第二章 第三节 纯铁的同素异构转变

纯铁同素异构转变过程
小朋友们，今天我们来了解一个特别神奇的事情——纯铁的同素异构转变过程！
你们知道吗，纯铁可不是一直都保持着一个样子哦！在不同的温度下，纯铁会发生奇妙的变化，就好像变魔术一样。

首先呢，当纯铁被加热到1538℃的时候，它会从一种叫做“体心立方晶格”的结构变成另一种叫做“面心立方晶格”的结构。

这个过程就像是纯铁给自己换了一套新衣服一样。

这种从体心立方晶格到面心立方晶格的转变，我们把它叫做γ-Fe（伽马铁）。

接下来，当温度继续升高到1394℃的时候，神奇的事情又发生了！纯铁会从面心立方晶格的γ-Fe 变回体心立方晶格，不过这个体心立方晶格和最开始的那个有点不一样哦，我们把这个新的体心立方晶格叫做δ-Fe（德尔塔铁）。

然后呢，当温度慢慢降低的时候，纯铁又会开始变化啦！当温度降到912℃的时候，纯铁会从γ-Fe 再次变成体心立方晶格，不过这次的体心立方晶格和之前1538℃时变成的那
个是一样的，我们把这个叫做α-Fe（阿尔法铁）。

纯铁的同素异构转变过程是不是很有趣呢？就好像纯铁在不同的温度下，会换上不同的“衣服”，展现出不同的样子。

这个过程对于我们的生活也很重要呢！比如说，在制造钢铁的时候，人们就会利用纯铁的这种同素异构转变特性，来调整钢铁的性能，让钢铁变得更加坚固、耐用。

小朋友们，现在你们是不是对纯铁的同素异构转变过程有了一些了解呢？希望你们以后也能像科学家一样，去发现更多神奇的事情！。

由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为α-Fe。

将纯铁加热，当温度到达912℃时，由α-Fe 转变为γ-Fe，γ-Fe是面心立方结构。

继续升高温度，到达1390℃时，γ-Fe转变为δ-Fe，它的结构与α-Fe一样，是体心立方结构。

纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为同素异构转变。

δ相：高温铁素体，由液态铁冷却到1538摄氏度发生结晶，液态铁转变为δ-Fe，C在δ-Fe中的最大溶解度为0.17%。

δ铁素体作为高温铁素体，在常温下相对少见，但在一些不锈钢中，仍然由δ铁素体保留到常温下。

但由于δ铁素体较脆，在加工中易引发裂纹，并且容易引发点腐蚀，所以一般都是作为有害相加以控制的。

所谓调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢。

一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。

各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。

淬火成马氏体后在500~650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢。

经调质处理后，钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。

调质钢的成分是含碳0.25%～0.5%碳素钢或低合金钢和中合金钢，调质处理后的金相组织是回火索氏体。

各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。

应用最广的调质钢有铬系调质钢(如40Cr、40CrSi)、铬锰系调质钢(如40CrMn)、铬镍系调质钢(如40CrNiMo、37CrNi3A)、含硼调质钢等。

钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。

索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。

索氏体具有良好的综合机械性能。

将淬火钢在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体（tempered sorbite）。

铁碳合金第一节 铁碳合金基本知识一、纯铁的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。

如图3-1所示。

纯铁的同素异构转变可概括如下：1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。

纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。

纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。

二、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：1、铁素体（F ）铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。

由于α-Fe 晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），所以是几乎不含碳的纯铁。

铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。

2180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cmb KU a σδ==显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。

2、奥氏体（A ）奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。

它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。

因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。

奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。

400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈由于γ-Fe 一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。

显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。

第二章铁碳合金§2-1 铁碳合金的基本组织一、【纯铁的同素异构转变】：固态金属随温度变化而发生晶格改变的现象，称为同素异构转变。

纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示：同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。

金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一个重要结晶过程。

因此，它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热产生；转变过程也括晶核的形成和晶核的长大两阶段。

二、铁碳合金的基本组织【铁碳合金的（基本组织）相】：铁素体、奥氏体、渗碳体均是铁碳合金的基本相。

1、【铁素体Ferrite（F）】：碳溶于α铁中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α表示。

它仍保持α铁的体心立方晶格；在727℃时的最大溶碳量为Ｗｃ＝0.0218％，在600℃是溶碳量约为Ｗｃ＝0.0057％，室温下几乎为零Ｗｃ＝0.0008％。

其室温性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、硬度不高（σb=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。

所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。

2、【奥氏体Austenite（Ａ）】：碳溶于γ铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号Ａ或γ表示。

它仍保持γ铁的面心立方晶格。

在727℃时的溶碳量为Ｗｃ＝0.77％，到1148℃是时达到最大Ｗｃ＝2.11％。

奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为（σb 约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。

因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。

3、【渗碳体Cementite】渗碳体具有复杂晶格的间隙化合物，分子式为Fe3C，其Ｗｃ＝6.69％，是钢和铸铁中常用的固相。

熔点约为1227℃，渗碳全硬度很高（950－1050ＨＶ），而塑性与韧性几乎为零，脆性很大。