1.2 铁碳合金1

在固态下铁碳合金有以下几种基本组织 （1）铁素体 （2）奥氏体 （3）渗碳体 （4）珠光体 （5）莱氏体
（1）铁素体



碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，以符号“F” 或“α”表示。晶体结构呈体心立方晶格。 铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在 727℃时，为0.0218%，随着温度的降低，其溶 解度逐渐减小，室温时铁素体中只能溶解 0.0008%的碳。 铁素体的力学性能以及物理、化学性能与纯铁极 相近，塑性、韧性很好（δ=30%~50%），强 度、硬度很低（σb=180~280Mpa）。
三. 铁碳合金

1．纯铁 2. 铁碳合金的基本组织 3．铁碳合金状态图 4．典型铁碳合金的平衡结晶过程与组织 5．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1.纯铁

纯铁的熔点为1538 ℃。其冷却曲线见图 1.2.14。铁在结晶后继续冷却至室温的过 程中，将发生两次晶格转变。铁在1394℃ 以上时具有体心立方晶格，称为δ-Fe；冷 却至1394~912℃之间，转变为面心立方 晶格称为γ-Fe；继续冷却至912℃以下又 转变为体心立方晶格，称为α-Fe。铁在 770 ℃时发生磁性转变，大于 770 ℃时无 磁性，小于770 ℃时有磁性。
（4）珠光体

珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物， 用符号“P”表示。其含碳量为0.77%。珠 光体由渗碳体片和铁素体片相间组成，其 性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬 度较好、脆性不大
（5）莱氏体


莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物， 用符号“Ld”表示，其含碳量为4.3% 莱氏体由含碳量为4.3%的金属液体在 1148℃时发生共晶反应时生成。在室温时 变为变态莱氏体，用称号“Ld′”表示。莱氏 体硬度很高，塑性很差。


不同的相形成不同的显微组织，不同的显 微组织导致合金不同的性质 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属 性来分，可以分为固溶体和化合物两大类。
2. 固溶体
1）固溶体的分类 （1）置换固溶体 （2）间隙固溶体 2）固溶体的性能




固态合金中，在一种元素的晶格结构中包 含有其它元素的合金相称为固溶体 前一种元素称为溶剂元素，后一种元素称 为溶质元素 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体 的浓度 在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限 浓度叫做溶质在固溶体中的溶解度
1 .合金中的相结构




合金的结晶与纯金属一样，也是通过形核及长 大来完成的。由于合金中含有两种或两种以上 的元素的原子，使生成的结晶物中往往含有不 只一种组元的晶粒 在材料中，凡是化学成分相同、结构相同并与 其他部分以界面分开的均匀组成部分称为相 合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种 相所组成 合金中的组织是指合金中用肉眼或显微镜所观 察到的材料的微观形貌，也称为显微组织

通过合金化过程，可以显著地改变金属材 料的结构、组织和性能，从而极大地提高 了金属材料的力学、物理性能，同时其电、 磁、耐蚀性等物理化学性能也得到了保持 或提高。因此，同纯金属相比，合金的应 用更为广泛。
在下面的讨论中将用到以下这些概念：




合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属 元素组成的具有金属特性的物质称为合金 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
（3）铁碳合金状态图中的相区
（1）五个单相区 ABCD线以上的液相区（L）；AHNA线围着的δ固溶体相 区（δ）；NJESGN线围着的奥氏体相区（A）；GPQG 线围着的铁素体相区（F）；DFKL线垂线代表的渗碳体相 区（Fe3C）。 （2）七个双相区 ABＨA线围着的L+δ相区；JBCEJ线围着的L+A相区； DCFD线围着的L+Fe3CⅠ相区；HJNH线围着的δ+A相 区；EFKSE线围着的A+Fe3C相区；GSPG线围着的A+F 相区；QPSKLQ线围着的F+Fe3C相区。 （3）三个三相共存区 HJB线为F、δ、A三相区；ECF线为L、A、Fe3C三相区； PSK线为A、F、Fe3C三相区。
正常价化合物、电子化合物、间隙化合物
金属化合物的性能
由于金属化合物一般具有复杂的化合键和 晶体结构，其熔点高，硬而脆。合金中的 金属化合物使合金的强度、硬度和耐磨性 明显提高，这一现象称为“弥散强化”。 因此，它是碳钢、合金钢、硬质合金和许 多有色合金的重要强化相。与固溶体适当 配合，可以满足材料所需要的性能要求。 如碳钢中的Fe3C、工具钢中的VC、高速钢 中的W2C、硬质合金中的WC和TiC等，提 高了材料的强度、硬度、耐磨性和热硬性 等。
（1）铁碳合金状态图中的主要特性点的意义
A——纯铁的熔点。温度为1538℃，wC×100为0。 C——共晶点从L结晶出(A+Fe3C)Ld。温度为1148℃， wC×100为4.3。 D——Fe3C的熔点。温度为1227℃，wC×100为6.69。 E——碳在γ—Fe中的最大溶解度。温度为1148℃， wC×100为2.11。 F——Fe3C的成分。温度为1148℃，wC×100为6.69。 G——α—Feγ—Fe同素异构转变点（A3）。温度为912℃， wC×100为0。 K——Fe3C的成分。温度为727℃，wC×100为6.69。 P——碳在α—Fe中的最大溶解度。温度为727℃， wC×100为0.0218。 S——共析点（A1）从A析出（F+Fe3C）P。温度为 727℃，wC×100为0.77。 Q——室温时碳在α—Fe中的溶解度。wC×100为0.0008。
3．铁碳合金状态图
铁碳合金状态图的由来
铁碳合金状态图是用实验方法作出的。在20 世纪初，人们用高温计和金相显微镜较精确地测 定了各种铁碳合金的液态线和固态下的晶格转变 温度，画出了铁碳合金状态图。它是研究铁碳合 金的成分、温度和组织结构关系的图形。因为含 碳量大于6.69%时合金的脆性很大，工业上无 使用价值，所以只讨论含碳量为0－6.69%时的 合金部分。当含碳量＝6.69%时，铁和碳形成 的Fe3C可以看作是合金的一个组元，因此这个 状态图实际是Fe—Fe3C相图。 （1）铁碳合金状态图中的各特性点的意义
（3）渗碳体




渗碳体是具有复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，每个晶胞 中有一个碳原子和三个铁原子。渗碳体一般以“Fe3C”表 示，其含碳量为6.69%。 渗碳体的硬度很高，为800HB，塑性、韧性很差，几乎 等于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。 渗碳体在钢与铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。渗 碳体是钢中重要的硬化相，它的数量、形状、大小和分布 对钢的性能有很大的影响。 渗碳体是一个亚稳定化合物，它在一定的条件下，可以分 解而形成石墨状态的自由碳：Fe3C→3Fe+C（石墨）， 这种反应在铸铁中有重要意义。
金属的同素异构转变

金属在固态下晶格随温度的改变而发生改 变的现象称为同素异构转变。铁的同素异 构转变使钢能够进行各种热处理，其主要 依据就在此。自然界中80多种金属中只有 Fe、Ti、 Mn、 Sn 等少数几种金属在固 态下具有同素异构特性。纯铁塑性好、强 度低，很少用于制作零件。
2．铁碳合金的基本组织
（2）图中主要特性线的意义
ACD液相线——液体合金冷却到此线开始结晶，此 线以上是液态区 AECF固相线——液体合金冷却到AE线全部结晶为 奥氏体，加热时温度升高到AE线钢开始熔化。 ES线——奥氏体冷却到ES线开始析出渗碳体（称 二次渗碳体）， ES线又称Acm线。 GS线——奥氏体冷却到GS线开始析出铁素体， GS线又称A3 线。 PSK线——共析转变线。发生共析转变从A析出 （F+Fe3C）P。又称A1线。 ECF线——共晶转变线。从L结晶出(A+Fe3C)Ld。
（2）奥氏体



碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体，以符号“A” 或“γ”表示。晶体结构呈面心立方晶格。 奥氏体的溶碳能力比铁素体大，在1148℃时，碳 在γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，随着温度降低， 其溶解度也减小，在727℃时，为0.77%。 奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高。在铁碳 合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相， 也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所 要求的组织。
1.2 铁碳合金
钢铁材料的成分不同，其性能也不一样，对 同一成分的材料，也可以通过改变材料的内 部组织结构的方法改变其性能。因此，了解 材料的结构是掌握材料性能的基础。
一. 金属的晶体结构和结晶 二. 合金的晶体结构
二. 合金的晶体结构


纯金属在生活和生产中的应用十分广泛。 主要的应用都是利用了纯金属的导电性、 导热性、化学稳定性等性能 但由于纯金属种类有限，而且几乎所有的 纯金属的强度、硬度、耐磨性等力学物理 性能都比较差，不能满足人们对材料多样 性的需要
4．铁碳合金的平衡结晶过程与组织元素





（1）铁碳合金分类 1）工业纯铁（ωc<0.0218%） 组织为铁素体和极少量的三次渗碳体； 2）钢（ωc=0.0218%~2.11%） 亚共析钢（ωc<0.77%）：组织是铁素体和珠光体； 共析钢（ωc=0.77%）：组织是珠光体； 过共析钢（ωc>0.77%）：组织是珠光体和二次渗碳体。 3）白口铸铁（ωc=2.11%~6.99%） 亚共晶白口铸铁（ωc<4.3%）：组织是珠光体、二次渗 碳体和莱氏体； 共晶白口铸铁（ωc=4.3%）：组织是莱氏体； 过共晶白口铸铁（ωc>4.3%）：组织是一次渗碳体和莱 氏体。