1.1 鐵碳合金中的組元及基本相

1.1.1 純鐵

鐵（Fe）是元素周期表中的第26個元素，其相對原子質量為55.85，屬于過渡族元素。鐵在常壓下于1538℃熔化，其密度為7.87g/cm³。

1.鐵的同素異構轉變

鐵具有多晶型性，如圖1-1所示。從圖1-1中可以看出，純鐵在1538℃結晶為δ-Fe，它具有體心立方晶格。當溫度繼續冷卻至1394℃時，δ-Fe轉變為面心立方晶格的γ-Fe，通常把的轉變稱為A₄轉變，臨界點為A₄。當溫度繼續降至912℃時，面心立方晶格的γ-Fe又轉變為體心立方晶格的α-Fe，把γ-Fe的轉變稱為A₃轉變，臨界點為A₃。在912℃以下，鐵的晶體結構不再發生變化。因而，鐵具有三種同素異構狀態，即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe。

鐵的多型性轉變是鋼中復雜多變的固態相變的根源，它是鋼的合金化和熱處理的基礎，具有理論意義和實際價值。

圖1-1 純鐵的冷卻曲線及相變

純鐵的室溫組織是純鐵經過結晶和固態相變以后得到的結果。純鐵從液態緩慢冷卻至室溫，經歷了液體結晶到δ-Fe→γ-Fe→α-Fe的固態轉變，得到等軸狀的α-Fe晶粒組織，如圖1-2所示。

2.鐵素體與奧氏體

鐵素體是碳溶于α-Fe的間隙中所形成的間隙固溶體，為體心立方結構，常用符號F或α表示。奧氏體是碳溶于γ-Fe的間隙中所形成的間隙固溶體，為面心立方結構，常用符號A或γ表示。鐵素體和奧氏體是鐵碳相圖中兩個十分重要的基本相。

鐵素體的溶碳能力比奧氏體小得多，奧氏體的最大溶碳量（質量分數，下同）為2.11％（1148℃），而鐵素體的最大溶碳量僅為0.0218％（727℃），室溫時鐵素體基本上是不溶碳的（w_C＝0.00004％）。

碳溶于體心立方晶格的δ-Fe的間隙中所形成的間隙固溶體稱為高溫鐵素體，以δ表示，其最大溶碳量為0.09％（1495℃）。

鐵素體的性能與純鐵基本相同，居里點為770℃（A₂）；奧氏體的塑性好，具有順磁性。

圖1-2 純鐵的室溫組織

3.純鐵的性能與用途

工業用純鐵含有微量的碳及其他雜質，碳對純鐵的力學性能具有相當大的影響，一般純鐵中碳的質量分數為0.001％～0.005％。

純鐵在室溫時的力學性能：屈服強度為128～206 MPa；抗拉強度為275～314MPa；斷后伸長率為30％～50％；斷面收縮率為70％～80％；沖擊韌度為1275～1962kJ/m²；硬度為70～80HBW。室溫下純鐵的塑性和韌性非常好，但強度低，所以很少用作結構材料。純鐵是具有高磁導率的軟磁材料，可利用其鐵磁性制造儀器儀表的鐵心等。

1.1.2 鐵與碳的化合物

當鐵碳合金中的含碳量超過鐵的固溶度時，將形成碳化物。鐵和碳可以形成一系列碳化物，表1-1^[1]列舉了鐵碳化合物的類型及其晶體學參數。從Fe-Fe₃C相圖來看，在臨界點A₁以下，平衡相只有F和θ-Fe₃C，但是在非平衡相變中，可能形成χ-Fe₅C₂、ε-Fe_2.4C等碳化物，它們是不穩定的，是θ-Fe₃C的過渡相。

表1-1 鐵碳化合物的類型及其晶體學參數

1.η-Fe₂C

η-Fe₂C的晶胞結構如圖1-3所示，它以碳原子體心正交結構作為構架，鐵原子以類似八面體的形狀處于碳原子周圍。片狀的η-Fe₂C在α相基體上常沿著位錯線析出，與基體存在晶體學位向關系，片厚僅為3～5nm。

2.θ-Fe₃C和χ-Fe₅C₂

鐵在碳素鋼中形成θ-Fe₃C，而在合金鋼中，有些碳化物形成元素在滲碳體中具有一定溶解度，故形成合金滲碳體θ-（Fe，M）₃C。滲碳體是一種具有復雜晶體點陣的間隙化合物，屬于正交晶系，是鐵碳相圖中的基本相。在滲碳體每個晶胞中有12個鐵原子，碳的質量分數為6.67％，其晶體結構如圖1-4a所示，每個碳原子由六個緊鄰鐵原子圍繞。

圖1-3 η-Fe₂C的晶胞結構

滲碳體的各個鐵原子之間以金屬鍵結合。鐵原子和碳原子之間鍵的性質以金屬鍵為主，存在共價鍵。滲碳體具有金屬特性，如導電性、金屬光澤等。滲碳體中能溶解其他元素形成固溶體，在形成固溶體時小原子（如氮）處于碳原子的位置，金屬原子（如錳、鉻等）處于鐵原子的位置。這種以滲碳體為基的固溶體稱為合金滲碳體，記為（Fe、Me）₃C。

滲碳體（θ-Fe₃C）并不是真正的平衡相，在較高溫度回火時，長時間保溫最終會轉變為鐵素體＋石墨。

滲碳體的硬度很高（≈800HBW），但塑性很差，特別是在游離狀態下，其塑性幾乎等于零。滲碳體在低溫時略有鐵磁性，此鐵磁性在230℃以上消失。在鐵碳相圖中滲碳體的磁性轉變溫度標注為A₀（230℃），滲碳體的熔點為1227℃。

χ碳化物一般用化學式χ-Fe₅C₂表示，具有底心單斜點陣。χ-Fe₅C₂的晶體結構與θ-Fe₃C相似，同屬于所謂三棱柱型的間隙化合物，其晶體結構如圖1-4b所示。鐵原子構成三棱柱的六個頂點，碳原子位于中間的間隙位置。這類間隙化合物復雜的晶胞是由三棱柱堆垛而成的，所以三棱柱是其結構的最小單元。

圖1-4 θ-Fe₃C、χ-Fe₅C₂晶格的三棱柱單元及其特征參數

a）θ-Fe₃C b）χ-Fe₅C₂

θ-Fe₃C的熱力學穩定性比χ-Fe₅C₂和ε-Fe_2.4C的都要高，所以在溫度和時間許可的條件下，χ-Fe₅C₂和ε-Fe_2.4C都將轉變為θ-Fe₃C。

從熱力學上講，θ-Fe₃C也非充分穩定，在較高溫度長時間保溫的條件下，θ-Fe₃C終將分解，轉變為鐵和石墨，即θ-Fe₃C→3Fe＋G（石墨）。可見，相對于石墨而言，θ-Fe₃C也是一個亞穩相。

3.ε-碳化物

ε-Fe_2.4C也是鋼中經常出現的碳化物。ε-Fe_2.4C于20世紀50年代初測定，直到20世紀70年代人們也未加懷疑。以后有人測定出η-Fe₂C，認為ε-Fe_2.4C就是η-Fe₂C，因而出現六方和正交之爭。目前，人們還在不同鋼中進行逐一測定，尚不能得出確切的結論。

ε-碳化物的成分約在ε-Fe_2.4C附近變化，是亞穩相，當溫度升高時，或經過較長時間等溫時，將轉變為熱力學上較為穩定的θ-Fe₃C和χ-Fe₅C₂。在ε-碳化物中也能夠溶入某些合金元素。ε-碳化物的居里點為370℃。