第五节　铁碳合金的金相组织及热处理

一、铁碳合金的基本组织

钢和铸铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们都是铁碳合金。不同成分的钢和铸铁的组织都不相同，因此，它们的性能和应用也不一样。铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。

1.铁素体（F）

碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体（简称α固溶体），通常用符号F表示。晶体结构呈体心立方晶格，碳在α-Fe中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有0.008%，在727℃ 时最大溶解度为0.0218%。铁素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑性和韧性则很高，δ=50%。

2.奥氏体（A）

碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体（简称γ固溶体），通常用符号A表示。晶体结构呈面心立方晶格。由于γ-Fe晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的高温区间，具有一定的强度、硬度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。

3.渗碳体Fe3C

它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。渗碳体的性能很硬很脆，HBW≈800，δ≈0。渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。

4.珠光体（P）

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。所以其性能介于它们两者之间，强度较高，σb=750MPa ，HBS=180，同时保持着良好的塑性和韧性δ=（20～25）%。

5.莱氏体（Ld）

奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。它是wC=4.3%的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。因奥氏体在727℃时将转变为珠光体，所以在727℃以下， 莱氏体由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体，用符号Ld'表示。莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

二、钢的热处理

钢的热处理指将钢在固态进行不同程度的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的性能的一种工艺。热处理的目的是改善钢的性能。

1.热处理的分类

钢的热处理可以分为两类，分别是普通热处理和表面热处理。

普通热处理包括退火、正火、淬火及回火；表面热处理包括表面淬火和化学热处理（如渗碳、氮化等）。

2.典型热处理工艺

退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速率冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。

正火，又称常化，是将工件加热至Ac3（Ac3是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的临界温度，一般为727～912℃之间）或Acm（Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 ）以上30～50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中通过喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是使晶粒细化和碳化物分布均匀化用以提高材料硬度，改善加工性能，去除材料的内应力，稳定工件的尺寸，防止变形与开裂。

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速率的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。

将经过淬火的工件重新加热到低于临界温度Ac1（加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度）的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用于减小或消除淬火钢件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延展性或韧性。淬火后的工件应及时回火，通过淬火和回火的相配合，才可以获得所需的力学性能。

3.特殊热处理工艺

调质处理是一种特殊的组合热处理工艺，实际上包括淬火加高温回火工艺。调质处理的目的是使处理材料获得强度、塑性皆佳的综合性能。

三、金属材料的工艺性能

金属材料适应冷热加工的能力，称为加工工艺性能，简称工艺性能。工艺性能好的材料易于承受加工，生产成本低；工艺性能差的材料在承受加工时工艺复杂、困难，不易达到顶级的效果，加工成本也高。

1.铸造性能

金属材料多数是通过冶炼、铸造而得到的，如各种机械设备的底座，汽轮机、发电机的机壳、阀门，磨煤机的耐磨件等。液体金属浇注成型的能力，称为金属的铸造性能，它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。

流动性是指金属对铸型填充的能力。金属的流动性好，可以浇注成外观整齐、薄而形状复杂的零部件。

收缩率是指铸件冷凝过程中体积的减少率，称为体积收缩率。

铸件冷凝时，由于种种原因会造成化学成分的不均匀，叫作偏析。偏析可使材料整体冲击韧性降低，质量变坏。

2.锻造性能

重要零件的毛坯往往要经过锻造工序，如汽轮机、发电机的主轴、轮毂、叶片，大型水泵和磨煤机的主轴、齿轮等。材料承受锻压成型的能力，称为可锻性。

金属的锻造性能可用金属的塑性和变形抗力（强度）来衡量。金属承受锻压时变形程度大而不产生裂纹，其锻造性能就好。金属的锻造性能取决于材料的成分、组织及加工条件。

通常低碳钢具有较好的可锻性，低碳钢的可锻性最好。随着含碳量的增加，钢的可锻性降低。合金钢的可锻性略逊于碳钢。一般情况下，合金钢中合金元素含量越多，其可锻性越差。铸铁则不能承受锻造加工。

金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。

3.焊接性能

金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊接接头的能力，称为金属的焊接性。在电厂中有大量金属结构件是用焊接方法连接的，如锅炉管道、支架、蒸汽导管、管道、风管、汽包、联箱等。

金属的焊接性能主要取决于材料的化学成分，也取决于所采用的焊接方法、焊接材料（焊条、焊丝、焊药）、工艺参数、结构形式等。

衡量一种材料的焊接性，需要做焊接性试验。

影响钢的焊接性能的主要因素是钢的含碳量，随着含碳量的增加，焊后产生裂纹的倾向增大。钢中其它合金元素的影响相应小些。将合金元素对焊接性的影响都折合成碳的影响，即碳当量。

4.切削性能

金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很容易切削，但难以获得较高的光洁度；不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象，光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170～230之间为宜。