《金属材料与热处理——原创金属新理论》第三章

第三章  纯铁的结构
一、纯铁的结构
1、铁
      铁是元素周期表上第 26号元素，原子量为55.85，属于过渡族元素。在常压下于1538℃熔化，2738℃气化。铁在20℃时的密度为7.87g/cm3。
2、铁的结构
      铁是同素异构晶体物质，所谓同素异构就是一个物质在不同温度下有不同的晶体结构。铁的晶体结构在不同的温度区间具有不同的晶体结构，各温度区间的晶体结构如下：

538℃以上为液态	-	-
1538℃ — 1394℃	体心立方晶格	δ—Fe铁
1394℃ — 912℃	面心立方晶格	γ—Fe铁
912℃以下至低温	体心立方晶格	α—Fe铁

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图 3.1  纯铁的冷却曲线

      图3.1是铁的冷却曲线。由图可以看出，纯铁在缓慢冷却时，在1538℃结晶为δ -Fe，X 射线分析表明，它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至1394℃时，δ–Fe转变为面心立方晶
格的γ -Fe，通常把δ-Fe →γ-Fe的转变称为A4转变，转变的平衡临界点称为A4点。当温度继续冷却至912℃时，面心立方晶格的γ -Fe 又转变为体心立方晶格的α -Fe，把γ –Fe→
α -Fe的转变称为A3转变，转变的平衡临界点称为A3点。912℃以下，铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种同素异晶状态，即δ-Fe、γ-Fe 和α -Fe。
      应当指出，α-Fe在770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态。通常把这种磁性转变称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。

二、纯铁的同素异构转变与结晶潜热现象
     我们已经知道铁是同素异构物质，铁从液态到室温在固态下有两次同素异构转变，在较缓慢冷却的条件下，可以清楚地记录到两次实际发生同素异构转变时出现结晶潜热的详细记录，原理性的曲线如图3.1。下面我们以912°C的同素异构转变为例进行详细分析。
     912°C温度以上为面心立方晶格，降温时理论上在912°C时发生同素异构转变，但是实际发生转变温度是低于912°C的一个温度平台，转变要有一个过冷度；同时我们看到，在刚开始发生转变时有一个瞬间低于结晶温度平台T1的温度，冷却曲线记录局部曲线呈“V”型。
     我们注意，固态下同素异构转变的温度曲线平台也叫“结晶潜热平台”，因为是发生了晶体的晶格转变，出现重新结晶的实际现象，都是晶体的问题，所以叫“结晶潜热平台”。

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图3.2  纯铁912°C同素异构转变冷却曲线

      图3.2中，T0为912°C，是理论转变温度；T1是低于T0的一个结晶温度平台；K点是瞬间最低转变温度，K点的意义很重要，它表示在此降温速度下，铁晶体已到达晶体不稳定态的极限，到达晶格转变的节点。
      铁晶体从高温降温到K点，是面心立方晶格吸冷与放热的本体降温，此时放热的速度低于降温速度；K点到T1平台是晶体的放热速度大于降温速度；T1平台是晶体的放热速度与降温速度相等。
      K点到T1平台是晶体的放热速度大于降温速度，是表示铁晶体同素异构转变时，由于原子的移动放出大量的热，此热量大于冷却散失的热量；T1平台是晶体的放热速度与降温速度相等，是表示铁晶体同素异构转变时，原子的移动放出的热量等于降温冷却时所需要保持温度不变而需要的热量。T1平台的长度是表示铁晶体同素异构转变所需要的时间。T1平台是比较宏观的，一般情况下，结晶潜热现象的说明都以T1平台为代表。
      在外观上，铁晶体从1394°C降温到K点，铁晶体的体积是逐渐收缩的；K点晶体转变时，铁晶体的体积突然膨胀，转变结束后，铁晶体的体积又是随温度的降低而逐渐收缩，直至室温。铁晶体的体积随温度下降在912°C的反常膨胀变化，是不同温度下的铁晶体结构不同，其致密度的不同所决定的。

三、纯铁的冷却转变曲线
      纯铁的冷却转变曲线是铁的晶体原始变化曲线，是研究铁金属的原始依据，它说明铁在不同温度下具有不同的晶体结构，具有同素异构转变、结晶潜热、体积膨胀与收缩、磁性转变的现象。实际使用的金属，晶体内部有多种杂质，不能反映原生态的性能，所以应用的碳钢理论、合金钢理论、热处理理论、铸铁理论都必须以纯铁的冷却转变曲线为原始依据。

四、纯铁的机械性能
      纯铁的机械性能如下：
      强度极限σb──25kg/mm²
      屈服极限σ0.2──12kg/mm²
      相对延伸率δ──50%
      断面收缩率ψ──85%
      冲击韧性αk ──30kgm/cm²
      硬度HB──80

五、铁晶体重要参数
      固态下铁的晶体结构有三个，一是高温时的体心立方晶体；二是常温下的体心立方晶体；三是中温下的面心立方晶体。
高温时的体心立方晶体δ－Fe，存在的温度区间是1493℃—1534℃，温度很高，但高温状态下其溶碳能力是体心立方结构下的最大，为0.1%。碳在此结构下的固溶体称δ－Fe铁素体或δ固溶体,铁碳图中用δ表示。
      常温下的体心立方晶体α－Fe，存在的温度区间是912℃以下，溶碳能力在温区的任何温度下都在0.008%—0.02%之间，此结构下的原子半径为1.23埃，晶格常数为2.86埃，空隙半径为0.36埃，致密度为0.68，碳在此结构下的固溶体称铁素体,铁碳图中用α或F表示。
      中温下的面心立方晶体γ－Fe，存在的温度区间是727℃－1493℃，溶碳能力在1147℃时为2.06%，在727℃时为0.77%，此结构下的原子半径为1.26埃，晶格常数为3.56埃，空隙半径为0.52埃，致密度为0.74，碳在此结构下的固溶体称奥氏体,铁碳图中用γ或A表示。

六、铁晶体溶碳模型

      图3.3是面心立方晶体结构下，碳原子溶入晶体的教学用模型，图中的涂黑园球示意为碳原子，未涂黑的园球示意为铁原子。此教学用模型主要示意：奥氏体是间隙固溶体，碳原子是溶在晶格的间隙处。但在实际上，碳原子是溶入不了原子排列规则、没有缺陷的晶格间隙处。   

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图3.3 γ－Fe中的空隙模型

      图3.4是体心立方晶体结构下，碳原子溶入晶体的教学用模型，图中的涂黑园球示意为碳原子，未涂黑圆球示意为铁原子。此教学用模型主要示意：铁素体是间隙固溶体，碳原子是溶在晶                格的间隙处。但在实际上，碳原子是溶入不了理想的原子排列、没有缺陷的晶格间隙处。

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图3.4 α－Fe中的空隙模型

表3.1 γ－Fe与α－Fe参数对比

	γ－Fe	α－Fe
γ铁原子半径	1.26	1.23
晶格常数	3.56	2.86
空隙半径	0.52	0.36
致密度	0.74	0.666

七、碳原子与晶格间隙的关系
      碳原子的半径在自由状态下为0.77埃，实际测量碳原子大小的数据与晶体空隙半径的数据表明，碳原子进入不了晶体内部，也就是当晶体的原子排列规则、没有任何缺陷时，碳原子是进入不了晶体内部的。但实际的晶体是有缺陷的，有位错、空位、晶界等，这些缺陷造成的空隙能够容纳一定量的碳原子。铁是同素异构体，当晶体的间隙、原子半径都大一些时，同等的缺陷情况下，溶解的碳原子也就会多一些。实验证明α－Fe是可以溶解微量的碳，在0.008一0.02%之间；γ－Fe的最大空隙半径为0.52埃，略小于碳原子的半径，因此它的溶碳能力比α－Fe高，在1147℃，碳在γ－Fe中的溶解度为2.06%，在727℃时为0.77%。由于铁晶体的缺陷是有限的，铁晶体溶碳的能力就是有限的。当铁中的碳进一步增多时，渗碳体就将石墨化，铁就成为了铸铁，所以，铁晶体溶碳的能力是有限的，晶体溶解碳原子的能力是晶体存在缺陷的结果，不是晶格间隙的结果（间隙是无限的）。