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第三章 钢的热处理 3-1 铁碳合金的结构及相图 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的δ-Fe,随后又有两次同素异构转变，即面心立方格的γ-Fe和体心立方格的α-Fe 。 碳溶入α-Fe和γ-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称做渗碳体。 碳原子溶入α-fe 中所形成的固溶体称做高温铁素体。它在1400℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。 一、铁碳合金的基本相和组织1、铁素体 碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的α-Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁素体对碳的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下： 2、奥氏体 碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方格的γ-Fe的间隙半径为0.052nm，比α-Fe的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃时是0.77%。 奥氏体是727℃以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号A表示。 3、渗碳体 渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为Fe3C，含碳量6.69%。 渗碳体的硬度很高，HV800，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。 在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。 二、铁 碳 合 金 相 图1、相图的组成 在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金性能极脆，没有使用价值。因此只研究Fe—Fe3C，即含碳量小于6.69%这一部分，通常称为Fe—Fe3C相图，也称铁碳合金相图。 在Fe—Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但它是在1400℃以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。Fe—Fe3C相图可简化为图2-2的形式。 L4.3 A2.11 +Fe3C 2、相图中点、线和相区的意义 珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下： 铁碳合金下图中各主要线的意义是： PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在727℃时，可溶解碳0.0218%，在室温仅能溶解碳0.008%。故一般铁碳合金凡是从727℃缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3CIII）。 3、铁碳合金的分类及室温组织 工程上使用的铁碳合金分为钢和铸铁两大类，它们的区别在于所含碳量不同。含量碳量小于2.11%的，称为铸铁。 3.1 共析钢 图2—3中合金①称为共析钢，其含碳量为0.77%。 当温度在1点以上时，合金为液相； 温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体； 温度降至1～2点之间时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC 变化，奥氏体的成分 沿AE线变化。 当温度降至2点时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至2～3点之间时，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。 温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe3C的共析组织，即珠光体P。 珠光体是在727℃恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含量碳量从0.025降至几乎为零，碳则以微量三次渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。 3.2 亚共析钢 含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。 以图2—3中合金⑵为例，亚共析钢的结晶过程，如图2—6所示。 合金从液相冷却到1.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织； 温度继续降至2—2点之间时，奥氏体组织不变； 当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大； 温度降至4点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为4S/（PS），其成分沿着GP线变化至P点（