金属材料的基础知识（2013-5）.docVIP

金属材料基础知识 （2013年5月） 目 录 金属的晶体结构和组织 晶体的结构 合金的相结构 铁碳合金 合金元素在金属中的作用 钢铁的分类和材料的力学性能 通常的分类方法 2、钢铁材料的表示方法 3、材料的力学性能 钢的焊接、热处理和常见的焊接缺陷及检测方法 钢的焊接 钢的热处理 常见焊接缺陷及检测方法 金属的常见失效形式 金相组织的变化 磨损 腐蚀 断裂 一、金属的晶体结构和组织 1、金属晶体结构 工业上使用的金属，在固态下都是晶体，金属原子在晶体中都是按一定规则进行排列的，也就是说，其排列的顺序，按照某种规律，是可以重复的，一般用：“晶格”来描述这种假想空间，晶格中最小、最基本几何单元，称为“晶胞”。最常见的金属晶胞有三种：体心立方、面心立方、密排六方。 如图所示 但实际金属并非理想的单晶体，而是由许多位向不同的小晶体（晶粒）组成的多晶体，在多晶体的内部就存在许多偏离理想结构的区域，这些区域称为晶体缺陷，常见的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷，而这些缺陷还随条件的改变不断变化，它可以发展、运动，甚至彼此发生交互作用，产生合并或者消失。 晶体缺陷的分布、密度以及变动情况对材料的塑性变形、强度和断裂性能起决定性的作用。根据缺陷的形状，一般分为三种： 点缺陷 金属中的原子一般情况下以晶格节点为平衡位置进行热振动，但某些情况下，有些原子可以克服周围原子的束缚而脱离晶格节点，这是就形成了晶格空位，而离开平衡位置的原子会挤入其它的晶格间隙，从而形成间隙原子。晶格空位和间隙原子都属于点缺陷，另外，晶格间隙中的杂质原子也属于点缺陷。 晶体的点缺陷 线缺陷 常见的线缺陷就是“位错”，它是晶格中一列或若干列原子发生有规律的错排现象，它是由于晶体局部滑移造成的，由于滑移方式不同，又分为刃型位错和螺旋位错 晶体的位错 （3）面缺陷，对于多晶体金属，不同取向的晶粒之间的交际面，称为晶界，就是面缺陷。在晶界处，原子的排列处于由一种取向到另一种取向的过渡状态。因此，它的厚度从几个原子到几百个原子不等。而在实际晶粒当中，同一晶粒内原子的排列也并不是完全一致的，而是由许多取向略有差异小晶块组成，这些小晶块称为亚晶，亚晶之间的界面称为亚晶界，这也是一种面缺陷。 晶界示意图 2、合金的相结构 两种或两种以上金属，或金属与非金属，熔合在一起，就组成了合金。在合金中如果有一类化学成分均匀，晶体结构相同并与其它部分有明显的分界面的组分，称为“相”。合金中的相按照结构特点，分为两大类：固溶体和金属化合物 固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中，组成均质的合金相，称为固溶体。固溶体保持着溶剂金属的晶格类型。按照溶质原子在晶格中的分布情况，又分为置换固溶体和间隙固溶体两大类。 金属化合物 金属化合物是指按照一定原子比例结合在一起，可以用化学分子式表示的，具有金属特性的中间相（两组元A和B组成合金时，除了可形成以A为基体或以B为基体的固溶体外(端际固溶体)外，还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相）。金属化合物的晶体结构与各组元的结构完全不同。常见的金属化合物有正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物。 3、铁碳合金 实际广为使用的钢铁材料，尽管成分不同，品种繁多，但最基本的组元就是铁和碳，所以统称为铁碳合金。 铁的同素异构转变 纯铁在凝固后，从高温到低温，其晶体结构会随温度改变而发生改变，这称为“铁的同素异构转变”，它是铁原子重新排列的过程，实质上是一种再结晶过程。 从图中可以看出，纯铁在1538℃凝固后，从1538℃到1394℃，铁的晶体结构是体心立方，此时的铁称为δ铁，1394℃时，铁的晶体结构发生改变，变为面心立方，一直到912℃，这时的铁称为γ铁，从912℃到常温，铁的结构又改变成体心立方，称为α铁。 铁碳合金相图 铁碳相图是表示在平衡状态下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织关系图，它是研究铁碳合金的基础。由于含碳量高于6.69%的铁碳合金很脆，没有工业使用价值，所以只研究Fe-Fe3C部分，即铁-渗碳体相图。相图中各点的含义，见下表： 铁碳合金的组织结构 结合铁碳相图，掌握钢中的基本组织 铁素体 C在α-Fe中形成的间隙固溶体，用F表示，具有体心立方结构，强度、硬度很低，但塑性韧性很好，是绝大部分钢中主要的组成部分，根据不同的钢种，在钢中占80-98.5%。 图 铁素体组织金相图 上图为工业纯铁退火组织，由多边形状的铁素体组成，铁素体因位向不同，呈现不同颜色。在铁素体内部原有极少量的颗粒状渗碳体。 渗碳体 铁和碳形成的金属化合物，Fe3C，按原子数比为3：1，按质量计算，含有93.33%的铁和6.67%的碳，含有合金元素时，有时也可能生