“鐵碳合金”英文講義翻譯

1、鐵碳合金 第六章鐵碳相圖6-1 歷史碳鋼和鑄鐵等鐵碳合金是現(xiàn)代工業(yè)是最重要的合金。碳鋼和鑄鐵的產(chǎn)量比其它金屬產(chǎn)量的10倍還要多。在這章中我們將要討論鐵碳相圖，它給出了碳鋼和鑄鐵這些鐵碳合金在結(jié)構(gòu)上的基本概念。一般認(rèn)為，鐵碳合金分為碳鋼（碳含量小于或等于2%）和鑄鐵（碳含量大于2%）。然而在現(xiàn)代工業(yè)中，碳鋼這個(gè)詞也適用于一些特殊的以鐵為基礎(chǔ)的合金（我們稍后會(huì)在這本書里面討論它們），這些合金包含少量碳，這些碳甚至是一種有害物質(zhì)。為了不引起誤解，碳鋼（或者鑄鐵）這個(gè)詞用于描述鐵含量超過50%的合金，而“合金”則屬于鐵含量少于50%的合金。這種分法不是嚴(yán)格科學(xué)的，不過在現(xiàn)代工業(yè)上定義地清楚。從1868

2、年D.K.CHERNOV發(fā)表認(rèn)真審閱MR.LAVROFF和MR.KALAKUTSKY關(guān)于碳鋼與鋼槍的文章和關(guān)于同樣物質(zhì)的D.K.TSCHERNOFF的個(gè)人觀察起，對(duì)于鐵碳和鐵碳合金的相圖和它們的熱處理過程的研究開始了。在這一年，物理冶金學(xué)成了一門科學(xué)。D.CHERNOV是第一個(gè)在引用文獻(xiàn)里面假設(shè)在碳鋼中存在某些關(guān)鍵點(diǎn)，并且它們的位置與碳的含量有關(guān)。換句話說，他第一次給出了鐵碳相圖的定義。之后，他用圖表的形式說明了碳含量在關(guān)鍵點(diǎn)上的作用（圖6.1），與此同時(shí)，他繪制了鐵碳相圖上面的重要曲線。關(guān)于鐵碳合金和鐵碳相圖結(jié)構(gòu)的研究工作十分豐富，所以我們對(duì)這些合金的知識(shí)來自很多研究者的努力。對(duì)鐵碳相圖最重

3、要的研究是在19世紀(jì)最后的25年出現(xiàn)的。D.KCHERNOV用回火顏色測(cè)定了碳鋼中的關(guān)鍵點(diǎn)的位置。1886年，一位名叫F.OSMOND的杰出法國(guó)研究員用高溫計(jì)（由H.L.LE CHALELIER發(fā)明）更加準(zhǔn)確地測(cè)定了碳鋼的關(guān)鍵點(diǎn)。他描述了通過關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)顯微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，并且命名了鐵碳合金的基本結(jié)構(gòu)。在加熱時(shí)，碳鋼里的固溶體構(gòu)成被英國(guó)的R.AUSTEN發(fā)現(xiàn)，之后法國(guó)的H.L.LE CHATELIER、俄國(guó)的冶金學(xué)者A.A.BAIKOV和N.T.GUDTOV運(yùn)用金相分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的分類。運(yùn)用這些數(shù)據(jù)和平衡相圖的理論（由加拿大的W.GIBBS、荷蘭的G.ROSEBOOM和R.AUSTEN所建立）繪制出第

4、一份的鐵碳相圖，因?yàn)槿鄙贁?shù)據(jù)，他們不能制定出一張關(guān)于實(shí)際平衡相圖的全面的完整的相圖，直到19世紀(jì)末德國(guó)人P.GERENS吸取了前人的經(jīng)驗(yàn)和使用了新的顯微結(jié)構(gòu)和熱量分析成果，在他的書中，繪制出新的鐵碳相圖，這與現(xiàn)代的版本十分接近。之后的合金分析方法的改進(jìn)使得大量的（雖然不是重要的）修改出現(xiàn)。雖然重大的修改不會(huì)在這張圖上出現(xiàn)，不過對(duì)鐵碳相圖的研究至今還在繼續(xù)，特別是在平衡線的位置上面少量的更改還有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)。這都得益于更加純凈合金的應(yīng)用和更加準(zhǔn)確的分析方法。它的名字叫鐵碳相圖，可想而知，它就應(yīng)該包括從100%的鐵到100%的碳的內(nèi)容。鐵能與碳組成一種化合物Fe3C，我們就叫它滲碳體。在上述分析的相

5、圖表與穩(wěn)定的化合物，有人指出，一個(gè)穩(wěn)定的化合物可被視為一個(gè)合金的組成部分，圖表可以分成部分來分析。現(xiàn)在，我們只分析從百分之百的鐵延伸到carbibe （滲碳體）的這一部分的鐵碳相圖。這不僅簡(jiǎn)化了我們的檢測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)，而且也是合理的，事實(shí)上實(shí)際意義上的鐵合金只包含不超過百分之五的碳。因此，當(dāng)分析鐵碳相圖中從鐵到滲碳體的部分時(shí)，我們可以認(rèn)為鐵和滲碳體是這一系統(tǒng)的組成部分。然后，必須研究這些組成部分的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。6-2鐵上個(gè)世紀(jì)中葉，大規(guī)模的鋼鐵生產(chǎn)方法已被發(fā)現(xiàn)，鐵及其合金的金相研究也可以追溯到那個(gè)時(shí)候。在1930年代，一位名字叫P.P.Amosov 俄羅斯冶金學(xué)家采用光學(xué)顯微鏡檢查鋼結(jié)構(gòu)和及其在鍛

6、造和熱處理后的變化。而在其他國(guó)家，第一次用光學(xué)顯微鏡檢查隕鐵結(jié)構(gòu)是在1860年.后來證實(shí)了隕鐵結(jié)構(gòu)幾乎是類似普通鐵（嚴(yán)格來說是鐵和鎳合金 ），主要是由于其通過地球大氣塵得到廣泛加熱。更大的實(shí)際意義是鐵和鐵基合金的結(jié)構(gòu)的金相研究依據(jù)組成的熱處理?xiàng)l件等。P. Amosov是第一個(gè)比H. C. Sorby 和 A. Widmanst早30多年就開始這樣的研究并使他能在顯微鏡下看到的結(jié)構(gòu)非常精確圖像的人。圖6-2顯示了由他繪制的珠光體結(jié)構(gòu)（比較珠光體現(xiàn)代顯微圖6-14）。之后不久，鐵碳合金的顯微照片開始出現(xiàn)在專業(yè)書籍。在本世紀(jì)初，鐵基合金的金相的第一個(gè)綜合性專著由機(jī)管局Rzheshotarsky（俄羅

7、斯），A. Martens 和 Gein（德國(guó)）和H. M. Howe（美國(guó)）出版了。對(duì)比與任何其他金屬，鐵從來都不是絕對(duì)純，總是含有雜質(zhì)。通過避免高爐階段直接還原的現(xiàn)代化過程可以得到雜質(zhì)總質(zhì)量?jī)H0.01左右甚至更少的非常純凈的鐵。但是商業(yè)鐵（通常稱為阿姆科鐵），更多的時(shí)候是用于大批量開放式平爐的生產(chǎn)，商業(yè)鐵包含平均99.8-99.9%和0.1-0.2的雜質(zhì)，其中包括約0.02的碳，大約0.1的銅和百分之千分之一或萬分之一其他各種元素。在本節(jié)后面給出的數(shù)據(jù)是指商業(yè)用鐵的純度。鐵的熔點(diǎn)是1539（5）。鐵在固態(tài)時(shí)有兩種類型：鐵（體心立方晶格）和鐵（面心立方晶格） 鐵和鐵的晶格及平衡轉(zhuǎn)變溫度如圖2

8、-15所示。鐵的一個(gè)重要的狀態(tài)是它可以存在于兩個(gè)溫度范圍內(nèi)：低于911和從1392至1539，這一事實(shí)的一個(gè)可能的解釋是，次系統(tǒng)的自由能隨著溫度的變化而以一定的方式改變（如示意圖6-3所示）。在溫度低于911和高于1392的情況下，鐵的自由能小于鐵的自由能。在從911到1392的中間范圍，面心立方晶格組成的具有較低的自由能，這就是為什么鐵鐵需要在911下加熱，而鐵鐵卻要在1392加熱。高溫狀態(tài)下的鐵（有時(shí)也稱鐵）是沒有其它同素異形體形式。鐵的機(jī)械性能可由以下參數(shù)表現(xiàn)：商業(yè)鐵 直接還原鐵 抗拉強(qiáng)度，千克力/平方毫米. . . . . 25 20屈服強(qiáng)度, 千克力/平方毫米 . . . . . 1

9、2 10伸長(zhǎng)率, % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 60斷面收縮率, %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 90布氏硬度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 70 由于各種因素的影響（例如，晶粒粗化降低硬度），鐵的性質(zhì)可能會(huì)偏離這些值。在768，鐵發(fā)生磁性的轉(zhuǎn)變，超過上述溫度后變?yōu)榉谴判裕▍⒁?-7） 鐵可以和很多元素形成固溶體：與金屬形成置換固溶體和與碳、氮和氫形成的間隙固溶體。特別值得討論的是鐵與碳形成的固溶體。碳在

10、鐵中的溶解度主要取決于鐵以 哪一種晶體形式存在。碳在鐵的溶解度極?。ㄐ∮?.02%），在鐵中的溶解度要比這個(gè)高出上百倍（達(dá)到2%）自由狀態(tài)下碳原子的直徑為1.54納米。 體心立方結(jié)構(gòu)在邊緣的中間處有12個(gè)間隙，晶體中這些間隙和空位的直徑為0.62，不足以放置一個(gè)碳原子。鐵的面心立方晶格中心有一個(gè)直徑是1.02的空穴，碳原子可以占據(jù)這個(gè)空位，從而引起鐵的晶格體積變大。由于碳原子外層電子的分解，碳原子的體積也變小，碳和鐵原子電子層的重疊也是很可能的因此，從純粹的幾何的考慮可以看出，鐵可以溶解碳原子，鐵卻不行。然而可以通過間接證明，鐵可以溶解非常少量的碳。各種關(guān)于碳在鐵的最大溶解度的研究數(shù)據(jù)很大程度

11、都不相同，從0.01到0.02，0.04，0.1，甚至到0.15%。我們?cè)诠こ躺虾徒酉聛淼挠懻撝袑⒉捎?.02%這個(gè)值我們假定說，碳在鐵的溶解度取決于鐵晶格中某些缺陷，尤其是晶界處的大量缺陷。鐵和碳及其他元素的固溶體叫做鐵素體，鐵和碳及其他元素的固溶體叫做奧氏體。奧氏體的晶格結(jié)構(gòu)可以看成是由鐵原子和碳原子共同組成的面心立方晶格。如果面心立方晶格里面的空位和空隙都被碳原子占據(jù)，其狀態(tài)特點(diǎn)可以由圖表6-4看出。但是由于碳原子的尺寸比空穴大，占據(jù)了空隙的碳原子會(huì)使晶格扭曲，使得其他的碳原子無法占據(jù)其他的間隙，溶解了一個(gè)碳原子的奧氏體的晶格的結(jié)構(gòu)見圖6-4b.碳原子置于晶胞的中心，由6個(gè)鐵原子包圍，從

12、而形成八面體。低碳的鐵在室溫下的晶格參數(shù)是2.86。低碳鐵的參數(shù)是 3.56。后者的數(shù)值是有條件的，因?yàn)殍F在室溫下是無法存在的，這個(gè)數(shù)值是由外推法推斷出來的。我們都知道，晶格的參數(shù)隨溫度和溶解原子的存在而增加。實(shí)驗(yàn)測(cè)量已經(jīng)測(cè)出含碳量高于0.6-0.7%的鋼中的奧氏體在室溫下的晶格參數(shù)（圖6-5），以及純鐵在高溫下的晶格參數(shù)（見圖6-5b）延長(zhǎng)曲線到含碳量為零的點(diǎn)（見圖6-5）或到室溫（見圖6-5b），就可以得到數(shù)值3.56。假如在室溫下可能得到鐵的話，這個(gè)參數(shù)是純鐵在室溫中可以得到。金屬學(xué)家對(duì)碳在奧氏體中的存在狀態(tài)存在著爭(zhēng)議，但是現(xiàn)在已經(jīng)確定碳是二價(jià)電離子存在，而鐵原子則是一價(jià)電離子。碳對(duì)晶體

13、貢獻(xiàn)了兩個(gè)電子而鐵貢獻(xiàn)了一個(gè)。這一事實(shí)解釋了V.I.Prosvirin和他的同事發(fā)現(xiàn)的奧氏體的電解現(xiàn)象，以及在加直流電流下碳原子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)的原因。6-3滲碳體滲碳體是鐵碳化合物，由于碳在鐵中的溶解度很低，所以鋼在室溫下的結(jié)構(gòu)通常包含了滲碳體或其他碳化物等高含碳量的相。滲碳體的晶格結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，用圖表來描述滲碳體的方法有很多，其中最常用的是圖6-6。在圖中可以看出，滲碳體的晶格由大量的八面體構(gòu)成，這些八面體的軸線間以一定的角度連接起來，（為了不讓圖太復(fù)雜，沒有把所有的八面體都畫出來）每個(gè)八面體的中心都有一個(gè)碳原子占據(jù)，由于每一個(gè)鐵原子屬于兩個(gè)八面體，包含所有由一個(gè)碳原子占據(jù)的八面體的混合物化學(xué)

14、式中的比值為3：1鐵原子間通過單純的金屬游離狀態(tài)連接。碳原子和鐵原子間在晶體中的連接特性還沒被確定。他們應(yīng)該以一種既有金屬性又有離子型的特點(diǎn)的特殊的連接方式連接（并且很可能的是，這種連接的特性類似于奧氏體中的碳和鐵的連接）。無論如何，晶格中的鐵和碳都具有活躍的離子型，金屬和碳都同樣表現(xiàn)出金屬特性，這種情形和廣泛的金屬特性結(jié)合解釋了滲碳體為什么含有金屬成分（電子導(dǎo)體，金屬光澤等）滲碳體的熔點(diǎn)接近1250，滲碳體沒有同素異構(gòu)，但在低溫下具有鐵磁性。當(dāng)加熱到217的時(shí)候滲碳體就會(huì)失去鐵磁性。滲碳體硬度很高，（800HB以上并且可以輕松地刮斷玻璃），但是延展性非常低，基本為0。這些特性是由于滲碳體復(fù)雜

15、的晶體結(jié)構(gòu)造成的。滲碳體可以用以構(gòu)成可替代的固溶體。它的碳原子可以由其它的非金屬原子替代，如氮和氧。鐵原子可以用其他的金屬原子替換，如錳鉻和鈦，基于滲碳體晶格的固溶體稱為合金滲碳體，通常用M3C來表示，其中M表示鐵或其他的替換鐵的金屬，滲碳體是不穩(wěn)定的混合物，在一些狀態(tài)下會(huì)分解形成游離的碳（石墨），這個(gè)過程具有現(xiàn)實(shí)的重要性，主要是針對(duì)高碳合金（鑄鐵），這會(huì)在第八章作更加詳細(xì)的討論。6-4 相圖鐵碳合金相圖中成份濃度從純鐵到滲碳體的部分見圖6-7。圖中的橫坐標(biāo)代表兩個(gè)濃度尺度：碳和滲碳體。這里介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則碳的含量乘以15就可以得到鋼或鑄鐵中的滲碳體的質(zhì)量和體積占的百分比。ABCD是液相線，

16、AHJECF是固相線。由于鐵可以和碳形成滲碳體，并且有兩個(gè)同素異形體鐵和鐵，系統(tǒng)中會(huì)存在以下的階段。a， 液相（液態(tài)碳溶解于鐵中），在液相線以上，用L表示；b， 滲碳體Fe3C，線DFKL范圍內(nèi)，在進(jìn)一步的討論中用Cem表示c， 鐵素體，鐵中溶解少數(shù)的的碳形成的結(jié)構(gòu)組織，用F， 或-Fe表示。鐵碳相圖中鐵素體的區(qū)域在線GPQ和HN 的左邊。d， 奧氏體，碳溶解于鐵形成的固溶體，在相圖中線NJESG內(nèi)，奧氏體通常用,或-Fe表示。圖中的三條水平線HJB.ECF.PSK表示三個(gè)不穩(wěn)定的反應(yīng)的發(fā)生。 在1499，（線HJB），發(fā)生包晶反應(yīng)：LB+FHJ反應(yīng)產(chǎn)生了奧氏體。這個(gè)反應(yīng)只在含碳量從0.1%到

17、0.5%的合金中才能觀察到。 在1147，線ECF，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：LC+ECem產(chǎn)生由奧氏體和滲碳體組成的混合物，叫做萊氏體。在所有含碳量高過2.14%的合金中都可以發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 在727，線PSK，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：SFp+Cem形成有鐵素體和滲碳體合成的共析混合物，叫做珠光體。（名字是由于該組織結(jié)構(gòu)的外表和珠相似）。珠光體（共析）轉(zhuǎn)變?cè)谒泻剂扛哂?。02%的合金中都可以發(fā)生，例如所有生產(chǎn)的工業(yè)鐵碳合金。前面已經(jīng)提到，鐵碳合金相圖的形式（含碳量在滲碳體前面的部分），例如，其特征線，已經(jīng)被確定和證實(shí)，只有坐標(biāo)上（典型的溫度和集聚點(diǎn)）可能需要不斷的修改。根據(jù)最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鐵碳合金相圖坐標(biāo)上特

18、殊的點(diǎn)在表6-1(下圖)中給出。 鐵碳合金相圖相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，為了方便我們分析鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化，我們將其分成幾個(gè)部分，接下來討論的基本上不是新的知識(shí)，而是把第三章的材料應(yīng)用到鐵碳合金的特殊情形。圖6-8是包含了左邊部分（珠光體的形成區(qū)域）的更大范圍的鐵碳合金相圖。 考慮含碳量K1低于0.1%時(shí)（例如，含0.05的碳）的合金的組織轉(zhuǎn)變的順序。 合金在點(diǎn)1開始固化，鐵固溶體從液相中析出。固化的過程中，液相的濃度隨B線變化（液相線的一部分），固相的濃度隨著線H（固相線的一部分）。在固、液兩相混合區(qū)中的點(diǎn)，液相的濃度由點(diǎn)c的 投影確定，固相的濃度由點(diǎn)b的投影確定。由杠桿原理可以計(jì)算固相的質(zhì)量為ac

19、/bc,液相的質(zhì)量為比ba/bc。在點(diǎn)2，液相的質(zhì)量開始變?yōu)?，固化過程結(jié)束，形成均勻的鐵固溶體。在點(diǎn)3到4的溫度范圍內(nèi)，合金開始新的組織轉(zhuǎn)變，鐵固溶體轉(zhuǎn)變成鐵固溶體。各相的濃度沿著線 HN和JN的位置而改變。在點(diǎn)d，鐵素體相的濃度由點(diǎn)e的位置投影確定，奧氏體相的濃度則由點(diǎn)f的位置確定，各相的質(zhì)量可以有比例/=df/ed看出。在點(diǎn)4，合金的結(jié)構(gòu)組織為鐵固溶體。合金的冷卻曲線見圖6-8的右邊。含碳0.16%的碳的冷卻和合金K1 最初開始是相同的，例如，從濃度不同的相析出開始。在點(diǎn)J，溫度1499度，液相的濃度點(diǎn)為B，相的濃度為點(diǎn) H，點(diǎn)J濃度的相開始形成，由于三相共存，轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行，（c=k

20、-f+1=2-3+1=0）冷卻曲線的6-6段是水平的。該過程遵循以下的反應(yīng)LB+H+J并形成濃度為0.16%的奧氏體（相）。如果碳含量低于或高于0.16%（例如,J點(diǎn)的左邊或右邊），過量的相，或相應(yīng)的液相（在進(jìn)一步的冷卻中將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄啵?huì)發(fā)生珠光體的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變到了線NJ和JE（點(diǎn)E在圖6-8中沒有表示出來）的末端結(jié)束，生產(chǎn)了均一組織的相。因此，任何含碳量低于0.5%的合金，不考慮中間轉(zhuǎn)化產(chǎn)物相，反應(yīng)最終會(huì)固化成為相（奧氏體）。X射線結(jié)構(gòu)分析已經(jīng)確定了奧氏體是碳溶于-鐵形成的均一的固溶體。在X射線被發(fā)現(xiàn)以前，.Baikov運(yùn)用了Chatelier的在高溫下用蝕刻的薄片進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)的方法。在高溫下

21、蝕刻出材料薄片，該溫度下的材料結(jié)構(gòu)特性將會(huì)顯現(xiàn)出來。在室溫中對(duì)材料進(jìn)行檢驗(yàn)之后，材料在冷卻到室溫的過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變對(duì)高溫下的結(jié)構(gòu)沒有影響。通過這種方法，.Baikov說明了奧氏體是均勻的固溶體。圖6-9是用.Bikov的方法得到的含碳量為1%的鋼中的奧氏體的結(jié)構(gòu)，因此，可以通過S射線結(jié)構(gòu)和金相分析證明奧氏體是均勻的固溶體。 現(xiàn)在考慮含碳量超過2.14%的合金的初次結(jié)晶過程。（圖6-10）通常這些合金的初次結(jié)晶在1147度發(fā)生共晶結(jié)晶轉(zhuǎn)變下完成。共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，含4.3%碳的液相結(jié)晶變?yōu)閮蓚€(gè)固體相，奧氏體（含碳量2.14%）和滲碳體，即萊氏體的形成。凡是含碳量為4.3%的合金的共晶轉(zhuǎn)變都是在恒溫下發(fā)

22、生。在亞共晶合金中，也就是含碳量低于4.3%（但高于2.14%）的合金，共晶轉(zhuǎn)變首先是初次奧氏體的結(jié)晶析出。K1合金就是一個(gè)例子，它的冷卻曲線如圖6=10所示。這種合金固化的開始由液相線上的點(diǎn)1決定。進(jìn)一步冷卻，不同組織成份的奧氏體晶體（成份由固相線的位置決定）會(huì)沉淀析出，液相濃度與液相線上的位置對(duì)應(yīng)。在點(diǎn)，是跟L的兩相區(qū)，液相的濃度由點(diǎn)b的投影確定，固相的濃度由點(diǎn)c的投影確定，固液兩相的質(zhì)量有以下的關(guān)系：液相的質(zhì)量/固相的質(zhì)量=c/b點(diǎn)2在溫度1147，也就是K1垂直線和水平線ECF的交點(diǎn)。液相的質(zhì)量與線E-2相對(duì)應(yīng)，濃度由點(diǎn)C確定（含碳4.3%）在該溫度下，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變LcE+Cem 即合

23、金初步結(jié)晶完成。初結(jié)晶完的組織結(jié)構(gòu)包括初次奧氏體和初次萊氏體。對(duì)過共晶合金，圖6-10的K2點(diǎn)，結(jié)晶開始階段在液相線CD（點(diǎn)4），生成初次滲碳體。滲碳體的結(jié)晶凝固使液態(tài)中的碳減少。在ECF線上的點(diǎn)5，液相達(dá)到C點(diǎn)的濃度，共晶結(jié)晶開始，合金初次結(jié)晶的組織結(jié)構(gòu)由初次滲碳體和萊氏體構(gòu)成。 前面的討論表明下面的結(jié)論十分重要。含碳量少于2.14%的合金，初次結(jié)晶的組織結(jié)構(gòu)是奧氏體；含碳量高于2.14%的合金，初次結(jié)晶的組織是萊氏體和剩余奧氏體或滲碳體。高溫下這些組織的不同決定了這兩種類型合金在冶煉過程和力學(xué)性能方面的明顯差異。含共晶合金的合金塑性差，另一方面，高碳合金熔點(diǎn)低，適合做鑄鐵材料。含碳量少于2

24、.14%的鐵碳合金叫做鋼，高于2.14%的鐵碳合金叫做鑄鐵?？紤]含碳量極少的合金的固態(tài)轉(zhuǎn)變。圖6-11是鐵碳合金相圖最左邊部分的比例放大圖。濃度為K1的合金，也就是含碳量低于0.01%，在1000度的溫度下含有奧氏體結(jié)構(gòu)。鐵在室溫下只能以鐵的形態(tài)存在，因此，轉(zhuǎn)變，也就是奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，在冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生。合金的純度高，不含任何碳，這個(gè)轉(zhuǎn)變會(huì)在點(diǎn)G（溫度911）發(fā)生，且溫度不變。對(duì)含碳濃度為K1 的合金來說，轉(zhuǎn)變會(huì)在點(diǎn)1和2間的溫度段進(jìn)行，其冷卻曲線有一段彎曲線。合金在點(diǎn)1和2間是兩相混合區(qū)，包含了不同濃度的相和相。點(diǎn)2下面，合金是均勻的固溶體（鐵素體），進(jìn)一步的冷卻組織液相不會(huì)發(fā)生改變。鐵素體

25、的組織結(jié)構(gòu)見圖6-12。第二冷卻曲線表示了含碳量高于0.01%但是低于0.02%的合金（K2合金）中的轉(zhuǎn)變。這種合金與前面提到的合金不同在于，垂直公共線PQ上的點(diǎn)5的進(jìn)一步冷卻發(fā)生在轉(zhuǎn)變（在區(qū)域3到4之間）之后。.在點(diǎn)5上面，合金中的碳還未飽和。點(diǎn)5以下，合金中無法溶解原來濃度的碳，過量的碳以高碳相滲碳體從合金中沉淀析出。隨著冷卻該過程一直進(jìn)行，導(dǎo)致了固溶體中的碳減少到0.01%。從鐵素體中析出的滲碳體叫做三次滲碳體。（與從液相中析出的初次滲碳體和從奧氏體中析出的二次滲碳體相比較）。 我們來分析含碳量高的合金中的奧氏體的形成。我們先來分析共析合金。（圖6-13含碳量0.8%的合金）冷卻到點(diǎn)1（

26、S）奧氏體沒有發(fā)生改變。點(diǎn)S在最低溫度時(shí)奧氏體平衡，從該溫度開始，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)化為鐵素體和滲碳體。忽略轉(zhuǎn)變時(shí)鐵素體中的含碳量（0.02%），反應(yīng)可以寫成：Fe（C）Fe+Fe3C 或 F+Cem轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了由鐵素體和滲碳體薄片交替構(gòu)成的珠光體。（圖6-14）K1合金含0.5%的碳，相對(duì)于共析合金的濃度，含有過量的鐵。所以從奧氏體中開始析出形成鐵素體。GS線上的點(diǎn)2表示該過程的開始。冷卻的進(jìn)行，由于析出的鐵素體中幾乎不含碳，所以殘留的奧氏體中的碳濃度增加。奧氏體的濃度隨著曲線GS的變化而變化。在點(diǎn)b，合金的組織結(jié)構(gòu)為鐵素體和奧氏體，特別地，點(diǎn)代表鐵素體的濃度和c點(diǎn)是奧氏體的濃度。這兩相的

27、質(zhì)量可以由杠桿原理得到鐵素體的質(zhì)量/奧氏體的質(zhì)量=bc/b當(dāng)接觸到點(diǎn)3時(shí)，奧氏體達(dá)到共析濃度，開始在恒溫下進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（冷卻曲線3-3水平段）。轉(zhuǎn)變完成的鋼的組織結(jié)構(gòu)為鐵素體和珠光體（見圖6-15）。鐵素體和珠光體的質(zhì)量取決于碳的含量。含碳量低于0.02%，結(jié)構(gòu)中只含鐵素體，含碳量為0.8%時(shí)只含珠光體。在這兩個(gè)含碳量之間，鋼的結(jié)構(gòu)包括了鐵素體和珠光體。珠光體的含量隨著鋼中碳的含量的增加而增加，其對(duì)應(yīng)關(guān)系在圖6-16中已經(jīng)闡明。隨著化學(xué)分析的應(yīng)用，通過鋼結(jié)構(gòu)組織中鐵素體和珠光體相對(duì)占據(jù)的區(qū)域來確定鋼的含碳量已經(jīng)在實(shí)際中廣泛地應(yīng)用。圖6-13的K2垂直線表示含碳量高于0.8%的合金，奧氏體的轉(zhuǎn)變從點(diǎn)5開始，也就是滲碳體在奧氏體中析出之后。滲碳體析出的過程中，奧氏體中碳含量隨著線ES而減少，ES表明了奧氏體飽和時(shí)奧氏體中最大的含碳量。在點(diǎn)6，珠光體開始在固定的溫度下形成（冷卻曲線水平6-6部分），結(jié)果產(chǎn)生的結(jié)