渗碳知识详解

热处理之渗碳体

定义

（GB/T5611-1998）

渗碳体（cementite）——铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C型碳化物。

分为一次渗碳体（从液体相中析出）、二次渗碳体（从奥氏体中析出）和三次渗碳体（从铁素体中析出）。

分子结构

渗碳体的分子式为Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。它的含碳量为 6.69 ％；熔点为1227 ℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230 ℃以下具有弱铁磁性，而在230 ℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800 ），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C 又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解。

特点

它的含碳量为6.69％；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。

渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。

渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时

Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解。

渗碳体（Fe3C或Cm）：渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为6.67%

（有些书上为6.69%），具有复杂的斜方晶体结构，熔点为1227℃。在钢中，渗碳

体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。经3%～5%

硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色,若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素

体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到HB800以上，

脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网

状。在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的

自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。

奥氏体简介

英文名称：austenite

晶体结构：面心立方（fcc）

字母代号：A、γ

定义：碳在γ－Fe中形成的间隙固溶体

微观表述：γ－Fe为面心立方晶体，其最大空隙为0.51×10－8cm，略小于碳原子半径，因而它的溶碳能力比α－Fe大，在1148℃时，γ－Fe最大溶碳量为2.11％，随着温度下降，溶碳能力逐渐减小，在727℃时其溶碳量为0.77％。

性能特点：奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。不具有铁磁性。因此，分辨奥氏体不锈钢刀具(常见的18－8型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。

古代铁匠打铁时烧红的铁块既处于奥氏体状态。

另外，奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。

奥氏体解释

碳溶解在γ铁中形成的一种间隙固溶体，呈面心立方结构，无磁性。奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。有些淬火钢能使部分奥氏体保留到室温，这种奥氏体称残留奥氏体。在合金钢中除碳之外，其他合金元素也可溶于奥氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围。例如，加入锰和镍能将奥氏体临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织，即所谓奥氏体钢。钢中奥氏体特性

磁性：具有顺磁性，故可作为无磁钢。

比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。

膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故也可被用来制作要求膨胀灵敏的元件。

导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。为避免热应力引起的工件变形，不可采用过大的加热速度加热。

力学性能：具有较高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成型。可作为高温用钢。

固溶体

固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。但微观结构上如结点的形状、大小可能随成分的变化而改变。如自然界辉石就是一个多种成分的固溶体。自然界矿物中广泛存在的离子或离子团之间的置换的化学现象，过程称为类质同像或固溶体。类质同像是矿物结晶时，其晶体结构中一种位置被两种或两种以上的不同元素（或基团）而形成混晶的现象，而固溶体是反映形成这种混晶的矿物结构。固溶体分为三种：替代式固溶体、填隙式固溶体和缺位式固溶。

珠光体

珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳休也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体.

珠光体

珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好.其抗拉强度为750 ~900MP a,180 ~280HBS,伸长率为20 ~25%,冲击功为24 ~32J.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好σb=770MPa,180HBS,δ=20%~35%,AKU =24~32J).

珠光体

经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织.当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体;当放大倍数较低时,珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线;而当放大倍数继续降低或珠光体变细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团.

图为光学显微镜200倍下薄壁铸件基体.经3%硝酸酒精溶液浸蚀.可见磷共晶体,片状石墨,珠光体及少量铁素体

铁素体(ferrite，缩写：FN)

即α-Fe和以它为基础的固溶体，具有体心立方点阵。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，

先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。

物理性质

纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格（注1）的α-Fe。碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218％,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为0.0057％，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，其数值如下：