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(lèi)：

      第一大類(lèi)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(jiàn)的金屬元素有鐵、鋁、銅、鉻、鎳、鎢等。

      第二大類(lèi)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(jiàn)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，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(lèi)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，稱為晶格。金屬的晶格常見(jiàn)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?稱為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，是鋼材所以能通過(guò)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(lèi)：

      (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(jiàn)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)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(jiàn)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α-鐵中的固溶體。α-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，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γ-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γ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(méi)有磁性。

      (5)馬氏體(M)  馬氏體是碳在α-鐵中的過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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％～6．67％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(jiàn)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—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(shuō)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(kāi)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(guò)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(guò)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。

      現(xiàn)以含碳0．2％的低碳鋼為例，說(shuō)明從液態(tài)冷卻到室溫過(guò)程中的組織變化。當(dāng)液態(tài)鋼冷卻至AC線時(shí)，開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(guò)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(guò)共析鋼)或A3(對(duì)亞共析鋼)以上30～70℃，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(guò)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?；鼗饻囟仍贏1以下。按回火溫度的不同可分為低溫回火(150～250℃)、中溫回火(350～450℃)、高溫回火(500～650℃)。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50～70℃，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，能改善焊接接頭性能，可消除粗晶組織及組織不均勻等。

      (四)退火

      將鋼加熱到A3以上或A1左右一定范圍的溫度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢而均勻地冷卻，稱為退火。

      退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除內(nèi)應(yīng)力等。

      焊接結(jié)構(gòu)焊接以后會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，容易導(dǎo)致產(chǎn)生延遲裂紋，因此重要的焊接結(jié)構(gòu)焊后應(yīng)該進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理。消除應(yīng)力退火屬于低溫退火，加熱溫度在A1以下，一般采用600～650℃，保溫一段時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻。亦稱焊后熱處理。