概述铁碳合金的基本分类（铁碳合金简介）

铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，应用广泛。接下来将从其合金基本组织、铁碳合金相图及其应用等方面进行简单介绍。

一、基本组织

主要有两个知识点：同素异构转变和铁碳合金的基本组织。

1、纯铁的同素异构转变：

大多数金属结晶后晶格类型不再变化，但少数金属（如铁锰钴）结晶后随温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度或压力变化的特性称为同素异构转变。

纯铁具有同素异构转变的特性，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的依据。其在发生同素异构转变时，由于晶格结构发生变化，体积也改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。

2、铁碳合金中含有质量分数为0.1%~0.2%杂质的称之为工业纯铁，其塑性好、导磁性能好，但强度低，不宜制作零件。

为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳元素，由于铁和碳的交互作用，可形成以下五种基本组织：

(1)、铁素体：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示，为体心立方晶格结构，晶格间隙小、溶碳能力差，在727℃时最大含碳量0.0218%，室温降至0.0008%。

由于溶碳量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度好，强度和硬度较低；

(2)、奥氏体：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示，为面心立方晶格结构，晶格间隙大、溶碳能力比铁素体强，在727℃时最大含碳量0.77%，1148℃时为2.11%。

奥氏体强度和硬度较低，但塑性良好，是多数钢在高温下进行压力加工的理想组织；

(3)、渗碳体：是铁和碳组成的具有复杂斜方结构的间隙化合物，用Fe3C表示。其中碳的质量分数为6.69%，硬度高（800HBW），塑性韧性几乎为0。主要作为合金中的强化相存在；

(4)、珠光体：是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示。在缓慢冷却条件下，其中的含碳量为0.77%，力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合性能良好；

(5)、莱氏体：是含碳量为4.3%的合金，缓慢冷却至1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织，用Ld表示。冷却至727℃时奥氏体转变为珠光体，所以室温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体。

由于大量渗碳体的存在，性能与渗碳体相似，硬度高、塑性差。

二、铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示在缓慢冷却的条件下，表明铁碳合金成分、温度、组织变化规律的简明图解，也是选择材料和制定有关热加工工艺时的重要依据。

由于含碳量大于6.69%时的铁碳合金脆性极大，在工业生产中没有使用价值，所以只研究小于此比例的部分。含碳量为6.69%对应的正好全是渗碳体，将其看作一个组元，实际研究的Fe-Fe3C相图，相图的左上部分实用意义不大，简化后便得到了简化的Fe-Fe3C相图，如图1和图2所示（基本内容相同，表现形式不同）。

图1 简化的Fe-Fe3C相图1

图2 简化的Fe-Fe3C相图2

图中横坐标为碳的质量百分数，纵坐标为温度，包含了共晶和共析（见文末Note1）两种典型反应。

几个典型点的意义：

A点：1538℃，含碳量为0，为纯铁的熔点；

C点：1148℃，含碳量为4.3%，为共晶点，莱氏体与奥氏体和渗碳体的转变；

D点：1227℃，含碳量为6.69%，渗碳体的熔点；

E点：1148℃，含碳量为2.11%，碳在γ-Fe中的最大溶解度；

G点：912℃，含碳量为0，纯铁的同素异构转变点；

P点：727℃，含碳量为0.0218%，碳在α-Fe中的最大溶解度；

S点：727℃，含碳量为0.77%，为共析点，奥氏体与铁素体和渗碳体的转变。

几条特性线的意义：

ACD：液相线；

AECF：固相线；

GS：常称为A3线，冷却时不同含量的奥氏体中结晶铁素体的开始线；

ES：常称为Acm线，碳在奥氏体中的固溶线；

ECF：共晶线；

PSK：共析线。

依据典型点线的分析，可将相图分为四个单相区：L、A、F、Fe3C；五个双相区：L A、A F、L Fe3C、A Fe3C、F Fe3C。

三、相图的应用

铁碳合金在室温的组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，随含碳量增加，铁素体不断减少，渗碳体逐渐增加，且由于形成条件不同，渗碳体的形态和分布有所变化。

随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性和韧性下降。这是由于组织中渗碳体增多，铁素体量不断减少的缘故。

工业用钢含碳量一般不超过1.3%~1.4%，超过2.11%的白口铸铁，组织中由大量渗碳体的存在，使性能硬而脆，难以切削加工，一般以铸态使用。

相图的应用主要有两个：

1、选材的主要依据：相图表明了钢铁材料成分和组织的变化规律，据此可判断出力学性能的变化特点，为选材提供依据；

2、制定各种热加工工艺的主要依据：

铸造生产中，可根据相图估算出钢铁材料的浇铸温度，一般在液相线以上50~100℃；通常选择共晶成分的合金作为铸造合金；

锻造工艺中，可作为确定钢的锻造温度范围的依据；

焊接工艺中，焊缝及周围热影响区受到不同程度的加热和冷却，组织和性能发生变化，相图可作为研究变化规律的理论依据；

热处理工艺中，相图是制定各种热处理工艺加热温度的依据。

Note1、共晶和共析：

共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应；

共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应；

二者的共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态；

二者的不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应，共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应。

Note2、铁碳合金分类：

根据含碳量和室温组织的特点，可分为三类：

(1)、工业纯铁：含碳量不大于0.0218%；

(2)、钢：0.0218%≤含碳量≤2.11%，特点是高温固态组织为奥氏体；

(3)、白口铸铁：2.11%＜含碳量＜6.69%，特点是高温均发生共晶反应生成莱氏体。

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