其對(duì)焊接，可 根據(jù)狀態(tài)圖來分析 焊

14、縫及熱影響區(qū)的 組織變化，選擇焊后 熱處理工藝等。三、鋼的熱處理 將金屬加熱到 一定溫度，并保持一 定時(shí)間，然后以一定 的冷卻速度冷卻到 室溫，這個(gè)過程稱為 熱處理。常用的熱處理 工藝方法有以下幾 種：（一）淬火將鋼 （ 高碳鋼和 中碳鋼等）加熱到 A1（ 對(duì) 過 共 析 鋼 ） 或 A3（ 對(duì) 亞 共 析 鋼 ） 以上3070C，在此 溫度下保持一段時(shí) 間，使鋼的組織全部 變成奧氏體，然后快 速冷卻（水冷或油 冷），使奧氏體來不 及分解和合金元素 的擴(kuò)散而形成馬氏 體組織，稱為淬火。淬火后可以提 高鋼的硬度及耐磨性。在焊接中碳鋼 和某些合金鋼時(shí)，熱 影響區(qū)中可能發(fā)生 淬火現(xiàn)象而變硬，易 形成

15、冷裂紋，這是在 焊接過程中要設(shè)法 防止的。（二）回火淬火后進(jìn)行回火，可以在保持一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上恢復(fù) 鋼的韌性。回火溫度 在 A1 以下。按回火溫 度的不同可分為低 溫回火(150 250 C )、中溫回火 (350 450 C )、高溫 回火(500 650C )。 低溫回火后得到回 火馬氏體組織，硬度 稍有降低，韌性有所提咼。中溫回火后得 到回火屈氏體組織， 提高了鋼的彈性極 限和屈服強(qiáng)度，同時(shí) 也有較好的韌性。高 溫回火后得到回火 索氏體組織，可消除 內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的強(qiáng) 度和硬度，提高鋼的 塑性和韌性。鋼在淬火后再Y -17II 卜小“ 1/*，復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)能得到韌性和強(qiáng)度最好的配合，獲得良好的綜合力學(xué)性能。（三）正火將鋼加熱到 A 或Acm以上5070°C,保溫后，在空 氣中冷卻，稱為正火。許多碳素鋼和低 合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)正火 后，各項(xiàng)力學(xué)性能均 較好，可以細(xì)化晶 粒，常用來作為最終 熱處理。對(duì)于焊接結(jié) 構(gòu)，經(jīng)正火后，