任务二 铁碳合金

任务引入

钢和铸铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金，统称为铁碳合金。不同成分的铁碳合金，在不同温度下具有不同的组织类型，不同的组织类型具有不同的性能。即使是同一成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部组织结构，也可以导致其性能发生极大的变化，这说明金属材料的性能不仅取决于化学成分，也取决于其内部组织结构。研究铁碳合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形（铁碳合金相图），是掌握铁碳合金性能的依据。那么，铁碳合金的基本组织包含哪些，力学性能如何？铁碳合金相图在选材方面和热处理工艺方面的应用如何？

任务分析

了解金属与合金的晶体结构和铁碳合金组织，对于掌握金属材料性能，利用各种工艺手段改变金属材料性能具有重要的指导意义。掌握铁碳合金相图，对于后续学习热处理知识和制定钢铁材料的热加工工艺具有重要的指导意义。

学习目标

1.掌握金属的晶体结构和同素异晶转变。

2.掌握铁碳合金的基本组织。

3.掌握铁碳合金相图的应用。

相关知识

一、金属的晶体结构与同素异晶转变

1.金属的晶体结构

（1）晶体和非晶体

固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体和非晶体两类。晶体内部的原子按一定的几何规律做周期性排列；非晶体内部的原子杂乱无序、无规律地堆积在一起。晶体有一定的熔点，其性能随组织结构的改变而改变；非晶体没有一定的熔点，其性能在各个方向上是相同的。

自然界中，除了少数物质如普通玻璃、沥青、石蜡等外，绝大多数固态无机物都是晶体。

（2）晶格和晶胞

实际晶体中的各类质点（包括原子、离子、电子等）虽然都是在不停地运动着，在讨论晶体结构时，常把构成晶体的原子看成是一个个固定的小球。这些原子小球按一定的几何形式在空间紧密堆积，如图1-9（a）所示。为了便于描述晶体内部原子排列的规律，将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间几何格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架称为晶格，如图1-9（b）所示。由于晶体中原子做周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的、由最少数目的原子排列成的最小结构单元来表示晶格，称为晶胞，如图1-9（c）所示。晶胞各棱边的长度a、b、c及各边之间的相互夹角α、β、γ称为晶胞的6个参数。各棱边的长度a、b、c称为晶格常数或点阵常数。

（3）三种典型的金属晶体结构

根据晶体晶胞中原子排列规律的不同，可以将晶格基本类型划分为14种。而金属只占有其中最简单的三种，即体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

体心立方晶格如图1-10所示，体心立方晶胞中的原子数为2个。属于这种晶格类型的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等。面心立方晶格和密排六方晶格分别如图1-11和图1-12所示，每个晶胞中分别含有4个和6个原子。属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe、Cu、Al、Ag、Ni、Pb等，属于密排六方晶格类型的金属有Mg、Zn、Be等。

（4）实际金属的晶体结构

晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。实际使用的金属材料都是由许多晶格位向不同的微小晶体组成的。每个小晶体都相当于一个单晶体，内部的晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向却不相同，这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图1-13所示，实际金属就是多晶体。

实际金属中，晶粒内部的原子排列并不理想，其内原子的排列也只是大体上一致，其中不一致的原子排列称为晶体缺陷。晶体缺陷按形状不同可分三类，即点缺陷、线缺陷、面缺陷。

① 点缺陷。点缺陷的不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、间隙原子、置换原子，如图1-14所示。点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必须施加更大的外力，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。

② 线缺陷。线缺陷的不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，如图1-15所示。以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。

③ 面缺陷。面缺陷是指二维尺度很大，而第三维尺度很小的缺陷。面缺陷主要是晶界和亚晶界，如图1-16所示。晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒变小，即晶界多的材料的强度、硬度高。

2.金属的结晶

（1）结晶的基本概念

物质由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体，则又称为结晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度（熔点），液体只有低于这一温度时才会结晶，固体高于这一温度时才能发生熔化。在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存，处于平衡状态。

纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线是描述温度随时间变化的曲线，是用热分析法测绘的。从图1-17的冷却曲线可以看出，液态金属冷却到某一温度时，在曲线上出现一个平台，这个平台对应的温度就是纯金属的实际结晶温度。这是因为金属结晶时释放出了结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量，从而使温度保持恒定。结晶完成后，温度继续下降。

实验表明，纯金属的实际结晶温度T₁总是低于平衡结晶温度T₀（理论结晶温度或熔点），如图1-18所示，这种现象叫作过冷。实际结晶温度T₁与平衡结晶温度T₀（熔点）的差值ΔT称为过冷度。液体冷却速度越大，ΔT越大。从理论上说，当散热速度无限小时，ΔT趋于0，即实际结晶温度与平衡结晶温度趋于一致。

（2）金属的结晶过程

实验证明，结晶是晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程。

① 晶核的形成。在从高温冷却到结晶温度的过程中，液体内部在一些微小体积范围内原子由不规则排列向晶体结构的规则排列逐渐过渡，即随时都在不断产生许多类似晶体中原子排列的原子小集团。这些小集团的特点是尺寸较小、极不稳定、时聚时散；温度越低，尺寸越大，存在的时间越长。这种不稳定的原子排列小集团，是结晶中产生晶核的基础。当液体被过冷到结晶温度以下时，某些尺寸较大的原子小集团变得稳定，能够自发地成长，即成为结晶的晶核。这种只依靠液体本身在一定过冷度条件下形成晶核的过程称为自发形核。

在实际生产中，金属液体内常存在各种固态的杂质微粒。金属结晶时，依附于这些杂质的表面形成晶核比较容易，这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核。非自发形核在生产中所起的作用更为重要。

② 晶核的长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大，如图1-19（a）所示。当冷却速度较大，特别是存在杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大，如图1-19（b）所示。

实际金属结晶主要以树枝状方式长大。当第一批晶核形成后，液体中的原子便不断地向晶核沉积长大，与此同时又有新的晶核生成并长大，形核与长大这两个过程是同时进行着的，直至每个晶核长大到互相接触，而每个长大了的晶核也就成为了一个晶粒。

3.金属的同素异晶转变

大多数金属结晶后，直至冷却到室温，其晶格类型都将保持不变。但有少数几种金属元素结晶后，在固态下不同温度范围内，将呈现出不同的晶格类型，铁就是其中之一。

金属元素在固态下温度变化时晶格类型的变化，称为同素异晶转变。纯铁具有体心立方和面心立方两种晶格的同素异晶体，如图1-20所示。液态纯铁在1538℃结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异晶转变，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，再继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。如继续冷却，晶格的类型将不再发生变化。

纯铁的结晶过程同样遵循结晶的一般规律，有一定的平衡转变温度（相变点），转变时需要过冷，转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。但是，由于纯铁的同素异晶转变在固态下发生，原子扩散困难，因此比液态金属结晶需要更大的过冷度。为了区别于由液态转变为固态的初次结晶，常将同素异晶转变称作二次结晶或重结晶。

金属的同素异晶转变为热处理提供基础，钢能够进行热处理，就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。

二、合金的晶体结构

由于纯金属力学性能较差，不宜制造机械零件、工具和模具等工件，因此实际生产中常通过配制各种不同成分的合金材料，以获得所需的力学、物理和化学等方面性能。

两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。

1.合金的组元

组成合金的基本物质称为组元。组元大多是元素，如铁碳合金（碳钢、铸铁）的主要组元是铁和碳，有时也可将稳定的化合物作为组元。

化学成分是决定合金材料性能的基本因素之一，黄铜、碳钢相互之间的性能迥然不同，碳钢和铸铁之间性能差异也很大。即使是相同化学成分的合金材料，其性能也可以有显著区别，因为合金组元的相互作用可构成不同的相。

2.相和组织

“相”是金属或合金中具有相同化学成分、相同结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分。合金可能由同一种相构成，也可能由不同的几种相构成。一般常把固态下的相统称为固相，而液体状态称为液相。金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相，叫作相变。

在不同条件下，同一物质的相结构的形状、大小和分布可发生改变。根据显微镜下各相的形态特征又可分成不同的组织。“组织”是指用肉眼或借助于放大镜、显微镜能观察到的材料内部的形态结构。

3.合金的组织

根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类。

① 固溶体。合金两组元在液态下相互溶解、结晶时，其中一组元保持原有晶格，另一组元则以原子的形式均匀地分布在该组元的晶格中，形成成分、性能均匀的固态合金，称为固溶体。其中能保持晶格结构的组元，称为溶剂；晶格结构消失的组元，称为溶质。固溶体强度、硬度较低，塑性、韧性较好。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类，两种固溶体结构如图1-21所示。

② 金属化合物。合金组元之间按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的固态物质，称为金属化合物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构（见图1-22），其熔点高，硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

③ 机械混合物。由两种或两种以上的固溶体和金属化合物所构成的混合物称为机械混合物。机械混合物的性能介于固溶体和金属化合物之间，即强度、硬度较高，塑性、韧性较好。

三、铁碳合金的基本组织

在铁碳合金中，铁与碳可以形成化合物Fe₃C，碳也可以溶解在铁中形成固溶体，或形成化合物与固溶体的机械混合物。因此，在铁碳合金中会出现以下几种基本组织。

1.铁素体

碳溶于α-Fe中所形成的固溶体称为铁素体，用符号F表示。碳在α-Fe中的溶解度极小，在727℃时的最大溶碳量为0.0218%。随着温度的降低，碳在α-Fe中的溶解度逐渐减小，室温时降至0.006%。铁素体的强度、硬度很低，其硬度值为50～80HBS，但它具有良好的塑性和韧性。

2.奥氏体

碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体称为奥氏体，用符号A表示。碳在γ-Fe中的溶解度比在α-Fe中大得多，在727℃时的溶碳量为0.77%，而在1148℃时可达2.11%。奥氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。绝大多数钢种在高温下进行压力加工和热处理时，都要求在奥氏体区内进行。

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳的化合物，分子式为Fe₃C，含碳量为6.69%。渗碳体的硬度高（大于800HBW）、脆性大，塑性和冲击韧度几乎等于零，在钢中起强化作用。含碳量越高，渗碳体所占比重越大，其强度、硬度越高，塑性、韧性越差。

4.珠光体

铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。由于珠光体是硬的渗碳体片和软的铁素体片片层相间组成的混合物，故其力学性能介于两者之间。珠光体的平均含碳量为0.77%，它的强度较好，硬度适中（约180HBS），并具有一定的塑性。

5.莱氏体

奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以，727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，通常称为低温莱氏体，用符号L′d表示。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高（约700HBW），塑性极差。

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下，所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。

四、铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示在极其缓慢冷却（或加热）的情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度，所具有的组织或状态的图形。目前，应用的铁碳合金相图是含碳量为0～6.69%的合金部分，因为含碳量大于6.69%的铁碳合金在工业上无使用价值。所以，铁碳合金相图实际上是Fe-Fe₃C相图，如图1-23所示。

1.铁碳合金相图中的特性点

Fe-Fe₃C相图中主要特性点的温度、含碳量及含义见表1-1。

2.铁碳合金相图中的特性线

Fe-Fe₃C相图中的特性线都是铁碳合金组织发生转变的临界线，它们的物理意义如下所述。

① ACD线即液相线。合金冷却到此线开始结晶，在此线以上是液态区（用L表示）。在AC线以下，从液体中结晶出奥氏体，在CD线以下，结晶出渗碳体（又称一次渗碳体，即Fe₃C_I）。

② AECF线即固相线。合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。

在液相线与固相线之间为合金的结晶区域。这个区域内液体与固体并存，AEC区域内为液体和奥氏体，DCF区域内为液体和渗碳体。

③ AE线。含碳量小于2.11%的合金完成结晶，全部转变为奥氏体。

④ GS线又称A₃线。冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线，也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线。

⑤ ES线又称A_cm线，是碳在γ-Fe中溶解度随温度变化的曲线。此线以下奥氏体开始析出渗碳体（又称二次渗碳体，即Fe₃C_Ⅱ）。

⑥ ECF线称为共晶线。合金冷却到此温度线（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变，从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体。凡是含碳量超过2.11%的铁碳合金，在ECF线上均发生共晶转变。

⑦ PSK线称为共析线，又称A₁线。合金冷却到此线发生共析转变，奥氏体均转变为珠光体。

五、铁碳合金的分类

根据铁碳合金相图，按含碳量和室温下显微组织不同，将铁碳合金分为三类。

1.工业纯铁

w_C<0.0218%，显微组织为铁素体+三次渗碳体（极少，一般可忽略不计）。

2.钢

0.0218%<w_C<2.11%，按室温显微组织又分为以下几种。

① 亚共析钢：0.0218%<w_C<0.77%，组织为珠光体+铁素体。

② 共析钢：w_C=0.77%，组织为珠光体。

③ 过共析钢：0.77%<w_C<2.11%，组织为珠光体+二次渗碳体。

3.白口铸铁

2.11%<w_C<6.69%，按室温显微组织又分为以下几种。

① 亚共晶白口铸铁：2.11%<w_C<4.3%，组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。

② 共晶白口铸铁：w_C=4.3%，组织为低温莱氏体。

③ 过共晶白口铸铁：4.3%<w_C<6.69%，组织为一次渗碳体+低温莱氏体。

工程实践中w_C＞1.5%的钢几乎没有应用，所以通常将碳素钢按w_C的高低进行分类，见表1-2。

由上述分析可知，不同成分的铁碳合金，室温组织不同。低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体不断减少，而珠光体不断增加，导致强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。当钢的含碳量增加至0.9%时，其组织大多数是珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达到最大值。随着含碳量的继续增加，钢的组织中网状渗碳体不断增加，使其硬度继续提高，而强度、塑性、韧性一起下降。为了保证钢具有足够的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性，钢中的含碳量一般不超过1.4%。

钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越低，钢的强度和硬度越低、塑性和韧性越好。含碳量越高，钢的强度和硬度越高、塑性和韧性越差。因此，低碳钢的塑性、韧性好，但强度、硬度低，焊接性能好。中碳钢的强度较高，塑性、韧性也较好，具有较好的综合力学性能。高碳钢硬而脆，塑性、韧性也差。

任务实施

一、铁碳合金的基本组织及其力学性能

1.铁素体

铁素体的强度、硬度很低，其硬度值为50～80HBS，但它具有良好的塑性和韧性。

2.奥氏体

奥氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。

3.渗碳体

渗碳体的硬度高、脆性大，塑性和冲击韧度几乎等于零，在钢中起强化作用。

4.珠光体

珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。

5.莱氏体莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高（约700HBW），塑性极差。

二、铁碳合金相图在选材方面的应用

Fe-Fe₃C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。因此，可以根据零件的工作条件和性能要求合理地选择材料。

① 桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢。

② 对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，需要强度和韧性都比较好的材料，可选用中碳钢。

③ 制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，可选用高碳钢。

④ 对于形状复杂的箱体、机器底座等，可选用熔点低、流动性好的铸铁材料。

三、铁碳合金相图在热处理工艺方面的应用

由Fe-Fe₃C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化。所以，钢可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳和其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其他化学热处理的原因。