铁碳合金的基本相和组织特征

在铁碳合金中，铁与碳两组元在液态下可以无限互溶，在固态下碳可以溶解在铁的晶格中形成固溶体，也可与铁发生化学反应形成金属化合物。铁碳合金的基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体，另外还有由两种基本相组成的多相组织珠光体和莱氏体。

2.3.1.1　铁素体

铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。由于体心立方晶格的间隙较小，所以碳在α-Fe中的溶解度很小，在727℃时α-Fe中最大溶碳量仅为0.021 8%。随着温度的降低，α-Fe中溶碳量减少，在600℃时约为0.005 7%，室温时仅为0.000 8%。由于铁素体的溶碳量极少，因此铁素体在室温的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性、韧性，但强度、硬度较低。

铁素体在显微镜下呈明亮的多边形晶粒组织，如图2-25所示。铁素体在770℃以下具有磁性。

图2-25　铁素体的显微组织

2.3.1.2　奥氏体

奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。由于面心立方晶格的间隙较大，所以碳在γ-Fe中的溶解度也较大，在1 148℃时溶碳量最大，达到2.11%。随着温度的降低，溶碳量逐渐减少，在727℃时溶碳量为0.77%。奥氏体的强度、硬度不高，但塑性、韧性较好，因此生产中，常将钢加热到奥氏体状态进行压力加工。

奥氏体是一个高温相，存在于727℃以上。奥氏体的显微组织也呈明亮的多边形，但晶界较平直，并且晶粒内常出现孪晶（图中晶粒内的平行线），如图2-26所示。奥氏体无磁性。

2.3.1.3　渗碳体

铁和碳所形成的金属化合物称为渗碳体，用化学式Fe3C表示。渗碳体具有复杂的斜方晶格，如图2-27所示。其碳的质量分数为6.69%，具有很高的硬度（相当于800 HBW），塑性和韧性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中，渗碳体常以片状、粒状或网状等形式与固溶体相共存，它是钢中的主要强化相，其数量、大小、分布和形态对钢的性能有很大影响。

图2-26　奥氏体的显微组织

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图2-27　渗碳体的晶体结构

渗碳体在230℃以下具有弱磁性，在230℃以上失去磁性。

2.3.1.4　珠光体

珠光体是由铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机械混合物，用P表示，如图2-28所示。珠光体中碳的质量分数为0.77%，其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

图2-28　珠光体的显微组织

2.3.1.5　莱氏体

莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示。莱氏体的含碳量为4.3%，存在于727℃以上。在727℃以下，莱氏体则是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体或变态莱氏体，用L′d表示。低温莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的珠光体，如图2-29所示。莱氏体硬度很高、塑性很差。

图2-29　低温莱氏体的显微组织

铁碳合金的基本相及组织的力学性能见表2-1。

表2-1　铁碳合金的基本相及组织的力学性能