合金和铁碳合金的基础知识

在早先的加工与制造业中，纯金属虽然得到了一定的应用，但由于其除了具有较高的导电、导热性外，强度、硬度都比较低，而且冶炼困难，价格比较昂贵，在工业生产中广泛应用的是合金。合金就是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。工业生产中应用最为广泛的碳钢和铸铁就是由铁和碳组成的合金，硬铝是由铝、铜和镁组成的合金。

一般来说，组元可以是组成合金的元素及化合物，由两个组元组成的合金为二元合金，如碳钢；由3个组元组成的合金为三元合金，如硬铝；由3个以上组元组成的合金为多元合金，如超硬铝（由铝、铜、镁、锌组成的合金）。

由两种或两种以上的组元组成合金时，在液态下，这些组元能够彼此溶解而形成均匀的液体，在固态下根据组元间的作用不同，可能构成不同的晶体结构。在合金中，凡是具有相同的化学成分、相同的结构和原子聚集状态并与其他部分有明显界面分开的物质部分称为相。在固态时，合金的组织是由数量、大小、形态和分布方式不同的各种相组成的。

一、合金的组织结构类型

在液态下，大多数合金的组元均能相互溶解，成为一个均匀的液体，因而只具有一个液相。在凝固后，由于各组元的晶体结构、原子结构等不同，各组元间的相互作用不同，在固态合金中可能会出现不同的相组成的金属（相结构）结构，固态合金的基本相结构为固溶体和金属化合物。在具体合金中，由于化学成分和各组元之间的作用不相同，除单相的固溶体和单金属化合物外，还可能出现由固溶体、金属化合物等不同的相组成的混合物组织。

1.固溶体

生活中，大家都见过白糖溶入水中，充分溶解后便可以得到糖水，其中糖是溶质，水是溶剂；如果将糖水凝固成冰，就得到糖在固态水中的固溶体。同样道理，如果液态下组元间相互溶解的状态在凝固后仍能保留下来，即组元在固态下仍能彼此溶解，则可形成固溶体。与固溶体晶格相似的组元是固溶体的溶剂，溶入溶剂晶格中的组元即晶格消失了的组元是固溶体的溶质。根据溶质在溶剂中的分布状况，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。

（1）间隙固溶体

溶质原子不占据溶剂晶格节点位置，而处于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。

（2）置换固溶体

溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些节点位置所形成的固溶体称为置换固溶体。

无论是形成间隙固溶体还是形成置换固溶体，随着溶质含量的增加都会使溶剂的晶格发生畸变，使位错移动的阻力加大，塑性变形抗力增加，从而导致固溶体强度、硬度提高而塑性、韧性有所下降。由于溶质原子的溶入，而使固溶体强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是提高合金材料力学性能的重要手段之一。

2.金属化合物

金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。比如，碳钢中的Fe₃C就是铁和碳相互化合而形成的。金属化合物一般可用化学分子式来表示它的组成，它的晶格类型和性能不同于组成它的任一组元。金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬度高，脆性大，它能提高合金的强度、硬度和耐磨性，是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。

3.混合物(www.xing528.com)

由两种或两种以上的相，按一定的质量百分数组成的物质叫混合物。而各个组成相仍保持自己的性能和晶格结构，因此混合物的性能取决于各组成相的性能，以及各相的形状、大小和分布状况。

二、铁碳合金的基本组织

钢铁材料是工业生产中应用最为广泛的合金，它们是由铁和碳为基本组元组成的复杂合金。在铁碳合金中，碳可以溶入铁中形成固溶体，也可以与铁化合形成金属化合物，还可以形成化合物和固溶体的混合物。因此，在铁碳合金中会出现以下基本相及组织。

1.铁素体

铁素体是碳溶入α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号“F”表示。在铁素体中碳是溶质，α-Fe是溶剂，铁素体保持了α-Fe的体心立方晶格。铁素体的力学性能几乎和纯铁相同，也是强度、硬度不高但具有优良的塑性和韧性。

2.奥氏体

奥氏体是碳溶入γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号“A”表示。在奥氏体中碳是溶质，γ-Fe是溶剂，奥氏体保持了γ-Fe的面心立方晶格。这类晶体的最大间隙尺寸较铁素体大，因而碳在γ-Fe中的溶解度比在γ-Fe中的溶解度要大。奥氏体的强度硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳相互化合而形成的化合物，常用分子式“Fe₃C”来表示。它的晶格不同于铁和碳，而是形成了一种新的复杂的斜方晶体结构，它的含碳量为6.69％，熔点为1227℃（理论计算值），具有很高的硬度但脆性很大。渗碳体是碳钢的主要强化相，它的分布和形状对碳钢的性能影响很大。

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，在缓慢冷却的条件下，它的含碳量为0.77％。珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以其性能取决于渗碳体和铁素体的性能。一般认为珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。

5.莱氏体

莱氏体是含碳量为4.3％的液相在1148℃时，同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物，用符号“Ld”表示。因在727℃时奥氏体转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的，为了区别，727℃以上的莱氏体叫高温莱氏体，用“Ld”表示，727℃以下的莱氏体叫低温莱氏体，用“L′d”表示。莱氏体的性能与渗碳体类似，都是硬度高，脆性大。

在铁碳合金的组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是基本相，珠光体和莱氏体则是由基本相组成的多相组织。