铁碳合金中的渗碳体属于什么体

1.2.1　铁碳合金的基本组织

1．合金的基本概念

合金是由一种金属元素加上一种或多种其他元素（金属或非金属）组成的具有金属特性的物质。例如，钢主要是由铁和碳组成的合金，黄铜主要是铜和锌组成的合金。

组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元在一般情况下是元素，但在所研究范围内既不发生分解，也不发生化学反应的稳定化合物，也可成为组元，如钢中的Fe₃C。由若干给定组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，构成一个合金系。如含碳量不同的碳钢和生铁构成了“铁碳合金系”。

在金属或合金中，具有相同的物理和化学性质，并与该系统其他部分有界面分开的物质部分，称为相。例如，钢在液态或固态时分别为液相或固相；钢液在结晶过程中则有液相和固相两个相。

将金属或合金制成的试样，在金相显微镜下看到的内部各组成相晶粒的大小、方向、形状、排列状况等的构造情况，称为显微组织，简称为组织。它是决定金属材料性能的主要因素。

2．合金的基本组织

合金有三种基本组织：固溶体、金属化合物和机械混合物。

（1）固溶体。一个组元的原子均匀地溶入另一个组元的晶体中所形成的晶体称为固溶体。固溶体中，含量较多的元素称为溶剂，含量较少的元素称为溶质。

图1-6　固溶体的类型

溶剂晶格中的部分原子被溶质原子所替换而形成的固溶体称为置换固溶体（如图1-6（a）所示）；溶质原子位于溶剂晶格的间隙处而形成的固溶体称为间隙固溶体（如图1-6（b）所示）。这里，为了描述晶体中原子排列的规律，将原子看成一个点，再用假想的线条把各点连接起来得到的空间格子，称为晶格。常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格（如图1-7所示）。例如，纯铁在室温下为体心立方晶格（称为α-Fe），在912°C时转变为面心立方（称为γ-Fe）。

图1-7　金属晶格的常见类型

由于各种元素的原子大小不一，无论形成置换固溶体还是间隙固溶体，都会使固溶体的晶格发生扭曲（如图1-8所示），从而使合金塑性变形的阻力变大，表现为固溶体的强度和硬度要比纯金属高。这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象叫做固溶强化。铁中溶入碳和合金元素后硬度高于纯铁，普通黄铜强度高于纯铜，就是固溶强化的结果。在实际应用中，固溶强化已成为提高金属强度的主要方法之一。

图1-8　固溶体中晶格畸变示意图

（2）金属化合物。金属化合物是合金组元间相互作用而形成的一种具有金属特性的新相。金属化合物的晶格类型和性能不同于任一组成组元。其显著特征是硬度高、脆性大、熔点高。在许多合金中，金属化合物作为强化相，可以大大提高合金的强度、硬度和耐磨性，如铁碳合金中的Fe₃C。

（3）机械混合物。由两种或两种以上具有不同晶体结构的相（纯金属、固溶体、金属化合物）机械地混合在一起而得到的组织叫做机械混合物。在机械混合物中，各组成相仍保持各自的晶体结构和性能，而整个混合物的性能则取决于各组成相的性能及其形状、数量、大小和分布情况。

3．铁碳合金的基本组织

铁碳合金在液态时可以无限互溶，在固态时碳能溶解于铁的晶体中，形成间隙固溶体。当含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳便与铁形成金属化合物Fe₃C。此外，还可以形成由固溶体与Fe₃C组成的机械混合物。因此，铁碳合金的基本组织有以下几种：

（1）铁素体。碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体保持α-Fe的体心立方晶格，其显微组织如图1-9所示。

碳在α-Fe中的溶解度很小，在727℃时，最大溶解度为0.0218%，而在室温时降低为0.0008%。因此，铁素体的性能与纯铁基本相同，即强度、硬度较低（约为50～80HBS），韧性、塑性好（伸长率δ为30%～50%）。

（2）奥氏体。碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体保持γ-Fe的面心立方晶格，其显微组织如图1-10所示。

奥氏体的溶碳能力比铁素体大得多。在1148℃时，碳在γ-Fe中的溶解度最大，可达2.11%。随着温度下降，奥氏体的溶碳能力逐渐减小，在727℃时，降至0.77%。奥氏体的强度、硬度不高，塑性、韧性良好，其硬度约为170～220HBS，伸长率δ为40%～50%，是多数钢种在高温进行压力加工和热处理时要求的组织。

图1-9　铁素体的显微组织

图1-10　奥氏体的显微组织

（3）渗碳体。渗碳体是铁和碳所形成的具有复杂晶体结构的金属化合物，用分子式Fe₃C表示。渗碳体的含碳量为6.69%，熔点约为1227℃。渗碳体的硬度很高（达到800HBW）、脆性极大，而塑性、韧性很差，几乎为零。一般来说，在铁碳合金中，渗碳体越多，合金就越硬、越脆。例如，在退火状态下，高碳钢由于所含的渗碳体比低碳钢和中碳钢多，所以硬度较高。

（4）珠光体。铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫做珠光体（也叫做共析体），用符号P表示。珠光体中平均含碳量为0.77%。在珠光体中，渗碳体以片状分布在铁素体基体上，其显微组织如图1-11所示。

由于珠光体是铁素体和渗碳体相间组成的机械混合物，所以其力学性能介于两者之间，有较高的强度（σ_b约为750MPa），一定的硬度（180HBS）、塑性（δ为20%～30%）和韧性。

（5）莱氏体。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫做莱氏体（也叫做共晶体），用符号Ld表示。莱氏体缓冷到727℃时，其中的奥氏体将转变成珠光体，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。低温莱氏体的显微组织如图1-12所示。

莱氏体因含有大量的渗碳体，故力学性能与渗碳体相近，即硬度高、脆性大。

图1-11　珠光体的显微组织

图1-12　低温莱氏体的显微组织