石油化工常用材料金属热处理及焊接知识

石油化工常用材料、金属热处理及焊接知识王景阳兰州石化公司助剂厂设备培训教程第一章金属材料的基础知识概述金属材料的基本概念铁碳合金相图金属材料的性能第一节概述金属材料被广泛应用于民用工业（机械制造、农业机械、交通运输、仪器仪表、炼油及化工设备、电机电器等）和国防工业（枪炮、坦克、飞机、军舰、火箭、导弹、宇宙飞船、核动力装置等常规和尖端武器）。在压力容器制造业中，金属材料也具有其他材料无法替代的地位和作用。第二节金属的晶体结构与结晶金属材料品种繁多，力学性能各异，这种差异是由成分和组织决定的。了解金属的晶体结构和结晶规律，对控制材料的性能、正确选用材料、开发新材料有重要的指导意义。第二节金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构1、晶体结构的基本知识1）晶体与非晶体自然界中的固态物质，按质点（原子或分子）排列的特点分为：晶体与非晶体第二节金属的晶体结构与结晶晶体：物质内的质点在三维空间按一定的规律作周期性排列的物质称为晶体。如：绝大多数无机非金属物质；金属及其合金多为晶体。非晶体：物质内的质点是散乱排列的称为非晶体。如：气体和液体；少数无机非金属物质（石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）。晶体与非晶体第二节金属的晶体结构与结晶2）晶格与晶胞为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，晶体就是由这些小球堆砌而成。晶体中原子的堆砌模型第二节金属的晶体结构与结晶晶格：为清楚的表述晶体中原子排列的规律性，将刚性原子简化成一个结点，并用假想的线条将这些节点连接起来，便构成了一个有规律性的空间格架，这种用以描述晶体中原子排列规律的空间几何格架称为晶格。晶胞：晶格中的原子排列具有明显的规律性，为简便起见，通常从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的最小几何单元，用来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元就是晶胞。晶格与晶胞第二节金属的晶体结构与结晶晶胞的大小和形状常以晶格常数a、b、c和棱边夹角α、β、γ表示。第二节金属的晶体结构与结晶2、纯金属的晶体结构1）常用金属的晶体结构在已知的80多种金属中，除少数金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属具有比较简单的晶体结构，常见的有：体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格第二节金属的晶体结构与结晶a）体心立方b）面心立方c）密排六方常见金属晶格类型第二节金属的晶体结构与结晶三种晶格的特点体心立方晶格：晶胞是一个立方体，立方体的八个顶点和立方体的中心各分布着原子。其晶格常数a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°。[α-Fe（温度低于912℃的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、β-Ti（温度在883～1668℃的钛）等]第二节金属的晶体结构与结晶面心立方晶格：晶胞是一个立方体，立方体的八个顶点和六个面的中心各分布着原子。其晶格常数a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°。[γ-Fe（温度在912～1394℃的铁）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）等]。第二节金属的晶体结构与结晶密排六方晶格：晶胞是一个上、下底面为正六边形六棱柱，在六棱柱的12个顶角和上、下底面的中心各分布着原子，六棱柱的中间还有3个原子。其晶格常数有两个，即正六边形的边长a和六棱柱的高度c，轴比c/a=1.663。[α-Ti（温度低于883℃的钛）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）、铍（Be）等]。第二节金属的晶体结构与结晶三种晶格排列的紧密度面心立方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，晶格中有74%的空间被原子所占据，其余为原子间隙，即这两种晶格的致密度均为0.74。体心立方晶格中的原子排列较松散，致密度为0.68。第二节金属的晶体结构与结晶2）金属的同素异晶转变同素异晶转变：大多数金属结晶后，其晶格类型不再发生改变。但也有少数金属，如铁、钴、锡、钛等，在固态下，随温度的改变，其晶格类型发生转变。这种现象称为同素异晶转变。同素异晶体：由同素异晶转变所得到的不同晶体，称为同素异晶体。在常温下的同素异晶体一般用希腊字母α表示，在较高温度下的同素异晶体依次用希腊字母β、γ、δ等表示。第二节金属的晶体结构与结晶纯铁的同素异晶转变，可形成体心立方和面心立方的同素异晶体。纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁在1538℃由液态结晶为固态δ-Fe（体心立方晶格）纯铁在固态下发生两次同素异晶转变：①在1394℃δ-Fe转变为γ-Fe（面心立方晶格）；②在912℃γ-Fe又将转变为α-Fe（体心立方晶格）；继续冷却α-Fe，不再发生晶格类型的转变。但在770℃时将发生铁的磁性转变（在770℃以上纯铁无磁性）Lδ-Feγ-Feα-Fe1538℃1394℃912℃第二节金属的晶体结构与结晶同素异晶转变的实质与意义同素异晶转变属固态转变，其转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一种重结晶过程。但其原子扩散要比液态下困难的多，致使同素异晶转变具有较大的过冷度。另外由于转变时晶格的致密度的改变，将引起晶格体积的变化，使同素异晶转变往往要产生较大的内应力。同素异晶转变属固态转变，对具有固态转变的金属，通过在固态下的加热和冷却可使其发生重结晶来改变组织和性能，这对热处理具有十分重要的意义。第二节金属的晶体结构与结晶3）实际金属的晶体结构实际应用的金属中，总是不可避免的存在原子偏离规则排列的不完整区域，这些区域称为晶体缺陷。根据缺陷存在的几何形式，将晶体缺陷分为：点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（刃形位错、螺形位错）面缺陷（晶界、亚晶界）第二节金属的晶体结构与结晶a)点缺陷b)线缺陷c)面缺陷晶体缺陷晶体的缺陷将对材料的性能产生影响：由于晶体缺陷将造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而可提高材料的强度、硬度。第二节金属的晶体结构与结晶3、合金的组织结构1）合金的基本概念合金：指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质。如：钢、铸铁都是铁与碳组成的合金；黄铜是铜与锌组成的合金；硬铝是铝、铜、镁组成的合金等。组元：指组成合金最基本的、独立的单元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。第二节金属的晶体结构与结晶合金的内部组织合金的内部组织是由相组成。相：指在合金中有相同的结构、相同的物理性能和化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。单相合金：固态下只有一个相的合金。多相合金：固态下有两个或两个以上相组成的的合金。固态合金的相结构主要有固溶体和金属化合物。第二节金属的晶体结构与结晶固溶体固溶体：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。溶剂：固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂。因此固溶体的晶格和溶剂的晶格相同。溶质：固溶体中的其他组元称为溶剂。（1）固溶体的类型根据溶质原子在晶格中占据的位置不同，分为：置换固溶体和间隙固溶体合金的基本概念第二节金属的晶体结构与结晶置换固溶体与间隙固溶体a)置换固溶体b)间隙固溶体固溶体结构示意图溶剂原子占据晶格的正常节点，这些节点上的溶剂原子被溶质原子所替代。当合金中的溶剂原子与溶质原子半径相近时，置换固溶体的溶解度有限，称为有限固溶体。但当溶剂与溶质原子的半径相当，并具有相同的晶格类型时，他们可以按任意比例溶解，这种置换固溶体称为无限固溶体。溶剂原子不占据晶格的正常节点，而是嵌入晶格间隙中。由于溶剂的间隙尺寸有限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体，间隙固溶体的溶解度有限，都为有限固溶体。第二节金属的晶体结构与结晶（2）固溶体的性能固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着固溶体中溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。第二节金属的晶体结构与结晶固溶体的晶格畸变在一般情况下，只要固溶体中的溶质含量适当，固溶体不仅具有高的强度和硬度，还可以保持良好的塑性和韧性。因此，实际使用的合金，一般都是以固溶体作为基体相的多项合金，具备这样组织的合金一般综合性能良好。固溶体第二节金属的晶体结构与结晶金属化合物金属化合物：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，一般可用其化学式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。金属化合物通常具有复杂的晶体结构，而且不同于任一组成元素的晶体类型。金属化合物的特点：熔点高；性能硬而脆。第二节金属的晶体结构与结晶第二相强化：当金属化合物在合金组织中呈细小均匀状分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高。因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相。但金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能，使合金脆性增大。实际使用的合金其组织通常是由固溶体和少量金属化合物组成的机械混合物。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，可以改变合金的力学性能，获得性能各异的合金材料。金属化合物第二节金属的晶体结构与结晶二、金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态的过程称为结晶。金属结晶后形成的组织状态对性能影响很大，所以了解金属结晶规律，对控制材料的组织和性能显得十分重要。1、纯金属的结晶1）冷却曲线与过冷度热分析法：使溶化后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线，即得到冷却曲线。第二节金属的晶体结构与结晶a)纯金属的冷却曲线b)金属在不同冷却速度下的冷却曲线冷却曲线金属的结晶温度（或熔点）：恒温水平线所对应的温度。理论结晶温度T0：平衡状态下（无限缓慢冷却）的结晶温度。实际结晶温度Tn：以一定的速度冷却所测得的结晶温度。其数值随冷却速度的增加而降低。过冷现象：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即Tn＜T0。过冷度△T：理论结晶温度与实际结晶温度的差值，即△T=T0-Tn。第二节金属的晶体结构与结晶2）纯金属的结晶过程结晶过程是不断的形核与长大的过程。金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。①形核自发形核：金属液在过冷的条件下，某些局部微小的区域内的原子首先自发的聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核；这种形核方式称为自发形核。非自发形核：当金属液中有自带或人工加入的细微固态颗粒时，也可以成为结晶的核心。第二节金属的晶体结构与结晶②长大晶核形成后，金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。晶粒：每个晶核成长为一颗形状不规则的小晶体，这个小晶体称为晶粒。晶界：在同一晶粒内部原子按一定位向排列，而各相邻晶粒的原子排列位向不同，晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界。第二节金属的晶体结构与结晶纯金属的结晶过程第二节金属的晶体结构与结晶多晶体与单晶体多晶体：有许多个晶粒组成的晶体称为多晶体。单晶体：晶体内部的晶格位向完全一致的晶体。要获得只有一个晶粒的单晶体十分困难，只有材料有特殊要求时才值得这样做，如：通过控制结晶过程可获得半导体材料单晶硅等。金属中的多晶体粒晶（放大400倍）第二节金属的晶体结构与结晶2、晶粒大小与控制措施晶粒大小对力学性能的影响很大，一般在室温下金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好。细晶粒强化：利用获得细晶粒可强化材料，亦称细晶强化。这是改善材料力学性能的重要措施。晶粒大小与形核数目和长大速度有关第二节金属的晶体结构与结晶实际生产中细化晶粒的方法①增加过冷度一般来说，随着过冷度的增加，形核数目和长大速度都会增加，但形核数目的增加比长大速度增加得快，因此，通过增加过冷度，即加快冷却速度，可使晶粒细化。例如：在铸造生产中，金属型铸造比砂型铸造可获得更细晶粒的铸件，这是因为金属型具有更好的导热性，可使铸件的冷却速度加快。在一般金属的表面比心部具有更细的晶粒，小型铸件比大型铸件具有更细的晶粒。第二节金属的晶体结构与结晶②变质处理在金属中加入少量变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称为变质处理。此方法特