1.1 铁碳合金中的组元及基本相

1.1.1 纯铁

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。

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。

1.1.2 铁与碳的化合物

当铁碳合金中的含碳量超过铁的固溶度时，将形成碳化物。铁和碳可以形成一系列碳化物，表1-1^[1]列举了铁碳化合物的类型及其晶体学参数。从Fe-Fe₃C相图来看，在临界点A₁以下，平衡相只有F和θ-Fe₃C，但是在非平衡相变中，可能形成χ-Fe₅C₂、ε-Fe_2.4C等碳化物，它们是不稳定的，是θ-Fe₃C的过渡相。

表1-1 铁碳化合物的类型及其晶体学参数

1.η-Fe₂C

η-Fe₂C的晶胞结构如图1-3所示，它以碳原子体心正交结构作为构架，铁原子以类似八面体的形状处于碳原子周围。片状的η-Fe₂C在α相基体上常沿着位错线析出，与基体存在晶体学位向关系，片厚仅为3～5nm。

2.θ-Fe₃C和χ-Fe₅C₂

铁在碳素钢中形成θ-Fe₃C，而在合金钢中，有些碳化物形成元素在渗碳体中具有一定溶解度，故形成合金渗碳体θ-（Fe，M）₃C。渗碳体是一种具有复杂晶体点阵的间隙化合物，属于正交晶系，是铁碳相图中的基本相。在渗碳体每个晶胞中有12个铁原子，碳的质量分数为6.67％，其晶体结构如图1-4a所示，每个碳原子由六个紧邻铁原子围绕。

图1-3 η-Fe₂C的晶胞结构

渗碳体的各个铁原子之间以金属键结合。铁原子和碳原子之间键的性质以金属键为主，存在共价键。渗碳体具有金属特性，如导电性、金属光泽等。渗碳体中能溶解其他元素形成固溶体，在形成固溶体时小原子（如氮）处于碳原子的位置，金属原子（如锰、铬等）处于铁原子的位置。这种以渗碳体为基的固溶体称为合金渗碳体，记为（Fe、Me）₃C。

渗碳体（θ-Fe₃C）并不是真正的平衡相，在较高温度回火时，长时间保温最终会转变为铁素体＋石墨。

渗碳体的硬度很高（≈800HBW），但塑性很差，特别是在游离状态下，其塑性几乎等于零。渗碳体在低温时略有铁磁性，此铁磁性在230℃以上消失。在铁碳相图中渗碳体的磁性转变温度标注为A₀（230℃），渗碳体的熔点为1227℃。

χ碳化物一般用化学式χ-Fe₅C₂表示，具有底心单斜点阵。χ-Fe₅C₂的晶体结构与θ-Fe₃C相似，同属于所谓三棱柱型的间隙化合物，其晶体结构如图1-4b所示。铁原子构成三棱柱的六个顶点，碳原子位于中间的间隙位置。这类间隙化合物复杂的晶胞是由三棱柱堆垛而成的，所以三棱柱是其结构的最小单元。

图1-4 θ-Fe₃C、χ-Fe₅C₂晶格的三棱柱单元及其特征参数

a）θ-Fe₃C b）χ-Fe₅C₂

θ-Fe₃C的热力学稳定性比χ-Fe₅C₂和ε-Fe_2.4C的都要高，所以在温度和时间许可的条件下，χ-Fe₅C₂和ε-Fe_2.4C都将转变为θ-Fe₃C。

从热力学上讲，θ-Fe₃C也非充分稳定，在较高温度长时间保温的条件下，θ-Fe₃C终将分解，转变为铁和石墨，即θ-Fe₃C→3Fe＋G（石墨）。可见，相对于石墨而言，θ-Fe₃C也是一个亚稳相。

3.ε-碳化物

ε-Fe_2.4C也是钢中经常出现的碳化物。ε-Fe_2.4C于20世纪50年代初测定，直到20世纪70年代人们也未加怀疑。以后有人测定出η-Fe₂C，认为ε-Fe_2.4C就是η-Fe₂C，因而出现六方和正交之争。目前，人们还在不同钢中进行逐一测定，尚不能得出确切的结论。

ε-碳化物的成分约在ε-Fe_2.4C附近变化，是亚稳相，当温度升高时，或经过较长时间等温时，将转变为热力学上较为稳定的θ-Fe₃C和χ-Fe₅C₂。在ε-碳化物中也能够溶入某些合金元素。ε-碳化物的居里点为370℃。