第三章 第二节 铁碳合金的基本组织

第三章铁碳合金众所周知，钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，是现代工农业生产中应用最普遍的金属材料，它们是以铁和碳作为大体元素的合金，改变其化学成份和工艺条件，就能够够取得不同的组织和性能，从而能知足生产和利用的多种需要。

其大体组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。

由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性专门大，已无有效价值。

因此，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在6.69%以下。

第一节铁碳合金的组元及大体组织一、纯铁Fe是ⅧB族26号元素，具有一系列优良的物理及化学性质，大伙儿都比较熟悉，那个地址就不涉及，只讲铁在晶体结构上的一个性质——多晶型性，即在不同的条件下，铁具有不同的晶体结构，在条件改变时铁会发生同素异构转变。

金属从一种晶格转变成另一种晶格，这种转变称为金属的同素异晶转变。

现以纯铁为例来讲明金属的同素异晶转变进程。

图3-1 纯铁的冷却曲线α，液态纯铁在1538℃时结晶成具有体心立方晶格（b、c、c）的δ-Fe（不同于Fe-晶格尺寸较大）；冷却到1394℃时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的δ-Fe转变成面心立方晶格的γ-Fe（f、c、c）；继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，由面心立方晶格的γ-Fe转变成体心立方晶格的α-Fe（b、c、c）。

金属发生同素异晶转变时，必然伴随着原子的从头排列，这种原子的从头排列进程，事实上确实是一个结晶进程，与液态金属结晶进程的不同点在于其是在固态下进行的，但它一样遵循结晶进程中的形核与长大规律。

二、铁素体（Ferrite ）在铁碳合金中，由于含碳量和温度的不同，铁原子和碳原子彼此作用能够形成铁素体、奥氏体和渗碳体等大体相。

碳溶入α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F 表示。

铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙散布较分散，因其间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。

铁素体的塑性、韧性专门好（δ=30～50%、a KU =160～200J ／cm 2），但强度、硬度较低(σb =180～280MPa 、σs =100～170MPa 、硬度为50～80HBS)。

第一节铁碳合金的基本组织一、固溶体：定义：溶质原子进入溶剂中，依然保持晶格类型的金属晶体。

铁素体：碳溶于α-Fe的间隙固溶体；F；体心立方晶格，溶碳量很少，显微组织与纯铁相似，呈明亮的多边形晶粒；性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性好。

奥氏体：碳溶于γ-Fe的间隙固溶体；A；面心立方晶格，晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直；强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好，钢材多数加热到臭氏体状态进行锻造。

二、金属化合物（中间相）（强化相）渗碳体：铁与碳形成的金属化合物；Fe3C；具有复杂的晶体结构，w C=6.69%；它是钢中的主要强化相，它的形态、大小、数量和分布对钢及铸铁的性能有很大影响，渗碳体硬度很高，塑性、韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。

三、机械混合物：珠光体：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物；P；由铁素体与渗碳体片层状交替排列的共转变组织，碳合量平均为w C=0.77%；性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

莱氏体：由臭氏体和渗碳体组成的机械混合物；Ld（高温莱氏体），Ld’（变态莱氏体）；变态莱氏体由渗碳体与珠光体相近，硬度很高，塑性很差。

总结：硬度最高的是渗碳体，强度最好的是珠光体，高温下奥氏体塑性最好，常温下铁素体塑性最好，莱氏体硬度较高。

第二节铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图的建立（1）配制不同成分的铁碳合金，用热分析法测定各合金的冷却曲线。

（2）从各冷却曲线上找出临界点，并将各临界点分别画到成分－温度坐标中。

（3）将意义相同的临界点连接起来。

二、Fe－Fe3C合金状态图的分析：1.点（特性点）：A1538℃100％Fe的熔点；D1227℃100％Fe3C的熔点；G912℃100％Fe的同素异晶转变点（重结晶温度点）；C1148℃ 4.3％C 共晶点L→Ld（A＋C）共晶反应；F1148℃ 6.69％C 虚点；P727℃100％Fe虚点；K727℃ 6.69％C虚点、E1148℃ 2.11％C碳在γ－Fe中的最大固溶量；S727℃0.77％C 碳在γ－Fe中的最小固溶量，共析点A→P 共析反应。

§3-2铁碳合金的基本组织和性能钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们都是铁碳合金。

不同成分的钢和铸铁的组织都不相同，因此，它们的性能和应用也不一样。

铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。

一、铁素体(F)它是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体(简称α固溶体)。

通常用符号F表示。

晶体结构呈体心立方晶格，碳在α铁中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有0.008%，在727℃时最大溶解度为0.0218%。

铁素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑性和韧性则很高，δ= 50%。

二、奥氏体(A)碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体(简称γ固溶体)，通常用符号A表示。

晶体结构呈面心立方晶格。

由于γ铁晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的高温区间，具有一定的强度和硬度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。

三、渗碳体(Fe3C)它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。

渗碳体的性能很硬很脆，HBW≈800，δ≈0。

渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。

四、珠光体(P)珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。

所以其性能介于它们二者之间，强度较高,σb=750MPa ，HBS=180，同时保持着良好的塑性和韧性δ=（20～25）%。

五、莱氏体(L d)奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。

它是C=4.3%的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。