《金属材料与热处理——原创金属新理论》第五章

      第五章   铁碳二元合金相平衡状态图
      自英国的Roberts-Austen(简称奥氏)于1897年绘制了冶金史上第一张Fe-C平衡图，到1914年基本定型，至今已一百多年，一百多年以来，这个Fe-C图一直是人们学习、认识金属晶体结构的理论根据，Fe-C平衡图是试验总结图，它从实践中来，反映了纯铁、碳钢、铸铁从液态到固态其晶体结构的实际变化过程，据图索骥，就可以清楚地知道铁金属晶体在各种碳含量、各种温度下的晶体结构。
      碳影响下的铁碳合金，对于铁金属来说，只是一个小的因素，只是一个碳原子对它的影响，对其强度、硬度影响不大，但对铁晶体的正常生长影响大，由于碳原子很活泼，是所有合金元素对铁晶体影响最严重的，也是最广泛的，所以要讨论其影响。碳原子的主要影响是降低铁晶体的结构转变温度。
      第一节  铁碳二元合金图基本知识
      一、关于铁碳二元合金相平衡状态图
      图5.1是铁碳二元合金相平衡状态图。纵坐标为温度，横坐标为含碳量。此图是一个实验总结图，它是将各种含碳量的铁加热成液态，再以极其缓慢的冷却速度冷却到各个温度时，立即快冷，得到瞬间快冷温度时的铁晶体结构，根据不同温度、不同含碳量而记录成铁晶体的结构曲线图。铁碳二元合金相平衡状态图的名称解释是：铁碳二元合金是指，铁与碳两个组元的合金；相是指，相是晶体学的定义，将具有同样成份、结构和性能的均匀体称相；相平衡状态是指相的温度与压强都处于平衡状态，即热平衡和力学平衡状态。这样我们就知道，在同一个温度时其温度与压强都处于平衡状态的条件下，铁碳二元合金在碳组元含量不同时，各种温度下的相结构。

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图5.1 铁碳二元合金相平衡状态图

      二、铁碳合金重要的相结构
      1.碳
      碳的原子序数为 6，原子量为12.01，原子半径0.77nm，20℃时的密度为 2.25g/cm3。 自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中碳主要以石墨形态存在于铸铁结构中。石墨的空间点阵属于六方晶系，具有简单六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为0.142nm， 层间距为0.340 nm，碳原子在六方层中具有很强的共价键，层与层之间则结合较弱，因此，石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有 3HB～5HB，而塑性几乎接近于零。铁碳合金中的石墨常用符号 G 或 C 表示。
      2. 渗碳体
      在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物Fe3C，其含碳量为6.69%，称为渗碳体，可用符 号 Cm表示，是铁碳合金中重要的基本相。 渗碳体属于正交晶系，晶体结构十分复杂，
三个晶格常数分别为 a＝0.4524nm， b＝0.5089nm，c＝0.6743nm。图5.2是渗碳体晶胞的立体图，其中含有12个铁原子和4个碳原子，渗碳体具有很高的硬度，约为 800HB，但塑性很差，伸长率接近于零。渗碳体在低温下具有一定的铁磁性，但是在230℃以上，铁磁性就消失了，所以 230℃是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为 1227℃。

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图5.2渗碳体晶胞的立体图

      3.铁素体
      铁素体是活性碳原子溶于α–Fe 晶格缺陷处的固溶体，为体心立方晶格，常用符号 F 或 α 表示。铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多，这是因为α–Fe结构的晶胞体积比γ -Fe结构的晶胞体积小一半，晶格间隙与铁原子半径也小很多的缘故。根据测定，碳在α–Fe结构的最大溶解度为 0.0218%，在此含量时，任何温度下都没有渗碳体与珠光体产生。α-Fe 在 20℃时的晶格常数为 2.8663埃，晶胞体积为23.54埃，它的八面体的间隙半径只有 0.1862埃，四面体间隙半径只有 0.36埃，远小于碳的原子半径0.77 埃，它的间隙固溶指数K为0.63，大于间隙固溶指数0.59的最高限制，K参数说明它的碳原子只能溶于晶粒晶格的缺陷中，所以碳在铁素体中的溶解度很小。严格地讲，铁素体不是相结构，因为它不符合是均匀体的定义，但多年习惯，只能暂且如此。
      4.奥氏体
      奥氏体是活性碳原子溶于γ -Fe晶格缺陷处的固溶体，为面心立方晶格，常用符号 A 或 γ 表示。奥氏体比铁素体具有较大的溶碳能力,原因是晶体结构中的间隙尺寸与晶胞体积不同。根据测量和计算，γ -Fe 的晶格常数(950℃时) 为 3.6563埃，晶胞体积为48.86埃，其八面体间隙半径为 0.52埃，小于碳原子半径 0.77埃；它的间隙固溶指数K为0.61，大于间隙固溶指数K0.59的最高限制，数据说明它的碳原子只能溶于晶粒的缺陷处，由于奥氏体的体积大与晶格间隙大，说明奥氏体的晶格缺陷空间相应地大，所以碳在奥氏体中的溶解度较大。严格地讲，奥氏体不是相结构，因为它不符合是均匀体的定义，但多年习惯，只能暂且如此。

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