金属材料及热处理常识.docx
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1、一、纯金属的构造固体物质可分为晶体和非晶体。在非晶体内,原子在空间是杂乱而无序的排列,例如,玻璃就是这神非晶体。在晶体内,原子(或分子)在空间是按一定的几何规律排列的,它构成的空间格子,称为晶格,所有固体金属都属于晶体。晶格是金属结晶构造的最小单元,许多有规则的晶格,可组成形状不规则的晶粒。这些我们用肉眼是看不到的,只有在显微镜下才能看到晶粒的大小和和形状。1.纯金属的晶体结构纯金属的晶格主要有3种类型:体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。这3种晶格的形状如图2-31所示。1)体心立方晶格(图2-31(a)从晶格中取出一个单位立方体,它由2个原子组成,8个顶角各有一个原子,但每个顶角上的
2、原子是8个单位立方体所共有。在立方体中心,还有一个原子。常温下的纯铁(又称铁)以及钼、钨、钒等是体心立方晶格。2)面心立方晶格(图2-31(b)从晶体中取出一个单位立方体,它由14个原子,8个顶角各有一个原子,但每个顶角上的原子是8个单位立方体所共有。在立方体的6个平面中心,也各有一个原子,每个平面中心原子是两个单位立方体所共有的。铜、镍和温度在910-1390时的纯铁(又称铁)等,是有这种面心立方晶格。3)密排六方晶格(图2-31(c)从晶体中取出一个单位六方柱体,它由6个原子组成,12个顶角各有一个原子,每个顶角上原子是6个棱柱体所共有。上下两个正六方面的中心,各有一个原子,每个原子是两个
3、相邻六棱柱体所共有。在六方柱体的中心,还有3个原子。锌、镁等是有这种晶格。2.液体金属的结晶过程金属液体凝固为固体的过程,称做结晶(或一次结晶)。当液态金属冷却到熔点以后,金属内部就有一些原子开始稳定下来,成为结晶的核心(简称晶核)。温度继续下降,一方面在已经产生的晶核附近,原子按一定的几何规律凝结排列,长大为晶粒;另一方面又出现许多新的晶核,并陆续长大,直到全部液态金属完全凝固为止。这种金属的结晶过程,如图2-32所示。由此过程可知,金属的结晶过程,是由两个基本过程组成的,即晶核的形成和晶核的长大。下面分别介绍焊接熔池熔化金属的结晶特征。1)晶核的形成熔池液态金属中常有难熔金属质点,作初始的
4、晶核,然后长大为晶粒。熔合线上局部溶化的母材晶粒(称半熔化晶粒),成为熔池金属的结晶核心,形成焊缝金属与母材金属生长在起的“联生结晶”。熔合线处的母材晶粒越粗大,凝固后的焊缝金属其晶粒也就越粗大。2)晶粒长大晶粒长大的方向是由边缘指向熔池中心(温度最高点)。由于熔池体积小、散热快,结晶速度很快。结晶从母材金属的半熔化晶粒上开始,柱状晶较发达,而且柱状晶的成长方向基本上与熔池界面相垂直,只有在熔池中心处或火口处,才有可能出现等轴晶。熔池金属是在运动中结晶,晶粒在成长过程中有停顿现象,易产生层状组织,从焊缝表面成形看即呈鱼鳞纹。3)晶粒边界晶粒与晶粒的交界面叫做晶粒边界,简称晶界。熔池在结晶过程中
5、凝固较快,焊件母材中有许多元素和少量夹杂物,熔池结晶时,高熔点的成分先析出,最后易熔的夹杂物被留在柱状晶粒之间。3.合金的晶体构造及铁碳平衡相图1)合金的晶体构造合金中的原子也和纯金属一样,在空间按一定的几何规则排列,与纯金属相比要复杂得多。根据两个元素相互作用关系,合金的晶体构造可分3类,分别是固熔体、金属化合物和共析体,我们以铁碳合金为例,来说明合金晶体的构造。(1)固熔体一种物质均匀地熔解在另一种固体物质之中,所形成的熔合体叫固熔体。根据固熔体内原子排列情况,还可分为置换固熔体和间隙固熔体,如图2-33所示。某一元素晶格上的原子,一部分被另一元素的原子所取代的固熔体,叫置换固熔体。若某一
6、元素晶格上的原子没有减少,而另一元素的原子挤入其原子的间隙中,形成的固熔体,叫做间隙固熔体。碳原子挤进铁的体心立方晶格间隙处,形成的间隙固熔体,称为铁素体。由于碳原子的挤入,使铁的晶格歪扭,从而使铁素体的塑性变形阻力增大。这就是铁素体比纯铁的强度和硬度稍高的原因。(2) 金属化合物合金中的两种元素,按一定的原子s数量之比相化合而形成一种新的化合物,例如Fe3C,称为渗碳体。它的分子是由3个铁原子和1个碳原子组成的,含碳设为6.67%。渗碳体的晶格是由复杂的八面体组成,占据顶角或心部位置的是碳化铁分子,而不是碳或铁的原子。渗碳体的硬度很高(70HRC-75HRC),塑性几乎等于零。在某种条件下,
7、它可以分解为碳和铁。(3) 共析体共析体是由两种或两种以上的晶体结构混合而成的,在显微镜下呈非均匀组织结构。例如,常温下铁素体和渗碳体,是互相不溶解的两种晶体结构,它们在钢中形成-种共析体边称机械混合物,称为珠光体。以机械混合物存在于钢中的渗碳体,显著提高了钢的强度、硬度和耐磨性,但却降低了钢的塑性。2)金属的同素异构转变如前所述,金属的结晶构造通常指金属由液态凝固为固态晶格类型。但有些金属(铁、锰、锌、锡等)在固态下,随着温度的变化,它的结晶构造也由一种晶格变为另一种晶格。如纯铁在室温下是体心立方晶格(铁),当温度升高到912时,由体心立方晶格变为面心立方品格(铁),并一直保持到1394。当
8、温度为1394-1535(熔化温度)时,又转变为体心立方晶格(铁)。金属在固态下的结晶构造随温度的变化而转变的现象,叫同素异构转变。各种晶格的铁对碳和合金元素的溶解能力不是不同的。例如,面心立方晶格的铁,比体心立方晶格的铁有更多的间隙,可以让碳原子挤进去。铁最高溶碳量为2.11%,我们把碳在铁中的固体叫奥氏林。而铁最高溶碳量为0.02%。金属的同素异构转变有很大的实际意义,它是热处理的理论基础之一,也是焊缝热影响区各区段与基本金属金相组织不一样的依据之一。上述的铁素体、渗碳体、奥氏体、珠光体等都称为金属的组织。为了区别单一的结晶构造,还是几种结晶构造的混合,通常将单一结晶构造的叫做相。如铁素体
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