Fe—C合金的组织和性能解析

Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite） 奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体 称为奥氏体（ austenite ）。 γ 具有 fcc 结构。具有面 心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C 时最多可以溶解 2.11% 的碳，到 727°C 时含碳量降到 0.8% 。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心， 单相γ区存在于NJBESGN区域内（727---1459℃）。奥 氏 体 的 硬 度 (HB170~220) 较 低 ， 塑 性 ( 延 伸 率 δ 为 40%~50%) 高。奥氏体的显微组织见下图。 γ 是顺磁性 （ paramagnetism ），具有 fcc 结构。晶粒呈平直多边 形。
Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温 度、成分和意义如下表： A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 J、 K、 N 、 P、 S、Q各点
渗碳体的晶格
Fe-Fe3C双重相图
2. Fe—C合金中的基本相 －A
在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温 度)下，可有六个基本相： L相、δ相、γ相、α相、 Fe3C相、石墨（C） （1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上) （2）δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）] C在δ－Fe的间隙固溶体。在1459℃ 时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，也称高温铁素 体（high temperature ferrite）。 （3）渗碳体（cementite） 前面已讨论过
纯铁的同素异构转变
纯铁的显微组织
(2) 渗碳体(Fe3C)
渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C) 形式出现的。它具有复杂的晶格 ( 正交晶系 ) ，其晶体 结构如图。 Fe3C 是由 C 原子构成的一个斜方晶格， 原 子周围有六个 Fe 原子，构成一个八面体，而每个 Fe 原 子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1。 Fe3C 熔点为 1227℃， Fe3c 是一种亚稳化合物，在一定 条件下，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。所以 Fe—Fe3C 相图又叫介稳定系相图， Fe－C相图又叫稳定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－ C相图画在同一图上，称为Fe－C合金双重相图.
Fe-Fe3C相图
1.Fe—C合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）
(1)纯铁（Fe） 纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数26， 原子相对质量 55.85 ，纯铁的熔点 1538℃，汽 化点2738℃，密度7.87g/㎝³ 。 纯铁固态下具有 同素异构转变 （ allotropic transformation ） ： 912°C 以 下 为 体 心 立 方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心 立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心立 方(bcc)结构。 纯 铁 具 有 磁 性 转 变 （ 768℃ 磁 性 转 变 、 magnetic transformation ）。纯铁的强度低， 塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁 磁性（ferromagnetism）。
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图全貌。根据分析围 绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个 部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶 部分，左下角的共析部分。 分析点、 线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变 线 、重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（1）Fe—Fe3C相图的点
Fe—C合金的组织和性能
钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属 材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的 基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳 合金（alloys of the iron－carbon system）。因此， 学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问 题是非常重要的。 铁碳相图(如图7.50)是一个较复杂的二元合金相图， 它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。 在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、 Fe2C 、 FeC 。 所 以 ， Fe-C 相 图 可 以 划 分 成 Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是 硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业 上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所 说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临
界点。 Fe3C 在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条 状。渗碳体硬而脆 (HB800) ，塑性极低，延伸率接 近于 0 。它是钢铁材料中的主要强化相。 Fe3C 中碳 和 Fe可以被其它元素替代形成以 Fe3C为基的固溶体。 Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固 溶体，称为合金渗碳体。
碳在γ－Fe晶格中的位置
奥氏体的显微组织
Fe—C合金中的基本相 －C
（5）铁素体（ferrite） 铁素体（α或 F ）是 C 溶于α－ Fe 形成的间隙固溶体称为 铁素体（ ferrite ）。 C 原子溶于八面体间隙。单相α相在 CPQ 以左部分。铁素体的含碳量非常低，在 727℃时 C 在α－ Fe 中最大溶解量为 0.0218% ，室温下含碳仅为 0.005% ，所以 其性能与纯铁相似：硬度 (HB50-80) 低，塑性 ( 延伸率δ为 30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈 多边形。是铁磁性，具有bcc结构。 （6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite） (hcp) 稳定相存在。所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本 相。