纯铁及其同素异构转变

一、纯铁及其同素异构转变

纯铁是铁碳合金的基本组元，其晶体结构具有显著的特点。大多数金属在结晶完成后继续冷却的过程中，其晶体结构就不再发生变化，即固态时只具有一种晶格。如铝、铜、银等金属结晶成为固态后，从高温冷却至室温，均为面心立方晶格。但有些金属则不同，它们在固态下，因所处温度不同而具有不同的晶格。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

纯铁的冷却曲线如图4-1所示。纯铁的熔点为1538℃，当其结晶为固态后，首先形成体心立方晶格，这种高温下具有体心立方结构的纯铁称为δ-Fe;然后继续冷却至1394℃时，冷却曲线上又出现一个平台，在此温度下，纯铁由体心立方晶格转变成为面心立方晶格，这种具有面心立方结构的纯铁称为γ-Fe;再冷却至912℃时，面心立方晶格再次转变为体心立方晶格，直至室温，保持体心立方晶格不变，这种在室温下具有体心立方晶格的纯铁称为α-Fe。纯铁在发生同素异构转变时，其体积和力学性能也随之而发生改变。正因为如此，生产中才有可能对铁碳合金进行热处理，以改变其组织与性能。

图4-1　纯铁的冷却曲线

同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，实质上就是在固态下，金属内部发生的一个重新结晶过程。因此，同素异构转变符合结晶的一般规律，即有一定的转变温度;转变时需要过冷;有结晶潜热产生;转变过程也是由形核和晶核长大来完成的。但由于同素异构转变是在固态下进行的，其原子扩散比液态结晶要困难得多，故这种转变往往具有更大的过冷倾向。另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化，往往伴随着较大的内应力。

工业纯铁虽然塑性很好，但强度很低，一般很少用它来制造机械零件。