任務二 鐵碳合金

任務引入

鋼和鑄鐵都是以鐵和碳為主要元素組成的合金，統稱為鐵碳合金。不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下具有不同的組織類型，不同的組織類型具有不同的性能。即使是同一成分的金屬材料，通過不同的加工處理工藝，改變材料內部組織結構，也可以導致其性能發生極大的變化，這說明金屬材料的性能不僅取決于化學成分，也取決于其內部組織結構。研究鐵碳合金的成分、溫度和組織三者之間關系的圖形（鐵碳合金相圖），是掌握鐵碳合金性能的依據。那么，鐵碳合金的基本組織包含哪些，力學性能如何？鐵碳合金相圖在選材方面和熱處理工藝方面的應用如何？

任務分析

了解金屬與合金的晶體結構和鐵碳合金組織，對于掌握金屬材料性能，利用各種工藝手段改變金屬材料性能具有重要的指導意義。掌握鐵碳合金相圖，對于后續學習熱處理知識和制定鋼鐵材料的熱加工工藝具有重要的指導意義。

學習目標

1.掌握金屬的晶體結構和同素異晶轉變。

2.掌握鐵碳合金的基本組織。

3.掌握鐵碳合金相圖的應用。

相關知識

一、金屬的晶體結構與同素異晶轉變

1.金屬的晶體結構

（1）晶體和非晶體

固態物質根據其原子排列特征，可分為晶體和非晶體兩類。晶體內部的原子按一定的幾何規律做周期性排列；非晶體內部的原子雜亂無序、無規律地堆積在一起。晶體有一定的熔點，其性能隨組織結構的改變而改變；非晶體沒有一定的熔點，其性能在各個方向上是相同的。

自然界中，除了少數物質如普通玻璃、瀝青、石蠟等外，絕大多數固態無機物都是晶體。

（2）晶格和晶胞

實際晶體中的各類質點（包括原子、離子、電子等）雖然都是在不停地運動著，在討論晶體結構時，常把構成晶體的原子看成是一個個固定的小球。這些原子小球按一定的幾何形式在空間緊密堆積，如圖1-9（a）所示。為了便于描述晶體內部原子排列的規律，將每個原子視為一個幾何質點，并用一些假想的幾何線條將各質點連接起來，便形成一個空間幾何格架。這種抽象的用于描述原子在晶體中排列方式的空間幾何格架稱為晶格，如圖1-9（b）所示。由于晶體中原子做周期性規則排列，因此可以在晶格內取一個能代表晶格特征的、由最少數目的原子排列成的最小結構單元來表示晶格，稱為晶胞，如圖1-9（c）所示。晶胞各棱邊的長度a、b、c及各邊之間的相互夾角α、β、γ稱為晶胞的6個參數。各棱邊的長度a、b、c稱為晶格常數或點陣常數。

（3）三種典型的金屬晶體結構

根據晶體晶胞中原子排列規律的不同，可以將晶格基本類型劃分為14種。而金屬只占有其中最簡單的三種，即體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

體心立方晶格如圖1-10所示，體心立方晶胞中的原子數為2個。屬于這種晶格類型的金屬有α-Fe、Cr、W、Mo、V等。面心立方晶格和密排六方晶格分別如圖1-11和圖1-12所示，每個晶胞中分別含有4個和6個原子。屬于面心立方晶格類型的金屬有γ-Fe、Cu、Al、Ag、Ni、Pb等，屬于密排六方晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be等。

（4）實際金屬的晶體結構

晶體內部的晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。實際使用的金屬材料都是由許多晶格位向不同的微小晶體組成的。每個小晶體都相當于一個單晶體，內部的晶格位向是一致的，而小晶體之間的位向卻不相同，這種外形呈多面體顆粒狀的小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體，如圖1-13所示，實際金屬就是多晶體。

實際金屬中，晶粒內部的原子排列并不理想，其內原子的排列也只是大體上一致，其中不一致的原子排列稱為晶體缺陷。晶體缺陷按形狀不同可分三類，即點缺陷、線缺陷、面缺陷。

① 點缺陷。點缺陷的不規則區域在空間三個方向上的尺寸都很小，主要是空位、間隙原子、置換原子，如圖1-14所示。點缺陷破壞了原子的平衡狀態，引起周圍晶格產生畸變，阻礙原子的移動，必須施加更大的外力，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。

② 線缺陷。線缺陷的不規則區域在一個方向的尺寸很大，在另外兩個方向的尺寸都很小，主要是位錯，即晶體中某處有一列或若干列原子發生有規律的錯排現象，如圖1-15所示。以位錯線為中心的管道區周圍晶格都發生了畸變，從而阻礙位錯的運動，使材料的強度提高。

③ 面缺陷。面缺陷是指二維尺度很大，而第三維尺度很小的缺陷。面缺陷主要是晶界和亞晶界，如圖1-16所示。晶界相互交錯，原子排列紊亂，常溫下對晶體的滑動起阻礙作用，從而使晶粒變小，即晶界多的材料的強度、硬度高。

2.金屬的結晶

（1）結晶的基本概念

物質由液態轉變為固態的過程稱為凝固。通過凝固形成晶體，則又稱為結晶。晶體物質都有一個平衡結晶溫度（熔點），液體只有低于這一溫度時才會結晶，固體高于這一溫度時才能發生熔化。在平衡結晶溫度，液體與晶體同時共存，處于平衡狀態。

純金屬的實際結晶過程可用冷卻曲線來描述。冷卻曲線是描述溫度隨時間變化的曲線，是用熱分析法測繪的。從圖1-17的冷卻曲線可以看出，液態金屬冷卻到某一溫度時，在曲線上出現一個平臺，這個平臺對應的溫度就是純金屬的實際結晶溫度。這是因為金屬結晶時釋放出了結晶潛熱，補償了此時向環境散發的熱量，從而使溫度保持恒定。結晶完成后，溫度繼續下降。

實驗表明，純金屬的實際結晶溫度T₁總是低于平衡結晶溫度T₀（理論結晶溫度或熔點），如圖1-18所示，這種現象叫作過冷。實際結晶溫度T₁與平衡結晶溫度T₀（熔點）的差值ΔT稱為過冷度。液體冷卻速度越大，ΔT越大。從理論上說，當散熱速度無限小時，ΔT趨于0，即實際結晶溫度與平衡結晶溫度趨于一致。

（2）金屬的結晶過程

實驗證明，結晶是晶體在液體中從無到有（晶核形成），由小變大（晶核長大）的過程。

① 晶核的形成。在從高溫冷卻到結晶溫度的過程中，液體內部在一些微小體積范圍內原子由不規則排列向晶體結構的規則排列逐漸過渡，即隨時都在不斷產生許多類似晶體中原子排列的原子小集團。這些小集團的特點是尺寸較小、極不穩定、時聚時散；溫度越低，尺寸越大，存在的時間越長。這種不穩定的原子排列小集團，是結晶中產生晶核的基礎。當液體被過冷到結晶溫度以下時，某些尺寸較大的原子小集團變得穩定，能夠自發地成長，即成為結晶的晶核。這種只依靠液體本身在一定過冷度條件下形成晶核的過程稱為自發形核。

在實際生產中，金屬液體內常存在各種固態的雜質微粒。金屬結晶時，依附于這些雜質的表面形成晶核比較容易，這種依附于雜質表面而形成晶核的過程稱為非自發形核。非自發形核在生產中所起的作用更為重要。

② 晶核的長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前平行推移的方式長大，如圖1-19（a）所示。當冷卻速度較大，特別是存在雜質時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長大，如圖1-19（b）所示。

實際金屬結晶主要以樹枝狀方式長大。當第一批晶核形成后，液體中的原子便不斷地向晶核沉積長大，與此同時又有新的晶核生成并長大，形核與長大這兩個過程是同時進行著的，直至每個晶核長大到互相接觸，而每個長大了的晶核也就成為了一個晶粒。

3.金屬的同素異晶轉變

大多數金屬結晶后，直至冷卻到室溫，其晶格類型都將保持不變。但有少數幾種金屬元素結晶后，在固態下不同溫度范圍內，將呈現出不同的晶格類型，鐵就是其中之一。

金屬元素在固態下溫度變化時晶格類型的變化，稱為同素異晶轉變。純鐵具有體心立方和面心立方兩種晶格的同素異晶體，如圖1-20所示。液態純鐵在1538℃結晶，得到具有體心立方晶格的δ-Fe，繼續冷卻到1394℃時發生同素異晶轉變，δ-Fe轉變為面心立方晶格的γ-Fe，再繼續冷卻到912℃時又發生同素異晶轉變，γ-Fe轉變為體心立方晶格的α-Fe。如繼續冷卻，晶格的類型將不再發生變化。

純鐵的結晶過程同樣遵循結晶的一般規律，有一定的平衡轉變溫度（相變點），轉變時需要過冷，轉變過程也是由晶核的形成和晶核的長大來完成的。但是，由于純鐵的同素異晶轉變在固態下發生，原子擴散困難，因此比液態金屬結晶需要更大的過冷度。為了區別于由液態轉變為固態的初次結晶，常將同素異晶轉變稱作二次結晶或重結晶。

金屬的同素異晶轉變為熱處理提供基礎，鋼能夠進行熱處理，就是因為鐵能夠在固態下發生同素異晶轉變。

二、合金的晶體結構

由于純金屬力學性能較差，不宜制造機械零件、工具和模具等工件，因此實際生產中常通過配制各種不同成分的合金材料，以獲得所需的力學、物理和化學等方面性能。

兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬和非金屬元素組成的具有金屬性質的物質，稱為合金。

1.合金的組元

組成合金的基本物質稱為組元。組元大多是元素，如鐵碳合金（碳鋼、鑄鐵）的主要組元是鐵和碳，有時也可將穩定的化合物作為組元。

化學成分是決定合金材料性能的基本因素之一，黃銅、碳鋼相互之間的性能迥然不同，碳鋼和鑄鐵之間性能差異也很大。即使是相同化學成分的合金材料，其性能也可以有顯著區別，因為合金組元的相互作用可構成不同的相。

2.相和組織

“相”是金屬或合金中具有相同化學成分、相同結構并以界面相互分開的各個均勻的組成部分。合金可能由同一種相構成，也可能由不同的幾種相構成。一般常把固態下的相統稱為固相，而液體狀態稱為液相。金屬與合金的一種相在一定條件下可以變為另一種相，叫作相變。

在不同條件下，同一物質的相結構的形狀、大小和分布可發生改變。根據顯微鏡下各相的形態特征又可分成不同的組織。“組織”是指用肉眼或借助于放大鏡、顯微鏡能觀察到的材料內部的形態結構。

3.合金的組織

根據構成合金各組元之間相互作用的不同，固態合金的組織可分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三類。

① 固溶體。合金兩組元在液態下相互溶解、結晶時，其中一組元保持原有晶格，另一組元則以原子的形式均勻地分布在該組元的晶格中，形成成分、性能均勻的固態合金，稱為固溶體。其中能保持晶格結構的組元，稱為溶劑；晶格結構消失的組元，稱為溶質。固溶體強度、硬度較低，塑性、韌性較好。

根據溶質原子在溶劑晶格中所占位置不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩類，兩種固溶體結構如圖1-21所示。

② 金屬化合物。合金組元之間按一定比例相互作用而生成的一種新的具有金屬特性的固態物質，稱為金屬化合物。金屬化合物一般具有復雜的晶體結構（見圖1-22），其熔點高，硬而脆。當合金中出現金屬化合物時，通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但會降低塑性和韌性。

③ 機械混合物。由兩種或兩種以上的固溶體和金屬化合物所構成的混合物稱為機械混合物。機械混合物的性能介于固溶體和金屬化合物之間，即強度、硬度較高，塑性、韌性較好。

三、鐵碳合金的基本組織

在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成化合物Fe₃C，碳也可以溶解在鐵中形成固溶體，或形成化合物與固溶體的機械混合物。因此，在鐵碳合金中會出現以下幾種基本組織。

1.鐵素體

碳溶于α-Fe中所形成的固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。碳在α-Fe中的溶解度極小，在727℃時的最大溶碳量為0.0218%。隨著溫度的降低，碳在α-Fe中的溶解度逐漸減小，室溫時降至0.006%。鐵素體的強度、硬度很低，其硬度值為50～80HBS，但它具有良好的塑性和韌性。

2.奧氏體

碳溶于γ-Fe中所形成的固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。碳在γ-Fe中的溶解度比在α-Fe中大得多，在727℃時的溶碳量為0.77%，而在1148℃時可達2.11%。奧氏體具有良好的塑性和較低的變形抗力。絕大多數鋼種在高溫下進行壓力加工和熱處理時，都要求在奧氏體區內進行。

3.滲碳體

滲碳體是鐵和碳的化合物，分子式為Fe₃C，含碳量為6.69%。滲碳體的硬度高（大于800HBW）、脆性大，塑性和沖擊韌度幾乎等于零，在鋼中起強化作用。含碳量越高，滲碳體所占比重越大，其強度、硬度越高，塑性、韌性越差。

4.珠光體

鐵素體和滲碳體組成的機械混合物稱為珠光體，用符號P表示。由于珠光體是硬的滲碳體片和軟的鐵素體片片層相間組成的混合物，故其力學性能介于兩者之間。珠光體的平均含碳量為0.77%，它的強度較好，硬度適中（約180HBS），并具有一定的塑性。

5.萊氏體

奧氏體和滲碳體組成的機械混合物稱為萊氏體，用符號Ld表示。由于奧氏體在727℃時轉變為珠光體，所以，727℃以下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，通常稱為低溫萊氏體，用符號L′d表示。萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高（約700HBW），塑性極差。

在鐵碳合金中一共有三個相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下，所有的鐵碳合金中只有兩個相，就是鐵素體和滲碳體。

四、鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖是表示在極其緩慢冷卻（或加熱）的情況下，不同成分的鐵碳合金在不同溫度，所具有的組織或狀態的圖形。目前，應用的鐵碳合金相圖是含碳量為0～6.69%的合金部分，因為含碳量大于6.69%的鐵碳合金在工業上無使用價值。所以，鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe₃C相圖，如圖1-23所示。

1.鐵碳合金相圖中的特性點

Fe-Fe₃C相圖中主要特性點的溫度、含碳量及含義見表1-1。

2.鐵碳合金相圖中的特性線

Fe-Fe₃C相圖中的特性線都是鐵碳合金組織發生轉變的臨界線，它們的物理意義如下所述。

① ACD線即液相線。合金冷卻到此線開始結晶，在此線以上是液態區（用L表示）。在AC線以下，從液體中結晶出奧氏體，在CD線以下，結晶出滲碳體（又稱一次滲碳體，即Fe₃C_I）。

② AECF線即固相線。合金冷卻到此線全部結晶為固態，此線以下為固態區。

在液相線與固相線之間為合金的結晶區域。這個區域內液體與固體并存，AEC區域內為液體和奧氏體，DCF區域內為液體和滲碳體。

③ AE線。含碳量小于2.11%的合金完成結晶，全部轉變為奧氏體。

④ GS線又稱A₃線。冷卻時奧氏體開始析出鐵素體的轉變線，也是加熱時鐵素體轉變為奧氏體的終了線。

⑤ ES線又稱A_cm線，是碳在γ-Fe中溶解度隨溫度變化的曲線。此線以下奧氏體開始析出滲碳體（又稱二次滲碳體，即Fe₃C_Ⅱ）。

⑥ ECF線稱為共晶線。合金冷卻到此溫度線（1148℃）時，在恒溫下發生共晶轉變，從液體中同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，即萊氏體。凡是含碳量超過2.11%的鐵碳合金，在ECF線上均發生共晶轉變。

⑦ PSK線稱為共析線，又稱A₁線。合金冷卻到此線發生共析轉變，奧氏體均轉變為珠光體。

五、鐵碳合金的分類

根據鐵碳合金相圖，按含碳量和室溫下顯微組織不同，將鐵碳合金分為三類。

1.工業純鐵

w_C<0.0218%，顯微組織為鐵素體+三次滲碳體（極少，一般可忽略不計）。

2.鋼

0.0218%<w_C<2.11%，按室溫顯微組織又分為以下幾種。

① 亞共析鋼：0.0218%<w_C<0.77%，組織為珠光體+鐵素體。

② 共析鋼：w_C=0.77%，組織為珠光體。

③ 過共析鋼：0.77%<w_C<2.11%，組織為珠光體+二次滲碳體。

3.白口鑄鐵

2.11%<w_C<6.69%，按室溫顯微組織又分為以下幾種。

① 亞共晶白口鑄鐵：2.11%<w_C<4.3%，組織為珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體。

② 共晶白口鑄鐵：w_C=4.3%，組織為低溫萊氏體。

③ 過共晶白口鑄鐵：4.3%<w_C<6.69%，組織為一次滲碳體+低溫萊氏體。

工程實踐中w_C＞1.5%的鋼幾乎沒有應用，所以通常將碳素鋼按w_C的高低進行分類，見表1-2。

由上述分析可知，不同成分的鐵碳合金，室溫組織不同。低碳鋼的組織多為鐵素體，強度、硬度較低，而塑性、韌性很高。隨著含碳量的增加，鋼的組織中鐵素體不斷減少，而珠光體不斷增加，導致強度、硬度提高，而塑性、韌性下降。當鋼的含碳量增加至0.9%時，其組織大多數是珠光體，且有尚未成為網狀的滲碳體作為強化相，使其強度達到最大值。隨著含碳量的繼續增加，鋼的組織中網狀滲碳體不斷增加，使其硬度繼續提高，而強度、塑性、韌性一起下降。為了保證鋼具有足夠的強度、硬度，又有一定的塑性、韌性，鋼中的含碳量一般不超過1.4%。

鋼的性能主要取決于含碳量，含碳量越低，鋼的強度和硬度越低、塑性和韌性越好。含碳量越高，鋼的強度和硬度越高、塑性和韌性越差。因此，低碳鋼的塑性、韌性好，但強度、硬度低，焊接性能好。中碳鋼的強度較高，塑性、韌性也較好，具有較好的綜合力學性能。高碳鋼硬而脆，塑性、韌性也差。

任務實施

一、鐵碳合金的基本組織及其力學性能

1.鐵素體

鐵素體的強度、硬度很低，其硬度值為50～80HBS，但它具有良好的塑性和韌性。

2.奧氏體

奧氏體具有良好的塑性和較低的變形抗力。

3.滲碳體

滲碳體的硬度高、脆性大，塑性和沖擊韌度幾乎等于零，在鋼中起強化作用。

4.珠光體

珠光體的力學性能介于鐵素體和滲碳體之間。

5.萊氏體萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高（約700HBW），塑性極差。

二、鐵碳合金相圖在選材方面的應用

Fe-Fe₃C相圖反映了鐵碳合金組織和性能隨成分的變化規律。因此，可以根據零件的工作條件和性能要求合理地選擇材料。

① 橋梁、船舶、車輛及各種建筑材料，需要塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼。

② 對工作中承受沖擊載荷和要求較高強度的各種機械零件，需要強度和韌性都比較好的材料，可選用中碳鋼。

③ 制造各種切削工具、模具及量具時，需要高的硬度、耐磨性，可選用高碳鋼。

④ 對于形狀復雜的箱體、機器底座等，可選用熔點低、流動性好的鑄鐵材料。

三、鐵碳合金相圖在熱處理工藝方面的應用

由Fe-Fe₃C相圖可知，鐵碳合金在固態加熱或冷卻過程中均有相的變化。所以，鋼可以進行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。此外，奧氏體有溶解碳和其他合金元素的能力，而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進行滲碳和其他化學熱處理的原因。