金属的晶体结构、合金的组织及Fe-C相图

一、金属的晶体结构
焊接材料的金属性能不仅取决于材料的化学成分，更需要研究其组织成分，因此在焊接材料选用种，必须研究金属的晶体结构。

1.晶体结构
(1)晶体与非晶体
晶体与非晶体的对比见表2-2-3。

(2)典型的金属晶体结构
为了清楚地表示晶体中原子的排列规律，将原子简化为一个质点，再用假想的线
将它们连接起来，形成一个能反映原子排列规律的空间格架，这种空间格架称为晶格。

金属晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图2-2-5所示。

1)体心立方晶格。

体心立方晶格立方体的中心和8个顶点各有1个原子。

属于这种晶格类型的金属有铬、钒、钨、钼及α-Fe等金属。

2)面心立方晶格，面心立方晶格立方体的8个顶点和6个面的中心各有1个原子。

属于这种晶格类型的金属有铝、铜、铅、镍及γ-Fe等金属。

2.同素异构转变
在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

例如，随着温度的变化，纯铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。

纯铁在常温下是体心立方结构（称为α-Fe);当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格（称为γ-Fe);再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格（称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。

纯铁的这种特性非常重要，是钢材通过各种热处理方法来改变其组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中具有不同组织和性能的原因之一。

二、合金的组织结构
以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料称为合金，即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。

1.固溶体
固溶体是合金中一种物质均匀地溶解在另一种物质内形成的单相晶体结构。

根
据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。

某一元素晶
格上的原子部分被另一元素的原子取代，称为置换固溶体；如果另一元素的原子挤
入某元素晶格原子之间的空隙中，称为间隙固溶体，如图2-2-6所示。

两种元素的原子大小差别越大，形成同溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。

扭
曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。

2.化合物
合金中两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元
素原子的相互位置是固定的，叫化合物。

通常化合物具有较高的硬度、较低的塑性，脆性也较大。

3.混合物
由两种不同晶体结构混合组成的合金称为混合物。

混合物中各组成部分仍保持
自己原来的晶格。

混合物的性能取决于各组成部分的性能，以及它们分布的形态、
数量、大小。

它往往比单一的固溶体合金具有更高的强度、硬度和耐磨性，塑性和
压力加工性能则较差。

4.固溶强化
无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中，都会使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对变形的抗力增加。

也即通过溶人溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象，称为固溶强化，如图2-2-7所示。

三、钢的基本组织
钢铁材料是工业中应用最广泛的合金，它们主要是由铁和碳组成的合金（合金钢还含有少其他元素），由于铁和碳的组织结构不同，铁碳合金的基本组织有以下几种：
1.铁素体
铁素体是指α铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体，用符号F表示。

它的含碳量很低，具有良好的塑性、韧性，较低的强度、硬度。

其晶格结构如图2-2-8a所示。

2.奧氏体
奥氏体是指γ铁中溶人碳和（或）其他元素构成的固溶体，用符号A表示。

它的含碳量中等，强度、硬度虽不高，却具有良好的塑性，尤其是具有良好的锻压性能。

其晶格结构如图2-2-8b所示。

3.渗碳体
渗碳体是指晶体结构属于正交系、化学式为近似Fe3C的间隙化合物。

这是钢和铸铁中常见的固相。

它的含碳量较高，高焙点、高硬度，塑性和韧性几乎为零，脆性极大。

其晶格结构如图2-2-8c所示。

4.珠光体
珠光体是指铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的共析组织，用符号P表示。

力学性能是两者的综合，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。

5.莱氏体
莱氏体是指铸铁或高碳合金钢中由奥氏体（或其转变的产物）与碳化物（包括渗碳体）组成的共晶组织，用符号Ld表示。

低温莱氏体（727℃以下至室温）由珠
光体和渗碳体组成，用符号L’d表示。

莱氏体的基体是渗碳体，所以性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性很差。

四、Fe—C相图
铁碳合金中，碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳的质量分数在
2.11%〜6.69%的铁碳合金称为铸铁。

铁碳合金相图表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形，如图2-2-9所示。

1.相图中的组织
铁碳合金在不同碳的质量分数和不同温度下形成的组织如图2-2-9所示。

2.共晶反应和共析反应
共晶反应是指在1148℃液体结晶出莱氏体的反应。

共析反应是指在727℃液体析出珠光体的反应。

共晶反应转变物为液体，共析反应转变物为固体。

3.相图中的点
(1)E点是区分钢和铸铁的分界点，碳的质量分数为2.11%。

E点左边为钢，右
边为铸铁。

(2)S点为共析点，碳的质量分数为0.77％。

S点成分的钢是共析钢，其组织全
部为珠光体。

S点左边的钢是亚共析钢，其组织为珠光体+铁素体。

S点右边的钢是过共析钢，其组织为珠光体+渗碳体。

(3)C点为共晶点，碳的质量分数为4.3%。

C点成分的合金为共晶白口铸铁，C 点左边的铸铁为亚共晶白口铸铁，C点右边的铸铁为过共晶白口铸铁。

共晶白口铸
铁组织为莱氏体，莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的混合物，其性能硬而脆。

4.相图中的线
(1)ACD线为液相线，在ACD线以上合金呈液态。

(2)AECF线为固相线，在AECF线以下合金呈固相。

在液相线和固相线之间的
区域为两相（液相和固相）共存。

(3)GS线表示碳的质量分数低于0.77%的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁
素体的温度，简称为A3线。

(4)ES线表示碳的质量分数高于0.77%的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出渗
碳体的温度，简称为Acm线。

(5)PSK水平线，727℃为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时由奥氏体开
始始析出珠光体的温度，简称为A1线。

(6)ECF水平线，1148℃，为共晶反应线，表示液体缓慢冷却至该温度时发生共晶反应，生产莱氏体组织。

5.Fe—C相图的应用
现以碳的质量分数为0.25%的低碳钢为例，说明从室温加热过程中钢的组织变化低碳钢室温下的组织为珠光体+铁素体，当温度上升到PSK(A1)线以上时，组织变为奥氏体+铁素体，温度上升到GS(A3）线以上时组织全部转变为奥氏体，温度上升到固相线以上，奥氏体中一部分开始熔化，出现液体；温度继续上升到液相线以上，钢全部熔化，成为液体，如图2-2-10所示。

低碳钢从高温冷却下来时，组织的变化正好相反。

铁碳合金相图非常重要，它是热处理的基础，也是分析焊缝及热影响区组织变化的基础。