金屬學及熱處理基本知識

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中式金屬元素，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，並且隨著溫度的提高，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性成分，而且取決於鋼材的組織，為了了解鋼材的物質及效能的影響，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。並不是所有的固態物質都是晶體，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，而在內部結構的原子排列。在晶體中，原子按一定規則排列得很整齊。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。

由於晶體與晶體中原子排列不同，因此效能也不同。

（二）典型金屬的晶體結構

金屬的原子按一定方式有規則地排列成一定空間幾何狀態的結晶格仔，稱為晶格。金屬的晶格常見的有體心立方輻格和麵心立方晶格。體心立方晶格的立方體的中心和八個定點各有乙個原子，而麵心立方晶格的立方體的八個頂點和六個面中心各有乙個鐵原子。

鐵屬於立方晶體，隨著溫度的變化，鐵可以由一種晶體轉變成另一種晶格。這種晶格的轉變，稱為同位素異型轉變。純鐵在常溫下是體心立方晶格，當溫度公升高到910℃時，純鐵的晶格有體心晶格轉變成麵心立方晶格，再公升高溫度到1390℃時，麵心立方晶體又重新轉變為體心立方晶格，然後一直保持到純鐵融化的溫度。

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，也是焊接如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、合金的基本知識

兩種或兩種以上的元素（其中至少一種是金屬元素），組成的金屬，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，形成單向晶體結構。根據原子在品格上分布的形式，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。

某一元素品格上的原子部分地被另一種元素的原子所取代，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。

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，在晶體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而成，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。

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

將鋼加熱