金属材料结晶组织及性能

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第496页（3440字）

铁碳合金是现代工业生产中应用最广泛的金属材料，它包括各种碳钢和铸铁，含碳量小于2．11%的是钢，大于2．11%的是生铁，生铁只能作为炼钢、炼灰铸铁的原材料。

(一)铁碳合金状态图

铁碳合金状态图实际上是将各种不同成分的铁碳合金(含碳量小于6．69%)，在极其缓慢的加热或冷却条件下，应用热分析法得到铁碳合金化学成分(横坐标)、温度(纵坐标)与组织之间的关系图，又称铁碳合金相图，如图7－1所示。

图7－1 Fe－Fe₃C合金状态图

从铁碳合金状态图中可以了解到含碳量、温度与结晶组织之间的关系，所以它是研究铁碳合金及制定热加工和热处理工艺的重要依据。

1．Fe-Fe₃C状态图中点线区的意义

(1)状态图中的特性点：Fe-Fe₃C状态图中各特性点的符号、温度、含碳量及物理意义列于表7－1中。

表7－1 Fe－Fe₃C状态图中各特性点及意义

(2)状态图中的特性线与区：状态图中的线条是若干个合金发生组织转变的曲线，即不同成分合金的连线，如表7－2和表7－3所示，有5条曲线、2条水平线，4个单相区、5个双相区和2个三相区。

表7－2 Fe-Fe₃C状态中特性线及意义

表7－3 Fe-Fe₃C状图中的区域及其组成物

其中ECF水平线为共晶转变线，在此水平线上恒温下发生共晶反应，即从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物(A+Fe₃C)，称为高温莱氏体。

PSK水平线为共析转变线，在此水平线上恒温下发生共析反应，即从单固相奥氏体转变成双固相铁素体和渗碳体的机械混合物(F+Fe₃C)，称为珠光体。

根据碳合金状态图上所示区域的组织，可得知某一成分合金在加热或冷却到某一温度时的状态和组织。例如，含碳量为0．45%的钢，加热到950℃时，从状态上按照成分及温度找到此点在奥氏体区域内，即表示此钢这时的组织是奥氏体。

2．Fe-Fe₃C状态图中合金的分类

根据状态图上的P、E两点，可将铁碳合金分为工业纯铁、碳钢和生铁三类。其中碳钢和生铁又可各分为三种。因此，状态图上共有七种典型合金，纯铁和钢的含碳量、室温组织和性能特点如表7－4所示，由于生铁是常用于炼钢、炼铁的原材料，这里不再介绍其成分、组织及性能。

表7－4 纯铁和钢的分类、组织、性能及应用

(二)钢的基本组织及性能

1．铁素体(F)

铁素体是碳溶于体心立方晶格α-Fe中的间隙固溶体。在室温时溶碳量几乎等于零，而在727℃时溶碳量也仅为0．0218%，因此铁素体的组织、性质与工业中应用的纯铁相近，强度、硬度较低，塑性、韧性很好(σ_b=180～230MPa、HBS=50～80、δ=30%～50%、a_k=160～200Jcm²)，其作为钢的基体组织最适于形变加工。

工业中应用的纯铁是含有0．10%～0．20%(质量分数)杂质的铁素体(F+Fe₃C_Ⅲ)，其熔点为1538℃，在1394℃和912℃温度下发生两次同素异构转变，在1394．～912℃具有面心立方晶格(即γ-Fe)，在912℃以下具有体心立方晶格(即α-Fe)，并在770℃以下具有磁性为铁磁物质，770℃以上磁性消失为顺磁性物质。770℃为铁的磁性转变温度，又称居里点，常用A₂表示。

工业纯铁的塑性、韧性好，易于加工变形，但强度、硬度较低，很少用作钣金零件，主要用于电工及仪器仪表行业。

2．奥氏体(A)

奥氏体是碳溶于面心立方晶格γ-Fe中的间隙固溶体。由于γ－Fe的空隙比α-Fe大，所以奥氏体溶碳的能力比铁素体大，在727℃时溶碳量为0．77%，而在1148℃时溶碳量可达2．11%，然而一般钢中奥氏体只有在727℃以上才存在，且在高温下的强度、硬度较低，但塑性、韧性很高，所以钢材在727℃以上的高温下塑性变形加工才得以进行。

3．渗碳体(Fe₃C)

在铁碳合金中，当碳的含量超过碳在铁中的溶解度时，多余的碳就以Fe₃C的形式存在，这就是钢中含碳量增高时硬度能提高的基本原因。

渗碳体是铁与碳形成的化合物Fe₃C，具有复杂的晶体结构。在钢中通常作为强化相以片状、网状、粒状分布在铁素体基体上。渗碳体含碳量为6．69%，熔点为1227℃，不发生同素异构转变。渗碳体硬度很高，约为800HBW，能轻易刻划玻璃，而塑性、韧性极差(δ、ψ、a_k均几乎为零)。

若渗碳体中的铁原子部分地被锰、铬等原子所替代，或碳原子部分地被氮、硼等原子所替代，则形成(Fe、Mn)₃C、(Fe、Cr)₃C或Fe₃(C、N)等合金渗碳体。

4．珠光体(P)

珠光体是由铁素体和渗碳体薄层交替重叠的层状混合物(图7－2)，其含碳量为0．77%，铁素体占大部分，渗碳体则不到1／8。在高倍显微镜下可以清楚地看到渗碳体呈条状(侧面)分布于铁素体基体上，放大倍数较低时则呈层片状组织。

图7－2 珠光体显微组织

(三)铁碳合金状态图的应用

1．根据状态图选择材料

由表7－5可知，合金含碳量不同，其组织和性能不同，且随含碳量的增加，铁碳合金中韧性相(F)的量逐渐减小，脆硬相(Fe₃C)的量逐渐增多，塑、韧性逐渐降低，强度、硬度逐渐升高。

表7－5 铁碳合金的组织、性能变化规律

当含碳量增至0．77%C时，因Fe₃C_Ⅱ沿晶界析出，使强度的升高趋势减缓；当含碳量增至1．0%时，Fe₃C_Ⅱ沿晶界逐渐形成完整的网状形态，使强度从最大值呈迅速降低趋势。

因此，常用钢的含碳量一般不超过1．4%，并根据用途和性能要求不同，可选用适当含碳量的合金(表7－6)。

表7－6 根据铁碳合金的含碳量选择材料

2．根据状态图制定热成型工艺

各种成分的铁碳合金在各种温度的存在状态，以及在加热和冷却过程中的组织变化，都可通过图7－1表示出来。因此，铁碳合金相图不仅是热处理工艺制定的重要依据之一，还可作为制定铸、锻、轧、焊等热成型工艺的重要依据，如表7－7所示。

表7－7 根据铁碳合金状态图制定成型工艺