轉(zhuǎn)金屬學(xué)及熱處理的基本知識(shí)

1、轉(zhuǎn) 金屬學(xué)及熱處理的基本知識(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。我們所焊接的材料主要是金屬，尤其是鋼材，

2、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 ） 晶體的特點(diǎn)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

3、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。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 - 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?( 稱為 -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-Fe) ，然后一直保持到純鐵

4、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(lái)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 ) 合金的組織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 將合金的組織分為三類 :(1) 固溶體固溶體是一種物質(zhì)的原子均勻地溶解在另一種物質(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

5、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 1-5 所示。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)度大。(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)

6、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 - 鐵中的固溶體。 - 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 723時(shí)為 0.02%，室溫時(shí)僅 0.006%。鐵素體的強(qiáng) 度和硬度低，但塑性和韌性很好，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 (Fe3C)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，

7、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0.8%左右，只有溫度低于 723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 -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 區(qū)的合金元素時(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 - 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

8、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 - 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

9、.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(lái)表示這種 關(guān)系，見圖 1-6 。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。 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 (Fe3C) 。圖 1-6Fe-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 1535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 1147。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線為固相線。在

10、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，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，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的溫度為了使用方便， PSK線又稱為 A1線，GS線稱為 A3 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 1147，含碳量為 2.11%。S點(diǎn)為共析點(diǎn)，溫度為 723，含碳量為 0.8%。S 點(diǎn)成

11、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 1147，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%6.67%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，其性硬而脆?，F(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

12、成奧氏體晶核，并不斷長(zhǎng)大 ; 當(dāng)溫度下降到 AE線時(shí)，鋼液全部凝固為奧氏體 ; 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 1-7 。圖 1-7 低碳鋼由高溫冷卻下來(lái)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(lái)分析焊縫及熱影響區(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

13、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 3070，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(lái)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?；鼗饻囟仍?A1以下。按回火溫度的不同可分為低溫回火 （150250） 、中溫回火 （3

14、50450） 、高溫回火 （500650 ） 。低溫回火后得到回火馬氏體組織，硬度 稍有降低，韌性有所提高。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。鋼在淬火后再進(jìn)行高溫回火，這一復(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 A3 或 Acm以上 5070，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(lái)作為最終熱處理。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)正火后，能改善焊接接頭