铁碳合金的组织结构简介

图1-15 间隙固溶体

1.固溶体

有些合金的组元在固态时具有一定的相互溶解的能力，例如，一部分碳原子能溶解到铁的晶格内，铁是溶剂，碳是溶质，而合金的晶格仍保持铁原有晶格类型。这种溶质溶入溶剂晶格而保持溶剂晶格类型不变的金属晶体，称为固溶体。固溶体又有置换固溶体和间隙固溶体之分，如果溶质代替了部分溶剂原子，占据溶剂晶格某些结点位置时，所形成的固溶体称为置换固溶体；当溶质原子在溶剂晶格中不占据结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙所形成的固溶体称为间隙固溶体。铁碳合金中的固溶体都是碳溶入铁的晶格中的间隙固溶体，如图1-15所示。而碳的溶解度是有限的，属有限固溶体，碳在铁中的溶解能力取决于铁的晶格类型，并随温度的升高而增加。

碳溶入铁形成固溶体，溶剂铁的晶格产生不同程度的畸变，如图1-16所示。正是这种畸变使合金的塑性降低，强度、硬度有所增加，这就是所谓的固溶强化。

（1）铁素体 用符号“F”表示。它是碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体。它溶碳能力小，在727℃时最大溶解度为0.0218%。铁素体的性能接近纯铁，屈服强度约为250MPa，硬度约为80HBW，冲击韧度为45～50J/cm²，断后伸长率约为50%。铁素体的可锻性和焊接性都很好。铁素体在显微镜下为明亮的多边晶粒，但晶界曲折，如图1-17a所示。

（2）奥氏体 用符号“A”表示，它是碳溶入γ-Fe中所形成的间隙固溶体。因γ-Fe为面心立方晶格，原子间空间很大，所以它溶解碳的能力要比α-Fe高许多。在1148℃，最大溶解度为2.11%，随温度的降低溶碳能力也随之下降，当温度达到727℃时，碳的质量分数约为0.77%。在铁碳合金中，由于奥氏体是高温组织，强度、硬度都不高，但它的高温塑性特别好（断后伸长率约为50%），因此，在钢的轧制或锻造时，都要加热形成奥氏体状态，这时钢易于进行塑性变形，而且抗力小。冷却后就不是奥氏体了，变形就困难了，这就是趁热打铁的原因。奥氏体在显微镜下呈多边形晶粒，晶界较铁素体平直，并存有双晶节，如图1-17b所示。

图1-16 溶剂铁 产生晶格畸变

图1-17 铁碳合金的基本组织

a）铁素体 b）奥氏体

2.化合物

化合物是各组元按一定的整数比结合而成，并具有金属性质的均匀物质，它属于单相组织的金属化合物。需注意的是，金属化合物与金属中存在某些非金属化合物有着本质的不同，例如，钢和铁中存在的FeS、MnS，不具有金属性质，它属于非金属夹杂物。

金属化合物是铁和碳形成的化合物，通常把Fe₃C称为渗碳体，它具有复杂的晶格类型。(www.xing528.com)

渗碳体的性能：碳的质量分数高达6.69%。其性能是硬度很高，强度低，塑性差，韧性极差，断后伸长率接近于零，故不能单独使用，而是与铁素体、奥氏体等组成机械混合物。

渗碳体是钢种的强化相，其组织可呈片状、粒状、网状等不同形状。渗碳体的数量、形状和分布均对钢的性能有很大的影响。

渗碳体在一定条件下可发生分解，形成石墨，其反应式为

Fe₃C=3Fe+C

3.机械混合物

机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织。它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合。机械混合物各相保持原有的晶格，其性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还与各相的形状、大小和分布有关。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。

（1）珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示。

珠光体的性能：碳的质量分数为0.77%，由于渗碳体在混合物中起到了强化相作用，珠光体的性能比单一的铁素体的性能高了许多。珠光体的抗拉强度高（约为750MPa），硬度较高（约为180HBW），而且塑性和韧性比较好（断后伸长率为20%～25%，冲击韧度为30～40 J/cm²）。

珠光体在显微镜下呈片状，如图1-18所示，其中白色的为铁素体，黑色点状的为渗碳体。

（2）莱氏体 莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（A+Fe₃C），存在于727℃以上，用Ld表示。当高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变为珠光体和渗碳体组成的机械混合物（P+Fe₃C），称为低温莱氏体，用Ld′表示。

莱氏体中碳的质量分数为4.3%，因而莱氏体的性能与渗碳体相近，硬、脆，塑性接近零。

图1-18 珠光体