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《金属材料与热处理——原创金属新理论》第五章

Test.Wang 2017-2-20 20:07:30 来自PC 复制链接
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      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。

图5.1 铁碳二元合金相平衡状态图

图5.1 铁碳二元合金相平衡状态图
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℃。

图5.2渗碳体晶胞的立体图

图5.2渗碳体晶胞的立体图
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。

【笔者注:本章内容较多,请读者自行下载电子版阅读】
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