一、金屬晶體結構的一般知識
眾所周知，世界上的物質都是由化學元素組成的，這些化學元素按性質可分成兩大類：
第一大類是金屬，化學元素中有83種是金屬元素。固態金屬具有不透明、有光澤、有延展性、有良好的導電性和導熱性等特性，並且隨著溫度的公升高，金屬的導電性降低，電阻率增大，這是金屬獨具的乙個特點。常見的金屬元素有鐵、鋁、銅、鉻、鎳、鎢等。
第二大類是非金屬，化學元素中有22種，非金屬元素不具備金屬元素的特徵。而且與金屬相反，隨著溫度的公升高，非金屬的電阻率減小，導電性提高。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，鋼材的效能不僅取決於鋼材的化學成分，而且取決於鋼材的組織，為了了解鋼材的組織及對效能的影響，我們必須先從晶體結構講起。
(一)晶體的特點
對於晶體，大家並不生疏。食鹽、水結成的冰，都是晶體。一般的固態金屬及合金也都是晶體。並非所有固態物質都是晶體。如玻璃、松香之類就不是晶體，而屬於非晶體。
晶體與非晶體的區別不在外形，而在內部的原子排列。在晶體中，原子按一定規律排列得很整齊。而在非晶體中，原子則是散亂分布著，至多有些區域性的短程規則排列。
由於晶體與非晶體中原子排列不同，因此效能也不相同。
(二)典型的金屬晶體結構
金屬的原子按一定方式有規則地排列成一定空間幾何形狀的結晶格仔，稱為晶格。金屬的晶格常見的有體心立方晶格和麵心立方晶格，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乙個鐵原子，而麵心立方晶格的立方體的八個頂點和六個面的中心各有乙個鐵原子。
圖1—4 典型的金屬晶體結構
(a)體心立方晶格 (b)麵心立方晶格
鐵屬於立方晶格，隨著溫度的變化，鐵可以由一種晶格轉變為另一種晶格。這種晶格的轉變，稱為同素異晶轉變。純鐵在常溫下是體心立方晶格(稱為α-fe)；當溫度公升高到910℃時，純鐵的晶格由體心立方晶格轉變為麵心立方晶格(稱為γ-fe)；再公升溫到1390℃時，麵心立方晶格又重新轉變為體心立方晶格(稱為δ-fe)，然後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部組織，從而改善效能的內在因素之一，也是焊接熱影響區中各個區域與母材相比，具有不同組織和效能的原因之一。
二、合金的組織、結構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。根據兩種元素相互作用的關係，以及形成晶體結構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的原子均勻地溶解在另一種物質的晶格內，形成單相晶體結構。根據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，形成固溶體後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合，具有新的晶體結構，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構彼此機械混合組成，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；塑性和壓力加工效能則較差。
(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於α-鐵中的固溶體。α-鐵為體心立方晶格，碳原子以填隙狀態存在，合金元素以置換狀態存在。
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)就表現出軟而韌的效能。
(2)滲碳體(fe3c) 滲碳體是鐵與碳的化合物，分子式是fe3c，其效能與鐵素體相反，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，只有溫度低於723℃時才存在。珠光體的效能介於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區的合金元素時，則可能在室溫下存在，如鉻鎳奧氏體不鏽鋼則在室溫時的組織為奧氏體。
奧氏體為麵心立方晶格，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，由奧氏體轉變為馬氏體時體積要膨脹，區域性體積膨脹後引起的內應力往往導致零件變形、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，幾乎不能承受衝擊載荷。
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，晶粒長大後，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—碳合金平衡狀態圖
鋼和鑄鐵都是鐵碳合金。含碳量低於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及所具有的組織結構，可用fe-c合金平衡狀態圖來表示這種關係，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平衡狀態圖
圖中acd線為液相線，在acd線以上的合金呈液態。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℃。
當含碳量大於4．3％以後，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。在液相線和固相線之間的區域為兩相(液相和固相)共存。
gs線表示含碳量低於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℃，為共晶反應線。液體合金緩慢冷卻至該溫度時，發生共晶反應，生成萊氏體組織。
psk水平線，723℃，為共析反應線，表示鐵碳合金在緩慢冷卻時，奧氏體轉變為珠光體的溫度。
為了使用方便，ps**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，其效能硬而脆。
現以含碳0．2％的低碳鋼為例，說明從液態冷卻到室溫過程中的組織變化。當液態鋼冷卻至ac線時，開始凝固，從鋼液中生成奧氏體晶核，並不斷長大；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，並隨溫度的下降，晶核不斷長大；當溫度下降到psk(a1)線時，剩餘未經轉變的奧氏體轉變為珠光體；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合金平衡狀態圖對於熱加工具有重要的指導意義，尤其對焊接，可根據狀態圖來分析焊縫及熱影響區的組織變化，選擇焊後熱處理工藝等。
三、鋼的熱處理
將金屬加熱到一定溫度，並保持一定時間，然後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，然後快速冷卻(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。
淬火後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，熱影響區中可能發生淬火現象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過程中要設法防止的。
(二)回火
淬火後進行回火，可以在保持一定強度的基礎上恢復鋼的韌性。回火溫度在a1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℃)。
低溫回火後得到回火馬氏體組織，硬度稍有降低，韌性有所提高。中溫回火後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。高溫回火後得到回火索氏體組織，可消除內應力，降低鋼的強度和硬度，提高鋼的塑性和韌性。
鋼在淬火後再進行高溫回火，這一復合熱處理工藝稱為調質。調質能得到韌性和強度最好的配合，獲得良好的綜合力學效能。
(三)正火
將鋼加熱到a3或acm以上50～70℃，保溫後，在空氣中冷卻，稱為正火。許多碳素鋼和低合金結構鋼經正火後，各項力學效能均較好，可以細化晶粒，常用來作為最終熱處理。對於焊接結構，經正火後，能改善焊接接頭效能，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左右一定範圍的溫度，保溫一段時間後，隨爐緩慢而均勻地冷卻，稱為退火。
退火可降低硬度，使材料便於切削加工，能消除內應力等。
焊接結構焊接以後會產生焊接殘餘應力，容易導致產生延遲裂紋，因此重要的焊接結構焊後應該進行消除應力退火處理。消除應力退火屬於低溫退火，加熱溫度在a1以下，一般採用600～650℃，保溫一段時間，然後隨爐緩慢冷卻。亦稱焊後熱處理。
金屬學及熱處理基本知識
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第一章鐵碳合金 第一節合金及其組織 一 合金的基本概念 1 合金 合金是以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，經過融合而獲得的具有金屬特性的材料，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。例如，工業上廣泛應用的鋼鐵材料就是由鐵和碳組成的合金。與純金屬相比，合金具有更好的力學效能，可通過調整組...