金属材料热处理常识.docx

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金属材料热处理常识

​金属材料及热处理常识

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ɑ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γ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ɑ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ɑ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，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（ɑ铁），当温度升高到912℃时，由体心立方晶格变为面心立方品格（γ铁），并一直保持到1394℃。

当温度为1394℃-1535℃（熔化温度）时，又转变为体心立方晶格（δ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γ铁，比体心立方晶格的ɑ铁有更多的间隙，可以让碳原子挤进去。

γ铁最高溶碳量为2.11%，我们把碳在γ铁中的固体叫奥氏林。

而ɑ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、渗碳体、奥氏体都叫单相组织。

而珠光体则是铁素体与渗碳体的双相组织，笼统地称为金相组织。

金相组织是在放大100倍-1000倍的显微镜下来观察的，几种常见的金相组织如图2-34所示。

3）铁碳平衡相图

钢的含碳量不同，在不同温度下碳钢的组织变化也各不相同。

若将各种成分的碳钢.在平衡状态（即经过很长时间，碳钢的组织成分仍然保持不变的状态）所具有不同组织总和起来，即可得到铁碳平衡相图，如图2-35所示。

铁碳平衡相图是研究铁碳合金的基础。

由于含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而铁碳平衡相图只研究Fe-Fe3C部分。

铁碳平衡相图中，各主要点的含义、温度以及含碳量列于表2-2中。

图2-35中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。

E点为区分钢和生铁的分界点；S点常被称为共析点。

S点左边的钢称为亚共析钢，共组织结构为珠光体+铁素体。

S点右边的钢称过共析钢，其组织结构是珠光体+渗碳体。

平衡相图上几条线代表的意义分别为：

PQ线:

表示铁素体在0~727℃之间时所能溶解碳的最大量，或称为碳在铁素体中的固熔线。

PG线:

表示铁素体在727℃~912℃之间时，所能溶解碳的最大量。

温度在912℃时，铁素全本身开始转变为奥氏林。

PSK线:

称为共析线，相当于727℃。

它表示含碳量0.77%的钢在缓慢冷却时，奥氏体全部转变为珠光体的温度。

反之在缓慢加热时,它又为珠光体全部；转变为奥氏体的温度，此线常用A1表示。

GS线:

是碳钢奥氏体的转变温度线，即在缓慢加热时，铁素体向奥氏体转变的温度。

反之当缓慢冷却时，则是奥氏体向铁素体转变的温度。

常以A3表示。

SE线：

表示含碳量超过0.77%的钢,在缓慢冷却时，由奥氏体内析出二次渗碳体的温度，常以Acm表示。

JE线:

叫固相线。

表示含义为钢在加热时，开始溶化的临界温度，或冷却时，液体合金全部凝固为奥氏体的温度。

BC线:

叫液相线。

表示碳钢加热时，全部转变为液体合金的临界温度，或冷却时,液体开始结晶的温度由此可看出，含碳量越高的钢，其凝固点（或熔点）越低。

NJ线：

表示奥氏体开始转变为δ铁的温度。

NH线:

表示奥氏体完全转变为δ铁的温度。

在铁碳平衡图上，各种合金通常可按含碳量和组织的不同分为3类。

（1）工业纯铁。

（2）钢，包括亚共析钢、共析钢和过共析钢。

（3）白口铸铁,包括亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁，其含碳量与平衡组织的关系如表2-3所列。

二、钢的热处理

1.钢的固态相变

所谓固态相变，即为钢在加热或冷却过程中，其金相组织产生的各种不同转变。

1）加热时的转变

从铁碳平衡相图可以看出，亚共析钢当加热温度超过A3线时，珠光体中的铁素体与渗出碳体,首先形成奥氏体，但晶粒很细小。

所形成的奥氏体晶粒,把珠光体外的铁素体吸收，如图2-36所示。

当加热温度超过A3线很多，比如低碳钢加热到1050℃以上,并停留较长的时间时，奥氏体晶粒便会迅速长大，且从粗大的晶粒澡析出针状铁素体，形成魏氏组织。

提高了强度，降低了塑性和韧性。

这些都是我们在焊接中不希望出现的。

2）冷却时的转变

当温度降至A3线以下，亚共析钢将沿着奥氏体晶粒边界首先出铁素体，这时奥氏体中的碳量就增高了。

当奥氏体中的含碳撤高至0.77%时，渗碳体和铁素体就会产生各自间的小片状晶粒，成为珠光体。

而铁素体和珠光体颗粒，却与原来奥氏体晶粒相差不多（图2-37）。

冷却时的转变，是奥氏体晶粒的分解。

冷却速度越慢时，奥氏体便在原晶粒大小的基础上分解为铁素体和珠光体。

一般希望的是珠光体颗粒小，而片状组织又不太细，这样会提高强度、塑性和韧性。

但冷却速度很快时，奥氏体来不及分解为珠光体和铁素体，而形成又脆又硬的淬火组织,称为马氏体。

2.钢的热处理

将金属加热到某一温度，在该温度下保持一定的时间。

然后按一定的冷却速度冷却到室温。

这一过程称为热处理。

加热温度的高或低、保温时间的长或短、冷却速度的快或慢，将对钢的组织变化，产生很大的影响。

焊接时，焊缝热影响区受焊接热循环的作用，实质上就是经受了热处理„

常用的热处理方法有以下几种：

1）退火

将钢加热到A1线或A3线以上30℃~50℃,并保温一段时间，然后缓慢均匀地冷却到室温，或冷却到A1线以下的某一温度，并停留一段时间后，再在空气中冷却，这一过程叫退火。

退火可以降低硬度、细化晶粒和消除内应力。

焊接结构常用退火的方法来消除焊接应力。

其加热温度在A1线以下，一般为600℃~650℃，保温时间按（4min~5min）/mm计算（但不少于lh），然后在炉中或空气中冷却。

2）正火

把钢加热到A3线或A线以上40℃~60℃,保温一般时间，然后在空气中冷却，这一过程叫做正火。

正火可以细化钢的晶粒，提高钢的强度和硬度。

由于在空气中冷却得快，则正火后钢的晶粒较退火更细，强度和硬度也都比退火时髙。

3）淬火

对于亚共析钢淬火时加热温度应高于A3线30℃~50℃,并要在此温度下保温一段时间，使钢的组织全部转变为奥氏体，然后在油中或水中急冷,这—过程叫做淬火。

由于冷却速度太快，奥氏体来不及分解为铁素体+珠光体,而生成淬火组织。

含碳量较高的钢，其淬火组织为马氏体,马氏体是碳熔于体心立方晶格中的过饱和固熔体，呈白色针状质,硬而脆。

在焊接含碳董较高的钢时，热影响区易出现这种组织，促使产生冷裂纹。

而对低碳钢，则不易淬火成为马氏体，则焊接也不易产生冷裂纹。

在焊接有淬火倾向的钢时,常采用预热和焊后保温缓冷等措施，其目的就是为避免产生这种既硬又脆的马氏体组织。

4）回火

淬火后的钢常采用回火来恢复一些塑性和韧性。

其加热温度低于A1线。

按回火温度可分为低温回火、中温回火和高温回火3种，低温回火的加热温度是在150℃-250uuu单位；高温回火的加热温度则是在450℃~650℃。

它与消除焊接应力退火的温度差不多。

则有时也把消除应力退火称为消除应力回火。

回火的保温时间lh~4h,在空气或油中冷却。

在实际生产中，常对一些淬火的零件进行高温回火处理，这种热处理过程叫做调质，调质可使钢获得良好的综合机械性能。