第四章 铁碳合金
（一）名词解释：何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、二次渗碳体(Fe3CⅡ)、珠光体、莱氏体和变态莱氏体?分别写出它们的符号。
参考答案：
铁素体：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号F或α表示。
奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号A或γ表示。
渗碳体：渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，其晶体结构比较复杂。它的分子式为Fe3C，含碳量为6.69%。
二次渗碳体(Fe3CⅡ)：含碳量大于0.77%的铁碳合金，由1148℃到727℃的缓慢冷却过程中，过剩的碳将以渗碳体的形式沿着奥氏体的晶界析出。当其析出量较多时，将形成为较完整的网状分布。这种随着温度的下降不断从奥氏体中析出的渗碳体所构成的组织称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。
珠光体：奥氏体通过共析反应所生成的铁素体(F)与渗碳体(Fe3C) 这两相细密的片层相间
示
的机械混合物——共析体(Fp + Fe3C)组织称为珠光体，常用符号P表。
莱氏体：液态铁碳合金通过共晶转变生成奥氏体（A）和渗碳体(Fe3C)组成的细密机械混合物共晶体(A + Fe3C)。其中渗碳体是连续分布的基体相，奥氏体为树枝状晶的第二相。这种共晶体称为莱氏体，或高温莱氏体，常用符号Le 或Ld表示。另外共晶转变产生的莱氏体，冷到727℃以上温度时，莱氏体中的奥氏体将析出二次渗碳体，其组织变为(A+Fe3C Ⅱ+Fe3C)，仍为奥氏体与渗碳体的机械混和物，仍称为莱氏体或高温莱氏体，常用符号Le(或L d)表示。
变态莱氏体：高温莱氏体Le (A+Fe3CⅡ+Fe3C)冷却到727℃以下，其组织中奥氏体（A）发生共析转变，高温莱氏体变为 (P+Fe3CⅡ+Fe3C)，即为珠光体(P)与渗碳体的机械混合物，称为变态莱氏体或低温莱氏体，常用Le′(或L d′)符号表示。
（二）填空：
1.在平衡条件下，当碳钢的含碳量大于0.9﹪时，其机械性能的变化规律是，由于形成较完整的网状Fe3CⅡ，不仅使塑性和韧性进一步下降，而且强度也明显下降，但硬度仍然上升。
2.按用途和质量进行分类：
45钢是优质碳素结构钢，其含碳量约为0.45﹪。
3.按用途和质量进行分类，Q235-A.F是碳素结构钢，其中Q235表示其屈服点值为235Mpa，
A表示质量等级为A级，F表示沸腾钢。
4.按用途和质量进行分类，T12A是高级优质碳素工具钢，其含碳量约为1.2﹪。
5.比较平衡态的T8钢和T12钢， T8钢的强度高，T12钢的硬度高。
6共析成分的铁碳合金在室温时的平衡组织是 珠光体(P) ，其组成相为F ＋ Fe3C。 7.在铁碳合金在室温时的平衡组织中，含Fe3CⅡ最多的合金成分是 E点成分(2.11﹪)，含Le ′最多的合金成分是C点共晶成分(4.3﹪)。
（四）选择题
1.铁素体的力学性能特点是 C 。
A、强度高、塑性好、硬度低；
B、强度低、塑性差、硬度低；
C、强度低、塑性好、硬度低。
2.按铁碳相图，钢与铁成分分界点的含碳量是B、2.11%。
A、0.77%
B、2.11%
C、0.0218%
D、4.3%
3.P是钢中的有害元素，它会使钢产生B、冷脆。
A、回火脆性
B、冷脆
C、蓝脆
D、热脆
4.珠光体是B、两相混合物。
A、单相固溶体
B、两相混合物
C、三相混合物
D、化合物
5.不能进行锻造的铁碳合金有D、共晶白口铸铁
A、共析钢B亚共析钢 C、工业纯铁D、共晶白口铸铁
（五）问答题及计算题
1.根据Fe-Fe3C相同，说明下列现象的原因：
(1)低碳钢具有较好的塑性，而高碳钢具有较好的耐磨性和硬度；
(2)在室温下，含碳量0.8%的钢的强度比含碳量1.2%的钢高；
(3)钢适宜于锻压成形，而铸铁不能锻压，只能铸造成形?
(4)绑扎物体一般用铁丝(镀锌低碳钢丝)；而起重机吊重物用的钢丝绳(用60、65、70、75)等钢制成。
(1)答：根据Fe-Fe3C相图，低碳钢的含碳量比高碳钢低，其平衡组织中铁素体量相对较多，而Fe3C相对较少。铁素体是一种塑性好的相，而Fe3C又硬又脆，因此低碳钢具有较好的塑性，而高碳钢具有较好的耐磨性和硬度。
(2)答：根据Fe-Fe3C相图，含碳量0.8﹪的碳钢室温时的平衡组织为珠光体。如果铁碳合金的基体是铁素体，而渗碳体作为强化相，它的数量越多，分布越均匀，则合金的强度越高。因此，当渗碳体与铁素体构成片层状珠光体时，合金的强度得到很大的提高。珠光体在平衡的组织组成物中的强度几乎是最高的。又根据Fe-Fe3C相图，室温时，含碳量从0.8﹪增至1.2﹪时，碳钢的原奥氏体晶界将形成完整的网状Fe3CⅡ，即含碳量1.2﹪的碳钢室温时的平衡组织为P+完整的网状Fe3CⅡ。完整的网状Fe3CⅡ降低了珠光体P各领域之间结合力，使强度下降，所以在平衡条件下含碳量0.8﹪的碳钢的强度高于含碳量1.2﹪的碳钢的强度。
(3)答：根据Fe-Fe3C相图，含碳量0.4﹪的碳钢高温时可获单相奥氏体组织，其强度低，塑性好，可以锻造。而含碳量4﹪的生铁不论在高温下或在室温下，都含有大量的基体相Fe3C，Fe3C硬而脆，无塑性，所以含碳量4﹪的生铁不能锻造。
含碳量4﹪的生铁接近共晶成分。共晶体或接近共晶成分的合金的铸造性能最好，这是因为它在恒温下结晶(即结晶温度区间为零)，没有偏析，流动性好，结晶时容易形成集中缩孔，铸件的致密性好，同时熔点又最低。因此含碳量4﹪的生铁只能适宜铸造成形。
(4)答：根据Fe-Fe3C相图，低碳钢铁丝和高碳钢钢丝绳(用60、65、70、75等)的平衡组织均为F+P组织。但低碳钢铁丝的含碳量比高碳钢钢丝绳(用60、65、70、75等亚共析高碳钢)低，因此低碳钢铁丝中塑性较好的先析F组织相对亚共析高碳钢钢丝绳多，而亚共析高碳钢钢丝绳中强度较高P体组织相对低碳钢铁丝多。这使得低碳钢铁丝具有较好的塑性和低的塑性变形抗力，可用于绑扎物体，而高碳钢钢丝绳具有较高的强度和较低但足够防止脆断的塑性，可用作起重机吊重物用的钢丝绳。
2..随着钢中含碳量的增加，钢的力学性能有何变化？为什么？
当钢的含碳量小于0.9%时，随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度显著上升，而塑性、韧性不断下降；当钢的含碳量大于0.9%时，由于形成了较为完整的网状二次渗碳体，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降，但硬度始终上升。
这是因为实验证明，两相混和物合金的力学性能与成分的变化主要呈直线关系，即主要决定于两相的性能和相对量。这里有两种情形：一种是受组织形态影响较小的性能，它与成分的变化呈直线关系，如硬度与成分的变化呈直线上升，即随着钢中含碳量的增加，硬度始终上升。另一种情形是对组织形态敏感的性能，如强度、塑性和韧性等，还要受到组织形态的影响，根据铁碳相图，详细情形分析如下：
在含碳量极低的工业纯铁中，其组织是由强度、硬度很低而塑、韧性极好的铁素体与极少量三次渗碳体组成，故它的强度、硬度很低而塑、韧性极好。
而随着含碳量的增加，进入了亚共析钢成分，形成了铁素体+珠光体组织。
如果合金的基体是铁素体，而渗碳体作为强化相，则渗碳体的数量越多，分布越均匀，合金的强度就越高。因此，当渗碳体与铁素体构成片层状珠光体时，合金的强度得到很大的提高。但是由于珠光体中片状渗碳体端部尖角处的应力集中效应显著，因此使得它的塑性和韧性，特别是韧性a k值明显低于直线关系值而比较低。故在亚共析钢中，随着含碳量的增加和珠光体的数量增多，其强度(及硬度)就越高，而塑性、韧性都相应降低。
但是在过共析钢中，随着含碳量的增加，沿原奥氏体晶界析出的二次渗碳体将形成较为完整的网状分布。脆硬且强度较低的二次渗碳体割裂了基体组织，造成了强度迅速下降，并使塑性和韧性进一步下降。
3.比较退火状态下20钢、T8钢、T12钢的硬度、强度和塑韧性的高低，并根据Fe-Fe3C相图简述其原因。
答：按含碳量由低至高排列为：20钢、T8钢、T12钢。根据铁碳相图，它们的组成相均为F ＋ Fe3C。但随着钢中含碳量的增加，F减少而Fe3C增加。由于F相硬度低、塑性好，而Fe3C是硬度高塑韧性差的相，因此这三种钢的硬度依次提高，而塑韧性依次下降。
另外根据铁碳相图，它们的组织依次为：先析F+P→P→P+ Fe3CⅡ(注：T8钢含碳量为0.8%，约等于共析成分0.77%，在工业上近似作为共析成分的钢，)。如果铁碳合金的基体是铁素体，而渗碳体作为强化相，它的数量越多，分布越均匀，则合金的强度越高。因此，当渗碳体与铁素体构成片层状珠光体时，合金的强度得到很大的提高。珠光体在平衡的组织组成物中的强度几乎是最高的，因此三种钢中T8钢的强度最高。T12钢中因网状Fe3CⅡ存在而割裂基体降低强度，故强度比T8钢低。20钢组织中因先析铁素体(先析F)软且所占比例大，其珠光体比例远低于T12钢，因此20钢强度最低。
由上得出结论：20钢塑韧性最高，而硬度和强度最低，T8钢的强度最高，T12钢硬度最高，而塑韧性最低。
4-5.分析含碳量分别为0.60%、1.2%的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织，并计算各铁碳合金室温时的各相的相对重量和各组织组成物的相对重量，并画出室温时其组织示意图，用箭头和符号标明其组织。
4-5-1.绘出Fe-Fe 3C 简化相图，并填写组织组成物；分析含碳量0.6﹪的铁碳合金从液态缓冷至室温的结晶过程（用冷却曲线表示），计算室温时其组织组成物的相对含量，并画出室温时其组织示意图，用箭头和符号标明其组织。
答： (1)题图4-5-1(a)为填写组织组成的简化Fe-Fe 3C 相图。(2)图4-5-1(b)为含碳量0.6﹪的铁碳合金Ⅲ从液态缓冷至室温的结晶过程，
图
4-5-1(a)
(2)图
4-5-1(b)
为含碳量
0.6﹪的铁碳合金Ⅱ从液态缓冷至室温的结晶过程，
4-5-2.绘出简化Fe-Fe 3C 相图，并填写组织组成物；分析含碳量1.2﹪的铁碳合金从液态缓冷至室温的结晶过程（用冷却曲线表示），计算室温时其组织组成物的相对量，并画出室温时其组织示意图，用箭头和符号标明其组织组成物。
答： (1) 上题图4-5-1(a)
为填写组织组成的简化Fe-Fe 3C
相图。(2) )
图4-5-2(b)为含碳量1.2﹪的铁碳合金Ⅲ从液态缓冷至室温的结晶过程，
(3)共析反应后缓冷至室温各组织的相对量。 共析转变结束后冷至室温tx温度，合金的组织为珠光体P + F(先共析)。
成分为0.6%C合金Ⅱ处于室温
tx，其组织中
先共析铁素体F的成分在室温tx
下几乎为0%C，
而其珠光体
P 的成分始终为S点成分(0.77%C)。设合金总重量为Q=1，先共析铁素体F相对重量
为Q F ，而珠光体P 的相对重量为Q P ，如图4-3由杠杆定律则得： (4)如图4-5-1(e)所示，为合金Ⅲ在室温时其组织
示意图，图中用箭头和符号标明了其组织组成tx(5) Fe %C 22.7077.06.077.0=??==Fes st x F Q 77.3%C
%C 22.711=?=?=F Q Qp
(3)共析反应后至室温各组织的相对量。
共析转变结束后至室温，合金的组织为珠光体P +二次渗碳体Fe3CⅡ。
tx
成分为1.2%C合金Ⅲ处于室温tx，二次渗碳体Fe3CⅡ的成分仍为k点成分(6.69%C)；
而珠光
体P 的成分始终为S点成分(0.77%C)。设合金总
重量为Q=1，二次渗碳体Fe3CⅡ相对重量为Q Fe3CⅡ
，而珠光体P 的相对重量为Q P ，如图4-5-2(d)由杠杆定律则得： %C 3.777
.02.177
.069.63=??==sK Kt x CII Fe Q
92.7%C
%C 7.311=?
=?=FeCII Q Qp
(4)如图4-5-2(e)所示，为合金Ⅲ在室温时其组织示意图，图中用箭头和符号标明了其组织组成
（三）是非题：
1.碳素亚共析钢都属于低碳钢或中碳钢。(× )
2.20钢比T12钢的含碳量高。(× )
3. Fe 3C Ⅰ与Fe 3C Ⅱ的形态和晶体结构都不相同。(× )
4．在退火状态下（近似于平衡状态），45钢比20钢的硬度和强度都高。( )
5.在平衡结晶过程中，只有成分为4.3﹪的铁碳合金才能发生共晶反应。(× )