铁碳合金的组元及基本相分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：应当指出，磁性转变时铁的晶格类型不发生改变，所以不属于相变。铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。

2.3.1.1　纯铁

铁是一个过渡元素，熔点为1 538 °C，在固态下铁可以发生两种同素异晶转变，具有两种同素异晶状态。

1. 铁的同素异晶转变

图2-25所示为铁的冷却曲线。由图可以看出，纯铁在1 538 °C结晶为体心立方晶格的δ-Fe，冷却到1 394 °C，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe。通常把的转变称为A4转变，转变的平衡临界点温度称为A4点。当温度继续降至912 °C时，面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe，把的转变称为A3转变，转变的平衡临界点温度称为A3点。在912 °C以下铁的晶体结构不再发生改变。这样，铁就有三种同素异构状态，即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe。铁的同素异构转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。

α-Fe在770 °C还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性转变为低温的铁磁性状态，通常将这种磁性转变称作A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。应当指出，磁性转变时铁的晶格类型不发生改变，所以不属于相变。

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图2-25　纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

2. 铁素体与奥氏体

铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，常用符号F或α表示。奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构，常用符号A或γ表示。铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。

铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多，据测定，奥氏体的最大溶碳量ωc=2.11%（于1 148 °C），而铁素体的最大溶碳量ωc=0.0218%（于727 °C），在室温下铁素体的溶碳能力就更低了，一般在0.008%以下。

碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体，称为δ铁素体，以δ表示。其最大溶解度于1 495 °C时ωc=0.09%。

因为铁素体中的含碳量很少，所以其性能与纯铁基本相同，居里点也是770 °C。奥氏体的塑性很好，易于塑性变形，具有顺磁性。

3. 纯铁的工业性能与应用

工业纯铁的含铁量一般为99.8%～99.9%，含有0.1%～0.2%的杂质，其中主要是碳。纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而有很大的差别，其大致如下：

抗拉强度σb 　176～224 MPa 　　断面收缩率ψ 　70%～80%

屈服强度σ0.2 　98～166 MPa 　　冲击韧性αk 　160～200 J/cm2

延伸率δ　　　30%～50% 　　　硬度　　　　　50～80 HBW

纯铁的塑性和韧性很好，但其强度很低，极少用作结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。

2.3.1.2　渗碳体

渗碳体Fe3C是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69%，可用符号Cm表示。Fe3C也是铁碳相图中的重要基本相，熔点为1 227 °C。

渗碳体属于正交晶系，晶体结构复杂，一个渗碳体晶胞含有12个铁原子和4个碳原子，符合Fe与C成3∶1的关系，故写成Fe3C。渗碳体具有很高的硬度，约为800HBW，但塑性很差，延伸率接近于零。渗碳体在低温下具有一定的铁磁性，但是在230 °C以上，这种磁性就消失了，因此230 °C是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变。

2.3.1.3　石　墨

石墨的碳含量为100%，为六方晶格，是灰口铸铁的一个基本组成相。石墨硬度很低，塑性几乎为零，铁碳合金中的石墨常用符号C或G表示。

铁碳合金的组元及基本相分析

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