第二节金属学及热处理基本知识

第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。(一)晶体的特点对于晶体，大家并不生疏。食盐、水结成的冰，都是晶体。一般的固态金属及合金也都是晶体。并非所有固态物质都是晶体。如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。(二)典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。图1—4典型的金属晶体结构(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。这种晶格的转变，称为同素异晶转变。纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。纯铁的这种特性非常重要，是钢材所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一。二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识(一)合金的组织两种或两种以上的元素(其中至少一种是金属元素)，组合成的金属，叫做合金。根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：(1)固溶体固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代，称为置换固溶体；如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子之间的空隙中，称为间隙固溶体，见图1—5所示。图1—5固溶体示意图(a)置换固溶体；(b)间隙固溶体两种元素的原子大小差别愈大，形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。(2)化合物两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有较高的硬度，低的塑性，脆性也较大。(3)机械混合物固溶体和化合物均为单相的合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成，称为机械混合物。它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；塑性和压力加工性能则较差。(二)钢中常见的显微组织(1)铁素体(F)：铁素体是少量的碳和其它合金元素固溶于α-铁中的固溶体。α-铁为体心立方晶格，碳原子以填隙状态存在，合金元素以置换状态存在。铁素体溶解碳的能力很差，在723℃时为0．02％，室温时仅0．006％。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢(如低碳钢)就表现出软而韧的性能。(2)渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁与碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。(3)珠光体(P)珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0．8％左右，只有温度低于723℃时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。(4)奥氏体(A)奥氏体是碳和其它合金元素在γ-铁中的固溶体。在一般钢材中，只有高温时存在。当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢则在室温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一特点是没有磁性。(5)马氏体(M)马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此，由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。(6)魏氏组织魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60°的铁素体针嵌入基体的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。(二)铁—碳合金平衡状态图钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量低于2．11％的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用Fe-C合金平衡状态图来表示这种关系，见图1—6。图上纵座标表示温度，横座标表示铁碳合金中碳的百分含量。例如，在横座标左端，含碳量为零，即为纯铁；在右端，含碳量为6．67％，全部为渗碳体(Fe3C)。图1—6Fe-C平衡状态图图中ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。这条线说明纯铁在1535℃凝固，随碳含量的增加，合金凝固点降低。C点合金的凝固点最低，为1147℃。当含碳量大于4．3％以后，随含碳量的增加，凝固点增高。AHJEF线为固相线。在AHJEF线以下的合金呈固态。在液相线和固相线之间的区域为两相(液相和固相)共存。GS线表示含碳量低于0．8％的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。ECF水平线，1147℃，为共晶反应线。液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反应，生成莱氏体组织。PSK水平线，723℃，为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。为了使用方便，PSK线又称为A1线，GS线称为A3线，ES线为Acm线。正点是碳在奥氏体中最大溶解度点，也是区分钢与铸铁的分界点，其温度为1147℃，含碳量为2．11％。S点为共析点，温度为723℃，含碳量为0．8％。S点成分的钢是共析钢，其室温组织全部为珠光体。S点左边的钢为亚共析钢，室温组织为铁素体+珠光体；S点右边的钢为过共析钢，其室温组织为渗碳体+珠光体。C点为共晶点，温度为1147℃，含碳量为4．3％。C点成分的合金为共晶铸铁，组织为莱氏体。含碳量在2．11％～4．3％之间的合金为亚共晶铸铁，组织为莱氏体+珠光体+渗碳体；含碳量在4．3％～6．67％之间的合金为过共晶铸铁，组织为莱氏体+渗碳体。莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物，其性硬而脆。现以含碳0．2％的低碳钢为例，说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。当液态钢冷却至AC线时，开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；当温度下降到GS(A3)线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核，并随温度的下降，晶核不断长大；当温度下降到PSK(A1)线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；从A1下降至室温，其组织为铁素体+珠光体，不再变化，见图1—7。图1—7低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图Fe—C合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义，尤其对焊接，可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化，选择焊后热处理工艺等。三、钢的热处理将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。常用的热处理工艺方法有以下几种：(一)淬火将钢(高碳钢和中碳钢等)加热到A1(对过共析钢)或A3(对亚共析钢)以上30～70℃，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却(水冷或油冷)，使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。(二)回火淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。回火温度在A1以下。按回火温度的不同可分为低温回火(150～250℃)、中温回火(350～450℃)、高温回火(500～650℃)。低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。钢在淬火后再进行高温回火，这一复合热处理工艺称为调质。调质能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。(三)正火将钢加热到A3或Acm以上50～70℃，保温后，在空气中冷却，称为正火。许多碳素钢和低合金结构钢经正火后，各项力学性能均较好，可以细化晶粒，常用来作为最终热处理。对于焊接结构，经正火后，能改善焊接接头性能，可消除粗晶组织及组织不均匀等。(四)退火将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却，称为退火。退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除内应力等。焊接结构焊接以后会产生焊接残余应力，容易导致产生延迟裂纹，因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。消除应力退火属于低温退火，加热温度在A1以下，一般采用600～650℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却。亦称焊后热处理。