铁碳合金的基本组织与铁碳相图
一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能(强度、硬度较低，耐磨性都比较低)，难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。

一、合金的基本概念
1、合金
合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。

如黄铜是铜和锌的组成合金;碳钢是铁和碳组成的合金;硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。

合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。

另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。

2、组元
组成合金的基本的物质称为组元。

组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元;铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。

有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。

3、合金系
给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。

由两个组元构成的称为二元系，由三个组元构成的称为三元系等。

另外，也可由构成元素来命名，如铁碳合金。

4、相
相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。

其中包括固溶体、金属化合物及纯物质(如石墨)。

5、组织
组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。

金属材料的组织不同，其性能也就不同。

二、合金的相
根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。

1、固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。

例如铁碳合金中，α铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。

根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。

置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的。

间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的。

因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。

2、金属化合物
金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。

金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。

当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。

金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。

3、机械混合物
机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。

各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。

三、纯铁的同素异构转变
固态金属随温度变化而发生晶格改变的现象，称为同素异构转变。

纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示，可见，纯铁在1538℃结晶后，具有体心立方晶格，称为δ铁;当冷却到1394℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格的δ铁转变为面心立方晶格的γ铁;继续冷却至912℃时，再次发生同素异构转变，又由有面心立方晶格的γ铁转变成了具有体心立方晶格的α铁。

再继续冷却时晶格类型不再发生变化。

同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。

同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基的钢铁材料中，这是钢铁材料性能呈多种多样、用途广泛，并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。

金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一个重要结晶过程。

因此，它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度;转变时需要过冷;有潜热产生;转变过程也括晶核的形成和晶核的长大两阶段
四、铁碳合金的相
在固态铁碳合金中，铁和碳的相互作用有两种：一是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体，如铁素体与奥氏体;二是铁和碳原子按一定的比例相互作用形成金属化合物，如渗碳体。

铁素体、奥氏体、渗碳体均是铁碳合金的基本相。

1、铁素体(F)
碳溶于α铁中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α表示。

它仍保持α铁的体心立方晶格，由于体心立方晶格原子间的空隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时的最大溶碳量为Wc=0.0218%，在600℃是溶碳量约为Wc=0.0057%，室温下几乎为零Wc=0.0008%。

因此，其室温性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、
硬度不高(σb=180-280MPa,50-80HBS)，但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。

所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。

2、奥氏体(A)
?????碳溶于γ铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示。

它仍保持γ铁的面心立方晶格。

由于面心立方晶格原子间的空隙比体心立方晶格大，因此碳在γ铁中的溶碳能力比在α铁中要大些。

在727℃时的溶碳量为Wc=0.77%，随着温度的升高溶量增加，到1148℃是时达到最大Wc=2.11%。

奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为(σb约为400MPa,160-200HBS)，但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。

因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。

3、渗碳体
渗碳体具有复杂晶格的间隙化合物，分子式为Fe3C，其Wc=6.69%，是钢和铸铁中常用的固相。

熔点约为1227℃，渗碳全硬度很高(950-1050HV)，而塑性与韧性几乎为零，脆性很大。

渗碳体不能单独使用，在钢中总是和铁素体混在一起，是碳钢中主要强化相。

渗碳体在钢和铸铁中存在形式有片状、球状、网状、板状，它的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能影响很大。

渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。

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