一,、金屬晶體結(jié)構(gòu)的一般知識

      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,，這是金屬獨具的一個特點,。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,，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

      對于晶體，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頂點各有一個鐵原子,，而面心立方晶格的立方體的八個頂點和六個面的中心各有一個鐵原子。

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)；當溫度升高到910℃時，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,，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

      (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)彼此機械混合組成,，稱為機械混合物,。它往往比單一的固溶體合金有更高的強度、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℃時為0．02％,，室溫時僅0．006％。鐵素體的強度和硬度低,，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械混合物,，含碳量為0．8％左右，只有溫度低于723℃時才存在,。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,，只有高溫時存在,。當含有一定量擴大γ區(qū)的合金元素時，則可能在室溫下存在,，如鉻鎳奧氏體不銹鋼則在室溫時的組織為奧氏體,。奧氏體為面心立方晶格，奧氏體的強度和硬度不高,，塑性和韌性很好,。奧氏體的另一特點是沒有磁性,。

      (5)馬氏體(M)  馬氏體是碳在α-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高的強度和良好的塑性和韌性相結(jié)合的特點。

      (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，晶粒長大后,，高溫下晶粒粗大的奧氏體以一定速度冷卻時,，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)圖來表示這種關(guān)系,，見圖1—6,。圖上縱座標表示溫度，橫座標表示鐵碳合金中碳的百分含量,。例如,，在橫座標左端，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),。這條線說明純鐵在1535℃凝固,，隨碳含量的增加,，合金凝固點降低。C點合金的凝固點最低,，為1147℃,。當含碳量大于4．3％以后，隨含碳量的增加,，凝固點增高,。

      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)域為兩相(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,，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,，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。

      正點是碳在奧氏體中最大溶解度點,，也是區(qū)分鋼與鑄鐵的分界點,，其溫度為1147℃，含碳量為2．11％,。

      S點為共析點,，溫度為723℃，含碳量為0．8％,。S點成分的鋼是共析鋼,，其室溫組織全部為珠光體。S點左邊的鋼為亞共析鋼,，室溫組織為鐵素體+珠光體,；S點右邊的鋼為過共析鋼，其室溫組織為滲碳體+珠光體,。

      C點為共晶點,，溫度為1147℃,，含碳量為4．3％。C點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+滲碳體的機械混合物,，其性硬而脆,。

      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,。當液態(tài)鋼冷卻至AC線時,，開始凝固，從鋼液中生成奧氏體晶核,，并不斷長大,；當溫度下降到AE線時，鋼液全部凝固為奧氏體,；當溫度下降到GS(A3)線時，從奧氏體中開始析出鐵素體晶核,，并隨溫度的下降,，晶核不斷長大；當溫度下降到PSK(A1)線時,，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的組織變化示意圖

      Fe—C合金平衡狀態(tài)圖對于熱加工具有重要的指導(dǎo)意義,，尤其對焊接,，可根據(jù)狀態(tài)圖來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，并保持一定時間,，然后以一定的冷卻速度冷卻到室溫,，這個過程稱為熱處理。

      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(對過共析鋼)或A3(對亞共析鋼)以上30～70℃,，在此溫度下保持一段時間,，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,，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

      淬火后進行回火,，可以在保持一定強度的基礎(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度,，同時也有較好的韌性,。高溫回火后得到回火索氏體組織，可消除內(nèi)應(yīng)力,，降低鋼的強度和硬度,，提高鋼的塑性和韌性。

      鋼在淬火后再進行高溫回火,，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，各項力學(xué)性能均較好,，可以細化晶粒,，常用來作為最終熱處理。對于焊接結(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℃,，保溫一段時間,，然后隨爐緩慢冷卻。亦稱焊后熱處理,。