纯铁的晶体结构及相变规律

铁（Fe）是元素周期表中的第26个元素，其相对原子质量为55.85，属于过渡族元素。铁在常压下于1538℃熔化，其密度为7.87g/cm³。

1.铁的同素异构转变

铁具有多晶型性，如图1-1所示。从图1-1中可以看出，纯铁在1538℃结晶为δ-Fe，它具有体心立方晶格。当温度继续冷却至1394℃时，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，通常把的转变称为A₄转变，临界点为A₄。当温度继续降至912℃时，面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe，把γ-Fe的转变称为A₃转变，临界点为A₃。在912℃以下，铁的晶体结构不再发生变化。因而，铁具有三种同素异构状态，即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe。

铁的多型性转变是钢中复杂多变的固态相变的根源，它是钢的合金化和热处理的基础，具有理论意义和实际价值。

图1-1 纯铁的冷却曲线及相变

纯铁的室温组织是纯铁经过结晶和固态相变以后得到的结果。纯铁从液态缓慢冷却至室温，经历了液体结晶到δ-Fe→γ-Fe→α-Fe的固态转变，得到等轴状的α-Fe晶粒组织，如图1-2所示。

2.铁素体与奥氏体

铁素体是碳溶于α-Fe的间隙中所形成的间隙固溶体，为体心立方结构，常用符号F或α表示。奥氏体是碳溶于γ-Fe的间隙中所形成的间隙固溶体，为面心立方结构，常用符号A或γ表示。铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相。(www.xing528.com)

铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多，奥氏体的最大溶碳量（质量分数，下同）为2.11％（1148℃），而铁素体的最大溶碳量仅为0.0218％（727℃），室温时铁素体基本上是不溶碳的（w_C＝0.00004％）。

碳溶于体心立方晶格的δ-Fe的间隙中所形成的间隙固溶体称为高温铁素体，以δ表示，其最大溶碳量为0.09％（1495℃）。

铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点为770℃（A₂）；奥氏体的塑性好，具有顺磁性。

图1-2 纯铁的室温组织

3.纯铁的性能与用途

工业用纯铁含有微量的碳及其他杂质，碳对纯铁的力学性能具有相当大的影响，一般纯铁中碳的质量分数为0.001％～0.005％。

纯铁在室温时的力学性能：屈服强度为128～206 MPa；抗拉强度为275～314MPa；断后伸长率为30％～50％；断面收缩率为70％～80％；冲击韧度为1275～1962kJ/m²；硬度为70～80HBW。室温下纯铁的塑性和韧性非常好，但强度低，所以很少用作结构材料。纯铁是具有高磁导率的软磁材料，可利用其铁磁性制造仪器仪表的铁心等。