熟悉铁碳合金基本组织与性能

【情境导入】

如图6-23所示的管件是由铁碳合金制成，铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。钢铁材料适用范围广的主要原因是其可用的成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁，在此范围内合金的相结构和微观组织发生很大的变化，采用各种金属热处理技术，可以大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。铁碳合金的组织有几种?不同组织具有哪些性能?

图6-23　管件

【讲一讲】

铁碳合金的基本组织

钢铁材料是现代工业中应用最为广泛的金属材料，其中碳钢和铸铁都是铁和碳的合金。在铁碳合金中，碳与铁可以形成固溶体，也可以形成化合物，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种基本相及组织。

1.铁素体

碳溶解于体心立方晶格的α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示，如图6-24所示。由于α-Fe晶格间隙较小，所以铁素体溶碳量很小，727℃时碳在α-Fe中的溶解度最大质量分数为0.021 8%，室温时溶解度几乎为零(WC=0.000 8%)。铁素体性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低。铁素体的显微组织如图6-25所示。

图6-24　铁素体的模型

图6-25　铁素体的显微组织

2.奥氏体

碳溶解于面心立方晶格的γ-Fe中形成的间隙固溶体为奥氏体，用符号A表示，如图6-26所示。由于γ-Fe晶格间隙较大，故奥氏体溶碳能力较强。727℃时碳在奥氏体中的溶解度为WC=0.77%，随着温度的升高，溶解度逐渐增大，在1 148℃时达到WC=2.11%。奥氏体存在于727℃以上的高温范围内，且呈面心立方晶格，具有良好的塑性，大多数钢材要加热到高温奥氏体状态进行塑性变形加工。当铁碳合金缓慢冷却到727℃时，奥氏体转变为其他类型的组织。奥氏体的显微组织如图6-27所示。

图6-26　奥氏体的模型

图6-27　奥氏体的显微组织

3.渗碳体

渗碳体是一种具有复杂晶体结构的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，与铁和碳的晶体结构完全不同，如图6-28所示。渗碳体的性能特点是高熔点(1 227℃)、高硬度(950～1 050HV)，断后伸长率和冲击韧度几乎为零。

图6-28　渗碳体的晶胞示意图

渗碳体没有同素异构转变，但有磁性转变，在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去磁性。在适当的条件下(如高温长期停留或极缓慢冷却)，渗碳体可分解为铁和石墨，这对铸铁的生产具有重要意义。(www.xing528.com)

4.珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变，形成渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物，其平均碳的质量分数为0.77%，如图6-29所示。在珠光体中铁素体和渗碳体仍保持各自原有的晶格类型，珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度和塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织。

图6-29　珠光体组织

(a)光学显微镜观察组织；(b)电子显微镜观察组织

5.莱氏体

莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号L′d表示，由碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金在凝固过程中发生共晶转变形成。当温度降到727℃时，奥氏体将转变为珠光体，所以在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用符号L′d表示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。如图6-30所示，莱氏体的显微组织可以看成在渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体(或珠光体)。

上述5种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相；珠光体、莱式体则是由基本相组成的多相组织。铁碳合金的基本组织和力学性能见表6-3。

图6-30　低温莱氏体的显微组织

表6-3　铁碳合金的基本组织和力学性能

【议一议】

活动：识记5种铁碳合金显微组织结构。

【做一做】

简答题

1.列举铁碳合金5种组织对应实例。

2.列举一种金属材料的热处理过程并分析各个过程合金组织成分。

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

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