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图3-1 渗碳体的晶体结构第三章 铁碳合金状态图钢和铸铁是机械工业上广泛应用的金属材料，它主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。
铁碳合金状态图就是研究铁碳合金的成分、温度和组织之间变化关系的图解。
第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金在液态时，铁和碳可以无限互溶，在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成间隙固溶体。
当含量超过铁的溶解度时，多余的碳与铁形成化合物(Fe 3C)。
此外，还可以形成由固溶体与化合物组成机械混合物。
铁碳合金的基本组织有以下五种。
一、铁素体(F)铁素体是指碳溶于a-Fe 中而形成的间隙固溶体。
碳在a-Fe 中溶解度极小，在727℃时最大溶解度为0．0218％，而在室温时只有0．008％。
因此，铁素体强度、硬度较低(σb =l80～280MPa 。
50～80HBS)，塑性，韧性较好(δ=30％～500%、αkU =160—200J ／cm 2)。
铁索体组织适于压力加工。
二、奥氏体(A)奥氏体是指碳溶于γ-Fe 碳在γ—Fe 中而形成的间隙固溶体。
溶解度较大，在1148℃时最大溶碳量为2.11％，在727℃时最大溶碳量为0．77％。
因此，固溶强化效应较高，其强度、硬度较高(σb =400 MPa ，160—200HBS)．而塑性、韧性也较好(δ=40％～50％)。
奥氏体组织也适用于压力加工。
三、渗碳体(Fe 3C)渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，化学式近似于Fe 3C(碳化三铁)。
Fe 3C 的含碳量为6.69%，如图3—1所示。
它无同素异构转变，熔点约为1227℃。
其硬度极高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、αku ≈0)，即硬而脆。
渗碳体不能单独使用，只能作为强化相存在于铁碳合金中。
它的数量、形态(片状、粒状、网状等)、大小和分布对合金的性能产生不同的影响。
四、珠光体(P)珠光体是指奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为铁索体薄层和碳化物(包括渗碳体)薄层交替重叠的层状复相物。
第三节铁碳合金状态图和常用钢铁材料
一、合金的状态图
合金成分不同，所处温度不同，微观结构和性能不同，其变化规律能够通过曲线图表示。
将描述不同成分合金在不同温度下的不同微观结构的曲线图称为合金的状态图。
不同系列的合金，各自有不同的状态图。
1．合金状态图的建立
通过Cu-Ni合金状态图的获得过程，了解合金状态图的建立方法。
将不同配比的铜、镍合金，分别加热到液体，以极端缓的速度（近于平衡）冷却，获得各配比冷却曲线，把各配比冷却曲线中的状态变化点（即开始凝固点和终了凝固点）记入成分—温度坐标中，并将相同意义点连线，得到铜镍合金状态图。
I线：液相线，该线以上为液相区；II线：固相线，该线以下为固相区；I和II线间：固液共存区。
2．共晶合金的概念
简化的Pb-Sb状态图
C 点：共晶点
对应成分的合金，由液体冷却到C 点对应的温度时，从液体中同时结晶出两种固体的合金。
即：
ECF 线：共晶线，凡是合金冷却到该线，均有共晶反应出现。
共晶固固)(13%Sb
c 522Sb Pb L +−−→−︒
大于C点成分：合金冷却到液相线以下，先结晶出Sb固体，冷却到ECF线时剩余液体满足共晶条件，产生共晶反应，同样会有共晶组织结构出现。
小于C点成分：合金冷却到固相线以下，先结晶出Pb固体，冷却到ECF线时剩余液体也会出现共晶组织。
二、Fe-FeC3合金状态图
1.铁碳合金的基本组织结构
铁素体：碳溶解于α-Fe铁中形成的固溶体称为铁素体。
符号：F
F的溶碳能力很小，在727℃时达最大值(0.0218%)。
机械性能接近纯铁，强度、硬度很低，塑性和韧性很好。
因而含有较多铁素体的铁碳合金(如低碳钢)，易于进行冲压等塑性变形加工。
奥氏体：碳溶解在γ-Fe铁中的固溶体，符号A。
A体在1148℃时其溶碳能力最大，达到2.11%。
渗碳体：铁与碳的金属化合物（Fe3C）。
Fe3C的含碳量为6.69%，硬度高，脆性大，塑性差。
Fe3C过多将导致力学性能变坏。
适量Fe3C呈细小弥散形态分布在基体上，可以提高强度和硬度。
（渗碳体）珠光体：F和Fe3C的机械混合物， 0.77%C。
常见的珠光体形态是F与Fe3C片层相间分布的，片层愈细密，强度愈高。
符号：P
莱氏体：高温莱氏体是由A体和Fe3C组成的机械混合物，用符号L d表示。
低温莱氏体是由P体和Fe3C组成的机械混合物，用符号Lˊd 表示。
莱氏体中的Fe3C较多，脆性大，硬度高，塑性差。
铁碳合金室温下基本组织结构及其性能名称σb/MPa HB δ(%) a k/J/cm3
F
P
Lˊd Fe3C 200
750
---
30
80
180
﹥700*
800*
50
20～50
---
≈0
200
30～40
---
≈0
*相当于布氏硬度值。
2．铁碳合金状态图分析
ACD线：液相线。
AECF线：固相线。
C点：共晶点，产生共晶反应。
从液体中同时结晶出渗碳体和奥氏体两种固体的机械混合物，即高温莱氏体。
S点：共析点，产生共析反应。
从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体两种机械混合物，即珠光体。
ACE区：液体与固体共存区，固体为A体。
在该区内，愈接近固相线，A体量愈多。
CDF区：液体与固体共存区，固体为渗碳体。
温度愈低，渗碳体量愈多。
ECF线：共晶线，成分＞2.11%C的合金，温度达1147℃时，液体的成分达到共晶反应时的成分，发生共晶反应。
ECF线对应成分的合金，均有共晶组织高温莱氏体存在。
GS线：F体开始析出线。
A体冷却到该线后，开始析出F体。
ES线：A体对碳的溶解度曲线，A体冷却到该线后，开始析出渗碳体。
该渗碳体称为二次渗碳体。
PSK线：共析线。
凡合金冷却到该线对应温度时，均产生共析反应，即A体→P体。
PQ线：F体析出渗碳体开始线。
当F体冷却到该线后将析出渗碳体。
碳钢和白口铁分类
碳钢(0.0218-2.11%C)
白口铁（2.11～6.69%C）
亚共析钢共析钢过共析钢＜0.77%C
0.77%C
＞0.77%C
亚共晶白口铁
共晶白口铁
过共晶白口铁
＜4.3%C
4.3%C
＞4.3%C。
