合金元素在钢铁中的存在形式及其影响
一、碳
碳是钢铁中的重要元素，它是区分钢铁的主要标志之一。在决定钢号时，往往注意到碳的含量，碳对钢铁的性能起决定性的作用。由于碳的存在，才能将钢进行热处理，才能调节和改变其机械性能。当碳含量在一定范围内时，随着碳含量的增加，钢的硬度和强度得到提高，其塑性韧性下降；反之，则硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。
碳在钢铁中的存在形式可分为下列两种：
1、化合碳：即碳以化合形态存在。在钢中主要以铁的碳化物（如Fe3C）和合金
元素的碳化物形态存在。在合金钢中常见的碳化物，如：Mn3C、Cr3C2、WC、W2C、VC、MoC、TiC等，统称为化合碳。
2、游离碳：铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等统称为游离碳。高碳钢经退火处理时也会有部分游离碳析出。在铸铁中的碳，除了极少量固溶于铁素体外，常常以游离形态或化合形态，或二者并存的形态存在。化合碳与游离碳总和称为总碳量。在分析游离碳较多的铸铁等试样时，应特别注意样品的代表性和均匀性。
游离碳一般不和酸起作用，而化合碳能溶于酸中，借此性质可分离游离碳。碳化铁容易溶解在各种酸中，并容易被空气所氧化，但是碳化铁不溶于冷的和稀的非氧化性酸（硫酸、盐酸）内，大部分碳化物以黑色或深褐色的沉淀而沉降下来，但是，这种沉淀在氧化剂甚至于在空气中的氧参与下都很易溶解，受到浓硫酸、浓硝酸作用时，碳化铁即被分解而析出不同组分的挥发性碳。
大多数合金元素的碳化物难溶于酸内，为使其完全分解，需采取适当的措施，例如：
1、在加热的情况下，将钢样用盐酸或硫酸处理，直至金属部分完全溶解，然后小心加入硝酸使碳化物破坏。
2、钢样内如含有稳定的碳化物时，在用硝酸氧化以前，先行蒸发至开始冒硫酸烟（或蒸发硫磷酸至冒硫酸白烟），然后再仔细地滴加浓硝酸。
3、在钢样中含有极稳定的碳化物，用上述方法不能溶解时，可将钢样用热盐酸、硝酸或盐—硝混合酸处理后，再用高氯酸处理。在高氯酸蒸发的温度（约200℃）下加热，这时全部碳化物即会分解。
29 铁碳合金的结晶
一.铁碳相图 ☆ 提示：重点内容
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。
铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C。
Fe-Fe3C相图
30 Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义
符号 温度, ℃ 碳含量
ω(C)% 含 义
A 1538 0 纯铁的熔点
B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分
C 1148 4.30 共晶点 Lc → AE+Fe3C
D 1227 6.69 Fe3C的熔点
E 1148 2.11 碳在 γ-Fe中的最大溶解度
F 1148 6.69 Fe3C的成分
G 912 0 α-Fe→ γ-Fe同素异构转变点(A3)
H 1495 0.09 碳在 δ-Fe中的最大溶解度
J 1495 0.17 包晶点LB+ δH → AJ
K 727 6.69 Fe3C的成分
N 1394 0 γ-Fe→ δ-Fe同素异构转变点(A4)
P 727 0.0218 碳在 α-Fe中的最大溶解度
S 727 0.77 共析点(A1) As→ FP+Fe3C
Q 600 0.0057 600℃时碳在 α-Fe中的溶解度
(室温) (0.0008)
1. 铁碳合金的组元
(1) Fe 铁是过渡族元素, 熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。
纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。（见2-1-2）
⾦相基础-各种⽒体带图详解
现代材料可以分为四⼤类--⾦属、⾼分⼦、陶瓷和复合材料。尽管⽬前⾼分⼦材料飞速发展，但
⾦属材料中的钢铁仍是⽬前⼯程技术中使⽤最⼴泛、最重要的材料，那么到底是什么因素决定
了钢铁材料的霸主地位呢。下⾯就为⼤家详细介绍吧。
钢铁由铁矿⽯提炼⽽成，来源丰富，价格低廉。钢铁⼜称为铁碳合⾦，是铁（Fe）与碳
（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）以及其他少量元素（Cr、V等）所组成的合
⾦。通过调节钢铁中各种元素的含量和热处理⼯艺（四把⽕：淬⽕、退⽕、回⽕、正⽕），可
以获得各种各样的⾦相组织，从⽽使钢铁具有不同的物理性能。将钢材取样，经过打磨、抛
光，最后⽤特定的腐蚀剂腐蚀显⽰后，在⾦相显微镜下观察到的组织称为钢铁的⾦相组织。钢
铁材料的秘密便隐藏在这些组织结构中。
在Fe-Fe3C系中，可配制多种成分不同的铁碳合⾦，他们在不同温度下的平衡组织各不相同，
但由⼏个基本相（铁素体F、奥⽒体A和渗碳体Fe3C）组成。这些基本相以机械混合物的形式结
合，形成了钢铁中丰富多彩的⾦相组织结构。常见的⾦相组织有下列⼋种：
⼀、铁素体
碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为铁素体， 属bcc结构，呈等轴多边形晶粒分布，
⽤符号F表⽰。其组织和性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，⽽强度与硬度较低（30-100HB）。在合⾦钢中，则是碳和合⾦元素在α-Fe中的固溶体。碳在α-Fe中的溶解量很低，在AC1
温度，碳的最⼤溶解量为0.0218%，但随温度下降的溶解度则降⾄0.0084%，因⽽在缓冷条件下
铁素体晶界处会出现三次渗碳体。随钢铁中碳含量增加，铁素体量相对减少，珠光体量增加，
此时铁素体则是⽹络状和⽉⽛状。
⼆、奥⽒体
碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥⽒体，具有⾯⼼⽴⽅结构，为⾼温相，⽤符号A
表⽰。奥⽒体在1148℃有最⼤溶解度2.11%C，727℃时可固溶0.77%C；强度和硬度⽐铁素体
⾼，塑性和韧性良好，并且⽆磁性，具体⼒学性能与含碳量和晶粒⼤⼩有关，⼀般为170~220HBS、 =40~50%。TRIP钢（变塑钢）即是基于奥⽒体塑性、柔韧性良好的基础开发的钢材，
铁碳合金相图
从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
1,铁素体(ferrite)
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格;
虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.
铁碳合金中的基本相
铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.
δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.
铁碳合金中的基本相
铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.
铁碳合金中的基本相
2,奥氏体(Austenite )
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格;
虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.
铁碳合金中的基本相
在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.
