焊接冶金基本知識-合金的組織
作者：小編 時(shí)間：2025/6/10 15:12:17
合金是指兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。如碳素鋼和鑄鐵是鐵和碳的合金；而黃銅則是鋅和銅的合金；合金鋼、青銅、硬鋁等都是合金。與組成它的純金屬相比，合金除具有更高的力學(xué)性能外，有的還可能具有強(qiáng)磁性、耐蝕性等特殊的物理化學(xué)性能。同時(shí)，還可以通過人為地控制調(diào)節(jié)其組成的比例，來獲得一系列性能各不相同的合金，因此合金在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。
合金中的各種元素的原子也和純金屬一樣，在物體內(nèi)部做有規(guī)則、有次序的排列。但合金的晶體構(gòu)造與純金屬比較則復(fù)雜得多。
合金的基本晶體結(jié)構(gòu)有固溶體和金屬化合物兩大類，
1.固溶體
固溶體是指組成合金的元素原子在液態(tài)時(shí)能相互溶解，凝結(jié)成固態(tài)時(shí)，也能相互溶解而形成均勻的固體合金。一般含量多者為溶劑，含量少者為溶質(zhì)，固溶體保持溶劑的晶格，溶
質(zhì)原子則分布在溶劑品格之口。
根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)的位置，固溶體分為置換固溶體和問隙固溶體。
置換固溶體是指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，如同在這些結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換，見圖1-2a所示。合金元素溶入鐵中形成的固溶體大多數(shù)屬于這種類型。
間隙固溶體是指溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體，見圖1-2b。溶質(zhì)原子尺寸較小，溶劑晶格間隙較大，仍保持溶劑晶格的類型。碳素鋼中的鐵素體、奧氏體都是問隙固溶體。
溶劑和溶質(zhì)的原子大小的差別愈大，形成固溶體后引起的晶格扭曲的程度也就愈人。扭曲的晶格增加了金屬塑性變形的阻力，因此，固溶體較純金屬硬度高、強(qiáng)度大。
2.金屬化合物
組成合金的元素原子，按一定的原子比例數(shù)相互化合，形成與元素晶格類型及性質(zhì)完全不同的具有金屬性質(zhì)的固溶體，稱為金屬化合物。金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)和性能完全不同于其任一組成元素，其晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般情況下有較高的硬度和脆性，耐磨性增加，并有較高的熔點(diǎn)和比純金屬大的電阻。常把化合物作為與其他結(jié)構(gòu)相混合的合金加以應(yīng)用。
圖1-2固溶體結(jié)構(gòu)示意圖
a)置換固溶體 b)間隙固溶體
○一熔劑原子●一溶質(zhì)原子●—溶質(zhì)原子
鐵碳合金組織與相圖
1.鐵碳合金組織
鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用范圍最廣的合金，
它們都是以鐵和碳組成的復(fù)雜合金。在鐵碳合金中，不同的鐵碳合金成分和不同的溫度下，得到的鐵碳合金微觀組織是不同的，具有不同的力學(xué)性能。凡是w(C)小于2.11%的鐵碳合金，可稱為鋼。工業(yè)上所用的鋼的w(C)很少超過1.4%,其中用于制造焊接結(jié)構(gòu)的鋼，其含碳量更需要低。否則，含碳量高，鋼的塑性和韌性變差，加工性能降低。特別是焊接性能，隨著結(jié)構(gòu)鋼含碳量的提高而變得較差。鋼的微觀組織主要有鐵素體、滲碳體、珠光體、奧氏體和馬氏體等。
(1)鐵素體
鐵素體是含碳量很低的鐵，用符號F或α表示。它是碳在α-Fe中形成的體心立方晶格的間隙固溶體，在低于912℃時(shí)出現(xiàn)。鐵素體的強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性很高，見表1-1。
(2)滲碳體
滲碳體是鐵碳合金中的碳以化合狀態(tài)出現(xiàn)的碳化鐵，其分子式是Fe?C。它是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.1%的鐵和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%的碳化合面成的鐵碳金屬化合物。它的性質(zhì)與鐵素體相反，硬度極高(約為800HB),脆性大，但強(qiáng)度很低(≈35MPa),伸長率和沖擊韌度為零，即滲碳體本身失去任何變形的能力。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，塑性、韌性則下降。
(3)珠光體
珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，用符號P表示。存在于727℃以下，平均w(C)是0.77%。在珠光體中，滲碳體要比鐵素體少得多，鐵素體與滲碳體一般都呈片狀，并且是一層一層交替地排列著。珠光體的性能介于鐵
素體和滲碳體之間，即硬度和強(qiáng)度比鐵素體高，塑性和韌性比鐵素體低，但脆性并不大。根據(jù)滲碳體的形狀可分為片狀珠光體和粒狀珠光體兩種。根據(jù)滲碳體的大小又可分為珠光體(P)、索氏體(細(xì)珠光體S)和托氏體(極細(xì)珠光體T)。珠光體的力學(xué)性能見表1-1所示。
(4)奧氏體
它是碳在γ-Fe中具有面心立方晶格的間隙固溶體，用符號γ或A表示。碳鋼中的奧氏體只出現(xiàn)在高溫區(qū)域內(nèi)，在低于727℃以后，奧氏體就隨鋼中含碳量的不同，分別轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體和滲碳體。奧氏體具有低的硬度(HB200)和強(qiáng)度，但是它的塑性和韌性極為良好。
(5)馬氏體
馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，用符號M表示。具有體心立方晶格。馬氏體轉(zhuǎn)變需要大的過冷度，在顯微鏡下觀察，馬氏體呈白色針狀組織。低碳馬氏體為板條狀，強(qiáng)度高，且塑性、韌性良好；高碳馬氏體為片狀，硬度高，脆性大，塑性、韌性較低。
(6)萊氏體
萊氏體是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，用符號Ld表示。727℃以下由珠光體和滲碳體組成，為低溫萊氏體(用符號Ld'表示):727℃以上由奧氏體和滲碳體組成，為高溫萊氏體(用符號Ld表示)。性能與滲碳體相似，硬度高，塑性差。
(7)貝氏體
貝氏體是過飽和的鐵素體和細(xì)小滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號B表示。它是奧氏體過冷到約550～240℃的中溫區(qū)共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，介于珠光體和馬氏體之間的一種組織，塑性很差。貝氏體具有兩種典型形態(tài)：一種是羽毛狀稱上貝氏體，另一種是針片狀稱下貝氏體。下貝氏體具有高的強(qiáng)度、高的韌性及高的耐腐蝕性。
(8)魏氏組織
在w(C)小于0.6%的亞共析鋼和w(C)大于1.2%的過共析鋼中，由高溫較快冷卻時(shí)，
先共析的鐵素體或者滲碳體便沿著奧氏體的一定晶面呈針片狀析出，由晶界插入晶粒內(nèi)部，這種組織叫魏氏組織。因?yàn)槲菏辖M織中的鐵素體或滲碳體針片橫七豎八地割斷裂了鋼的基體，形成許多脆弱面，使其強(qiáng)度降低而脆性增大。奧氏體晶粒越粗大，越容易形成魏氏組織。經(jīng)過鑄造、焊接的中碳和低碳鋼，晶粒往往很粗大，空冷之后最容易出現(xiàn)魏氏組織。鋼中出現(xiàn)魏氏組織，一般可通過退火或正火進(jìn)行消除。
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