“铁碳合金”英文讲义翻译

1、铁碳合金 第六章铁碳相图6-1 历史碳钢和铸铁等铁碳合金是现代工业是最重要的合金。碳钢和铸铁的产量比其它金属产量的10倍还要多。在这章中我们将要讨论铁碳相图，它给出了碳钢和铸铁这些铁碳合金在结构上的基本概念。一般认为，铁碳合金分为碳钢（碳含量小于或等于2%）和铸铁（碳含量大于2%）。然而在现代工业中，碳钢这个词也适用于一些特殊的以铁为基础的合金（我们稍后会在这本书里面讨论它们），这些合金包含少量碳，这些碳甚至是一种有害物质。为了不引起误解，碳钢（或者铸铁）这个词用于描述铁含量超过50%的合金，而“合金”则属于铁含量少于50%的合金。这种分法不是严格科学的，不过在现代工业上定义地清楚。从1868

2、年D.K.CHERNOV发表认真审阅MR.LAVROFF和MR.KALAKUTSKY关于碳钢与钢枪的文章和关于同样物质的D.K.TSCHERNOFF的个人观察起，对于铁碳和铁碳合金的相图和它们的热处理过程的研究开始了。在这一年，物理冶金学成了一门科学。D.CHERNOV是第一个在引用文献里面假设在碳钢中存在某些关键点，并且它们的位置与碳的含量有关。换句话说，他第一次给出了铁碳相图的定义。之后，他用图表的形式说明了碳含量在关键点上的作用（图6.1），与此同时，他绘制了铁碳相图上面的重要曲线。关于铁碳合金和铁碳相图结构的研究工作十分丰富，所以我们对这些合金的知识来自很多研究者的努力。对铁碳相图最重

3、要的研究是在19世纪最后的25年出现的。D.KCHERNOV用回火颜色测定了碳钢中的关键点的位置。1886年，一位名叫F.OSMOND的杰出法国研究员用高温计（由H.L.LE CHALELIER发明）更加准确地测定了碳钢的关键点。他描述了通过关键点时显微结构的转变，并且命名了铁碳合金的基本结构。在加热时，碳钢里的固溶体构成被英国的R.AUSTEN发现，之后法国的H.L.LE CHATELIER、俄国的冶金学者A.A.BAIKOV和N.T.GUDTOV运用金相分析进行了实验的分类。运用这些数据和平衡相图的理论（由加拿大的W.GIBBS、荷兰的G.ROSEBOOM和R.AUSTEN所建立）绘制出第

4、一份的铁碳相图，因为缺少数据，他们不能制定出一张关于实际平衡相图的全面的完整的相图，直到19世纪末德国人P.GERENS吸取了前人的经验和使用了新的显微结构和热量分析成果，在他的书中，绘制出新的铁碳相图，这与现代的版本十分接近。之后的合金分析方法的改进使得大量的（虽然不是重要的）修改出现。虽然重大的修改不会在这张图上出现，不过对铁碳相图的研究至今还在继续，特别是在平衡线的位置上面少量的更改还有时候会出现。这都得益于更加纯净合金的应用和更加准确的分析方法。它的名字叫铁碳相图，可想而知，它就应该包括从100%的铁到100%的碳的内容。铁能与碳组成一种化合物Fe3C，我们就叫它渗碳体。在上述分析的相

5、图表与稳定的化合物，有人指出，一个稳定的化合物可被视为一个合金的组成部分，图表可以分成部分来分析。现在，我们只分析从百分之百的铁延伸到carbibe （渗碳体）的这一部分的铁碳相图。这不仅简化了我们的检测系统的任务，而且也是合理的，事实上实际意义上的铁合金只包含不超过百分之五的碳。因此，当分析铁碳相图中从铁到渗碳体的部分时，我们可以认为铁和渗碳体是这一系统的组成部分。然后，必须研究这些组成部分的性质和结构。6-2铁上个世纪中叶，大规模的钢铁生产方法已被发现，铁及其合金的金相研究也可以追溯到那个时候。在1930年代，一位名字叫P.P.Amosov 俄罗斯冶金学家采用光学显微镜检查钢结构和及其在锻

6、造和热处理后的变化。而在其他国家，第一次用光学显微镜检查陨铁结构是在1860年.后来证实了陨铁结构几乎是类似普通铁（严格来说是铁和镍合金 ），主要是由于其通过地球大气尘得到广泛加热。更大的实际意义是铁和铁基合金的结构的金相研究依据组成的热处理条件等。P. Amosov是第一个比H. C. Sorby 和 A. Widmanst早30多年就开始这样的研究并使他能在显微镜下看到的结构非常精确图像的人。图6-2显示了由他绘制的珠光体结构（比较珠光体现代显微图6-14）。之后不久，铁碳合金的显微照片开始出现在专业书籍。在本世纪初，铁基合金的金相的第一个综合性专着由机管局Rzheshotarsky（俄罗

7、斯），A. Martens 和 Gein（德国）和H. M. Howe（美国）出版了。对比与任何其他金属，铁从来都不是绝对纯，总是含有杂质。通过避免高炉阶段直接还原的现代化过程可以得到杂质总质量仅0.01左右甚至更少的非常纯净的铁。但是商业铁（通常称为阿姆科铁），更多的时候是用于大批量开放式平炉的生产，商业铁包含平均99.8-99.9%和0.1-0.2的杂质，其中包括约0.02的碳，大约0.1的铜和百分之千分之一或万分之一其他各种元素。在本节后面给出的数据是指商业用铁的纯度。铁的熔点是1539（5）。铁在固态时有两种类型：铁（体心立方晶格）和铁（面心立方晶格） 铁和铁的晶格及平衡转变温度如图2

8、-15所示。铁的一个重要的状态是它可以存在于两个温度范围内：低于911和从1392至1539，这一事实的一个可能的解释是，次系统的自由能随着温度的变化而以一定的方式改变（如示意图6-3所示）。在温度低于911和高于1392的情况下，铁的自由能小于铁的自由能。在从911到1392的中间范围，面心立方晶格组成的具有较低的自由能，这就是为什么铁铁需要在911下加热，而铁铁却要在1392加热。高温状态下的铁（有时也称铁）是没有其它同素异形体形式。铁的机械性能可由以下参数表现：商业铁 直接还原铁 抗拉强度，千克力/平方毫米. . . . . 25 20屈服强度, 千克力/平方毫米 . . . . . 1

9、2 10伸长率, % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 60断面收缩率, %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 90布氏硬度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 70 由于各种因素的影响（例如，晶粒粗化降低硬度），铁的性质可能会偏离这些值。在768，铁发生磁性的转变，超过上述温度后变为非磁性（参见2-7） 铁可以和很多元素形成固溶体：与金属形成置换固溶体和与碳、氮和氢形成的间隙固溶体。特别值得讨论的是铁与碳形成的固溶体。碳在

10、铁中的溶解度主要取决于铁以 哪一种晶体形式存在。碳在铁的溶解度极小（小于0.02%），在铁中的溶解度要比这个高出上百倍（达到2%）自由状态下碳原子的直径为1.54纳米。 体心立方结构在边缘的中间处有12个间隙，晶体中这些间隙和空位的直径为0.62，不足以放置一个碳原子。铁的面心立方晶格中心有一个直径是1.02的空穴，碳原子可以占据这个空位，从而引起铁的晶格体积变大。由于碳原子外层电子的分解，碳原子的体积也变小，碳和铁原子电子层的重叠也是很可能的因此，从纯粹的几何的考虑可以看出，铁可以溶解碳原子，铁却不行。然而可以通过间接证明，铁可以溶解非常少量的碳。各种关于碳在铁的最大溶解度的研究数据很大程度

11、都不相同，从0.01到0.02，0.04，0.1，甚至到0.15%。我们在工程上和接下来的讨论中将采用0.02%这个值我们假定说，碳在铁的溶解度取决于铁晶格中某些缺陷，尤其是晶界处的大量缺陷。铁和碳及其他元素的固溶体叫做铁素体，铁和碳及其他元素的固溶体叫做奥氏体。奥氏体的晶格结构可以看成是由铁原子和碳原子共同组成的面心立方晶格。如果面心立方晶格里面的空位和空隙都被碳原子占据，其状态特点可以由图表6-4看出。但是由于碳原子的尺寸比空穴大，占据了空隙的碳原子会使晶格扭曲，使得其他的碳原子无法占据其他的间隙，溶解了一个碳原子的奥氏体的晶格的结构见图6-4b.碳原子置于晶胞的中心，由6个铁原子包围，从

12、而形成八面体。低碳的铁在室温下的晶格参数是2.86。低碳铁的参数是 3.56。后者的数值是有条件的，因为铁在室温下是无法存在的，这个数值是由外推法推断出来的。我们都知道，晶格的参数随温度和溶解原子的存在而增加。实验测量已经测出含碳量高于0.6-0.7%的钢中的奥氏体在室温下的晶格参数（图6-5），以及纯铁在高温下的晶格参数（见图6-5b）延长曲线到含碳量为零的点（见图6-5）或到室温（见图6-5b），就可以得到数值3.56。假如在室温下可能得到铁的话，这个参数是纯铁在室温中可以得到。金属学家对碳在奥氏体中的存在状态存在着争议，但是现在已经确定碳是二价电离子存在，而铁原子则是一价电离子。碳对晶体

13、贡献了两个电子而铁贡献了一个。这一事实解释了V.I.Prosvirin和他的同事发现的奥氏体的电解现象，以及在加直流电流下碳原子向负极运动的原因。6-3渗碳体渗碳体是铁碳化合物，由于碳在铁中的溶解度很低，所以钢在室温下的结构通常包含了渗碳体或其他碳化物等高含碳量的相。渗碳体的晶格结构非常的复杂，用图表来描述渗碳体的方法有很多，其中最常用的是图6-6。在图中可以看出，渗碳体的晶格由大量的八面体构成，这些八面体的轴线间以一定的角度连接起来，（为了不让图太复杂，没有把所有的八面体都画出来）每个八面体的中心都有一个碳原子占据，由于每一个铁原子属于两个八面体，包含所有由一个碳原子占据的八面体的混合物化学

14、式中的比值为3：1铁原子间通过单纯的金属游离状态连接。碳原子和铁原子间在晶体中的连接特性还没被确定。他们应该以一种既有金属性又有离子型的特点的特殊的连接方式连接（并且很可能的是，这种连接的特性类似于奥氏体中的碳和铁的连接）。无论如何，晶格中的铁和碳都具有活跃的离子型，金属和碳都同样表现出金属特性，这种情形和广泛的金属特性结合解释了渗碳体为什么含有金属成分（电子导体，金属光泽等）渗碳体的熔点接近1250，渗碳体没有同素异构，但在低温下具有铁磁性。当加热到217的时候渗碳体就会失去铁磁性。渗碳体硬度很高，（800HB以上并且可以轻松地刮断玻璃），但是延展性非常低，基本为0。这些特性是由于渗碳体复杂

15、的晶体结构造成的。渗碳体可以用以构成可替代的固溶体。它的碳原子可以由其它的非金属原子替代，如氮和氧。铁原子可以用其他的金属原子替换，如锰铬和钛，基于渗碳体晶格的固溶体称为合金渗碳体，通常用M3C来表示，其中M表示铁或其他的替换铁的金属，渗碳体是不稳定的混合物，在一些状态下会分解形成游离的碳（石墨），这个过程具有现实的重要性，主要是针对高碳合金（铸铁），这会在第八章作更加详细的讨论。6-4 相图铁碳合金相图中成份浓度从纯铁到渗碳体的部分见图6-7。图中的横坐标代表两个浓度尺度：碳和渗碳体。这里介绍一个简单的规则碳的含量乘以15就可以得到钢或铸铁中的渗碳体的质量和体积占的百分比。ABCD是液相线，

16、AHJECF是固相线。由于铁可以和碳形成渗碳体，并且有两个同素异形体铁和铁，系统中会存在以下的阶段。a， 液相（液态碳溶解于铁中），在液相线以上，用L表示；b， 渗碳体Fe3C，线DFKL范围内，在进一步的讨论中用Cem表示c， 铁素体，铁中溶解少数的的碳形成的结构组织，用F， 或-Fe表示。铁碳相图中铁素体的区域在线GPQ和HN 的左边。d， 奥氏体，碳溶解于铁形成的固溶体，在相图中线NJESG内，奥氏体通常用,或-Fe表示。图中的三条水平线HJB.ECF.PSK表示三个不稳定的反应的发生。 在1499，（线HJB），发生包晶反应：LB+FHJ反应产生了奥氏体。这个反应只在含碳量从0.1%到

17、0.5%的合金中才能观察到。 在1147，线ECF，发生共晶转变：LC+ECem产生由奥氏体和渗碳体组成的混合物，叫做莱氏体。在所有含碳量高过2.14%的合金中都可以发生共晶转变。 在727，线PSK，发生共析转变：SFp+Cem形成有铁素体和渗碳体合成的共析混合物，叫做珠光体。（名字是由于该组织结构的外表和珠相似）。珠光体（共析）转变在所有含碳量高于0。02%的合金中都可以发生，例如所有生产的工业铁碳合金。前面已经提到，铁碳合金相图的形式（含碳量在渗碳体前面的部分），例如，其特征线，已经被确定和证实，只有坐标上（典型的温度和集聚点）可能需要不断的修改。根据最新的实验数据，铁碳合金相图坐标上特

18、殊的点在表6-1(下图)中给出。 铁碳合金相图相当的复杂，为了方便我们分析铁碳合金的组织结构和转化，我们将其分成几个部分，接下来讨论的基本上不是新的知识，而是把第三章的材料应用到铁碳合金的特殊情形。图6-8是包含了左边部分（珠光体的形成区域）的更大范围的铁碳合金相图。 考虑含碳量K1低于0.1%时（例如，含0.05的碳）的合金的组织转变的顺序。 合金在点1开始固化，铁固溶体从液相中析出。固化的过程中，液相的浓度随B线变化（液相线的一部分），固相的浓度随着线H（固相线的一部分）。在固、液两相混合区中的点，液相的浓度由点c的 投影确定，固相的浓度由点b的投影确定。由杠杆原理可以计算固相的质量为ac

19、/bc,液相的质量为比ba/bc。在点2，液相的质量开始变为0，固化过程结束，形成均匀的铁固溶体。在点3到4的温度范围内，合金开始新的组织转变，铁固溶体转变成铁固溶体。各相的浓度沿着线 HN和JN的位置而改变。在点d，铁素体相的浓度由点e的位置投影确定，奥氏体相的浓度则由点f的位置确定，各相的质量可以有比例/=df/ed看出。在点4，合金的结构组织为铁固溶体。合金的冷却曲线见图6-8的右边。含碳0.16%的碳的冷却和合金K1 最初开始是相同的，例如，从浓度不同的相析出开始。在点J，温度1499度，液相的浓度点为B，相的浓度为点 H，点J浓度的相开始形成，由于三相共存，转变在恒温下进行，（c=k

20、-f+1=2-3+1=0）冷却曲线的6-6段是水平的。该过程遵循以下的反应LB+H+J并形成浓度为0.16%的奥氏体（相）。如果碳含量低于或高于0.16%（例如,J点的左边或右边），过量的相，或相应的液相（在进一步的冷却中将会转变为相）会发生珠光体的转变。转变到了线NJ和JE（点E在图6-8中没有表示出来）的末端结束，生产了均一组织的相。因此，任何含碳量低于0.5%的合金，不考虑中间转化产物相，反应最终会固化成为相（奥氏体）。X射线结构分析已经确定了奥氏体是碳溶于-铁形成的均一的固溶体。在X射线被发现以前，.Baikov运用了Chatelier的在高温下用蚀刻的薄片进行结构检验的方法。在高温下

21、蚀刻出材料薄片，该温度下的材料结构特性将会显现出来。在室温中对材料进行检验之后，材料在冷却到室温的过程中发生的转变对高温下的结构没有影响。通过这种方法，.Baikov说明了奥氏体是均匀的固溶体。图6-9是用.Bikov的方法得到的含碳量为1%的钢中的奥氏体的结构，因此，可以通过S射线结构和金相分析证明奥氏体是均匀的固溶体。 现在考虑含碳量超过2.14%的合金的初次结晶过程。（图6-10）通常这些合金的初次结晶在1147度发生共晶结晶转变下完成。共晶转变时，含4.3%碳的液相结晶变为两个固体相，奥氏体（含碳量2.14%）和渗碳体，即莱氏体的形成。凡是含碳量为4.3%的合金的共晶转变都是在恒温下发

22、生。在亚共晶合金中，也就是含碳量低于4.3%（但高于2.14%）的合金，共晶转变首先是初次奥氏体的结晶析出。K1合金就是一个例子，它的冷却曲线如图6=10所示。这种合金固化的开始由液相线上的点1决定。进一步冷却，不同组织成份的奥氏体晶体（成份由固相线的位置决定）会沉淀析出，液相浓度与液相线上的位置对应。在点，是跟L的两相区，液相的浓度由点b的投影确定，固相的浓度由点c的投影确定，固液两相的质量有以下的关系：液相的质量/固相的质量=c/b点2在温度1147，也就是K1垂直线和水平线ECF的交点。液相的质量与线E-2相对应，浓度由点C确定（含碳4.3%）在该温度下，发生共晶转变LcE+Cem 即合

23、金初步结晶完成。初结晶完的组织结构包括初次奥氏体和初次莱氏体。对过共晶合金，图6-10的K2点，结晶开始阶段在液相线CD（点4），生成初次渗碳体。渗碳体的结晶凝固使液态中的碳减少。在ECF线上的点5，液相达到C点的浓度，共晶结晶开始，合金初次结晶的组织结构由初次渗碳体和莱氏体构成。 前面的讨论表明下面的结论十分重要。含碳量少于2.14%的合金，初次结晶的组织结构是奥氏体；含碳量高于2.14%的合金，初次结晶的组织是莱氏体和剩余奥氏体或渗碳体。高温下这些组织的不同决定了这两种类型合金在冶炼过程和力学性能方面的明显差异。含共晶合金的合金塑性差，另一方面，高碳合金熔点低，适合做铸铁材料。含碳量少于2

24、.14%的铁碳合金叫做钢，高于2.14%的铁碳合金叫做铸铁。考虑含碳量极少的合金的固态转变。图6-11是铁碳合金相图最左边部分的比例放大图。浓度为K1的合金，也就是含碳量低于0.01%，在1000度的温度下含有奥氏体结构。铁在室温下只能以铁的形态存在，因此，转变，也就是奥氏体转变为铁素体，在冷却时会发生。合金的纯度高，不含任何碳，这个转变会在点G（温度911）发生，且温度不变。对含碳浓度为K1 的合金来说，转变会在点1和2间的温度段进行，其冷却曲线有一段弯曲线。合金在点1和2间是两相混合区，包含了不同浓度的相和相。点2下面，合金是均匀的固溶体（铁素体），进一步的冷却组织液相不会发生改变。铁素体

25、的组织结构见图6-12。第二冷却曲线表示了含碳量高于0.01%但是低于0.02%的合金（K2合金）中的转变。这种合金与前面提到的合金不同在于，垂直公共线PQ上的点5的进一步冷却发生在转变（在区域3到4之间）之后。.在点5上面，合金中的碳还未饱和。点5以下，合金中无法溶解原来浓度的碳，过量的碳以高碳相渗碳体从合金中沉淀析出。随着冷却该过程一直进行，导致了固溶体中的碳减少到0.01%。从铁素体中析出的渗碳体叫做三次渗碳体。（与从液相中析出的初次渗碳体和从奥氏体中析出的二次渗碳体相比较）。 我们来分析含碳量高的合金中的奥氏体的形成。我们先来分析共析合金。（图6-13含碳量0.8%的合金）冷却到点1（

26、S）奥氏体没有发生改变。点S在最低温度时奥氏体平衡，从该温度开始，发生共析转变，奥氏体转化为铁素体和渗碳体。忽略转变时铁素体中的含碳量（0.02%），反应可以写成：Fe（C）Fe+Fe3C 或 F+Cem转变产生了由铁素体和渗碳体薄片交替构成的珠光体。（图6-14）K1合金含0.5%的碳，相对于共析合金的浓度，含有过量的铁。所以从奥氏体中开始析出形成铁素体。GS线上的点2表示该过程的开始。冷却的进行，由于析出的铁素体中几乎不含碳，所以残留的奥氏体中的碳浓度增加。奥氏体的浓度随着曲线GS的变化而变化。在点b，合金的组织结构为铁素体和奥氏体，特别地，点代表铁素体的浓度和c点是奥氏体的浓度。这两相的

27、质量可以由杠杆原理得到铁素体的质量/奥氏体的质量=bc/b当接触到点3时，奥氏体达到共析浓度，开始在恒温下进一步转变为珠光体（冷却曲线3-3水平段）。转变完成的钢的组织结构为铁素体和珠光体（见图6-15）。铁素体和珠光体的质量取决于碳的含量。含碳量低于0.02%，结构中只含铁素体，含碳量为0.8%时只含珠光体。在这两个含碳量之间，钢的结构包括了铁素体和珠光体。珠光体的含量随着钢中碳的含量的增加而增加，其对应关系在图6-16中已经阐明。随着化学分析的应用，通过钢结构组织中铁素体和珠光体相对占据的区域来确定钢的含碳量已经在实际中广泛地应用。图6-13的K2垂直线表示含碳量高于0.8%的合金，奥氏体的转变从点5开始，也就是渗碳体在奥氏体中析出之后。渗碳体析出的过程中，奥氏体中碳含量随着线ES而减少，ES表明了奥氏体饱和时奥氏体中最大的含碳量。在点6，珠光体开始在固定的温度下形成（冷却曲线水平6-6部分），结果产生的结