3.4.1.1　铁碳合金的组元

1．Fe

铁是元素周期表上第26个元素，相对原子质量为55.85，属于过渡族元素。铁在常压下于1 538 °C熔化，2 740 °C汽化。铁的密度是7.87 g/cm3。

固态的铁，在不同温度范围具有不同的晶体结构（多形性）。铁在室温下具有体心立方点阵，称为α铁，它是铁磁性的。

一般工业纯铁在室温时的力学性能如下：

屈服强度（Re）：100～170 MPa；

抗拉强度（Rm）：180～230 MPa；

伸长率（A）：30%～50%；

面缩率（Z）：70%～80%；

冲击韧度（ak）：128～196 J/cm2；

硬度：50～80 HB。

总的来看，在室温下纯铁非常柔韧，易变形，强度、硬度低，随着温度升高，在 770 °C 发生α铁的磁性转变。在 770 °C（居里点）以上，α铁由铁磁性转变为顺磁性。在铁碳相图中，α铁的磁性转变称为A2转变，转变温度（770 °C）标为A2。在发生磁性转变时，铁的点阵并不改变，磁性转变不属于相变。

非铁磁性的α铁能保持稳定到 912 °C，在此温度以上可转变为具有面心立方点阵的铁，称为γ铁。转变称为A3转变，转变的平衡临界点称为A3点。

温度继续升高，超过 1 394 °C 时，纯铁再次转变为体心立方点阵的铁，称为δ铁，它能一直保持稳定到铁的熔点 1 538 °C。转变称为A4转变，平衡临界点称为A4点。在1 538 °C以上，纯铁由固态变为液态。

大部分纯金属固态下只有一种晶体结构，但也有少数纯金属（如Fe、Mn、Ti、Co、Sn、Zr等）固态下在不同温度或不同压力范围内具有不同的晶体结构，这种性质称为晶体的多晶性。具有多晶性的金属在温度或压力变化时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为多晶性转变或同素异构转变。当发生同素异构转变时，金属的许多性能将发生突变。同素异构转变对金属能否通过热处理来改变其性能具有重要意义。

纯铁的多晶性转变有很大的意义。因为钢的性能的多样化是由于能够对它进行合金化热处理，而合金化的基础和热处理的可能性来源于铁碳合金的固态相变，后者来源于铁的多晶性转变。

纯铁从液态缓慢冷却到室温得到的冷却曲线如图3.33所示。

图3.33　纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

2．Fe3C

Fe3C 是 Fe 与 C 的一种具有复杂结构的间隙化合物（见图 3.34），通常称为渗碳体，可用符号Cm来表示。渗碳体具有金属特性，属于复杂间隙化合物。

图3.34　渗碳体结构示意图

渗碳体的熔点为1 227 °C，在230 °C以下具有铁磁性，通常用A0表示此临界点。(www.daowen.com)

渗碳体能溶解其他元素形成固溶体。这种以渗碳体为基的固溶体称为合金渗碳体，写作（Fe ，Me）3C 。合金钢中常有合金渗碳体出现。

渗碳体的力学性能特点是硬而脆，大致性能如下：

抗拉强度（Rm）：30 MPa；

伸长率（A）：0；

面缩率（Z）：0；

冲击韧度（ak）：0；

硬度：800 HB。

渗碳体根据生成条件不同，有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。

渗碳体是一个亚稳定相，在高温长时间保温的条件下，渗碳体会按照以下反应发生分解，形成石墨：

Fe3C→3Fe＋C（石墨）

可见，铁碳相图具有双重性，即一个是Fe-Fe3C亚稳系相图，另一个是Fe-C（石墨）稳定系相图，两种相图各有不同的适用范围。

3．C

碳在铁碳合金中有3种存在形式：

①碳作为间隙原子溶入纯铁的3种同素异晶体中，形成3种间隙固溶体。

②超过固溶体的固溶度后，C与Fe形成化合物。

③ C以游离态的石墨存在（Fe-Fe3C相图中无石墨）。

3.4.1.2　铁碳合金中的相

Fe-Fe3C相图中除了液相L和化合物Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：

1．δ相

δ相又称高温铁素体，是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在 1 394～1 538 °C内存在，在1 495 °C时溶碳量最大，为0.09%。

2．γ相

γ相常称奥氏体，用符号 A 或γ表示，是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格，在 727～1 495 °C 内存在。奥氏体中碳的固溶度较大，在 1 148 °C 时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。

3．α相

α相也称铁素体，用符号F或α表示，是碳在α-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在912 °C以下存在。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为 0.000 8%，600 °C 时为 0.005 7%，在 727 °C时溶碳量最大，为0.021 8%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其力学性能与工业纯铁大致相同。