合金渗碳体

铁碳合金包括碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218％～2.11％的铁碳合金称为钢，而含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合金称为铸铁。含碳量大于Fe3C成分 （6.69％）时，合金太脆，已无实用价值。

材料史话

中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在商朝 （距今3000多年前）青铜（铜锡合金）工艺就已非常发达，公元前6世纪左右 （春秋晚期）已锻打 （还进行过热处理）出锋利的剑 （钢制品）。越王勾践的青铜剑就是采用硫化技术处理的合金宝剑，出土后剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。

铁碳合金的组元

铁是过渡元素，密度为7.87g／cm3，熔点为1538℃，纯铁从液态结晶出固态高温铁素体后，继续冷却到1394℃，结晶出奥氏体，再继续冷却到912℃，结晶出铁素体，即发生两次同素异构转变，详见第二章第三节。

工业纯铁的力学性能：抗拉强度σb为180～230MPa，条件屈服强度σ0.2为100～170MPa，硬度为50～80HB，伸长率δ为30％～50％，断面收缩率ψ为70％～80％，冲击韧度ak为1600～2000k J／m2。

Fe3C称渗碳体，含碳6.69％，也可用Cm表示，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格 （图3-3）。

图3-3 Fe3C复杂斜方晶格

Fe3C是一个亚稳相，在高温等一定条件下可发生分解反应：Fe3C→3Fe＋C（石墨），该反应对铸铁有着重要意义。但碳在α-Fe中的溶解度很小，因此常温下碳在铁碳合金中主要是以Fe3C或石墨的形式存在。

渗碳体的硬度高，强度低，脆性大，塑性几乎为零。其力学性能具体如下：抗拉强度σb为30MPa，硬度为800HB，伸长率δ为0，断面收缩率ψ为0，冲击韧度ak为0。

铁碳合金的相

1.铁素体

碳原子半径较小，可在α-Fe或δ-Fe中进入铁原子的间隙而形成间隙固溶体。

α铁素体是指碳在α-Fe中的固溶体，用F或α表示。但铁素体的碳的溶解能力很低，在727℃时最大溶解度为0.0218％，室温下仅为0.0008％。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似 （图3-4）。

δ铁素体又称为高温铁素体，是指碳在δ-Fe中的固溶体，用δ表示。

两者都是体心立方间隙固溶体。

图3-4 铁素体

2.γ相

γ相称为奥氏体，碳在γ-Fe中的面心立方间隙固溶体，可用γ或A这两种符号来表示。γ-Fe的原子间隙比α-Fe大，因此奥氏体的溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大溶解度为2.11％。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直 （图3-5）。其力学性能强度低、塑性好，钢材热加工都在γ区进行。碳钢室温组织中没有奥氏体。

图3-5 奥氏体

3.Fe3C相

Fe3C相是一个化合物相，可根据不同的生成条件产生片状、粒状、网状等形态（图3-6），对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体静态结构非常复杂，属于正交晶系。渗碳体具有高硬度、低塑性的特点，塑性几乎为零。但它被塑性优良的基体包围，在三向压应力作用下，还是可以显示出一定的塑性。

图3-6 钢中的片状渗碳体

练习与实践

一、名词解释

铁素体 奥氏体 渗碳体

二、简述与实践题

1.铁素体、奥氏体和渗碳体的结构、组织形态、性能各有什么特点？

2.说明铁碳合金中各相的本质。