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鐵碳合金中合金相的形成,與純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及碳在合金中的存在形式有關(guān)。
純鐵有三種同素異構(gòu)狀態(tài):912℃以下為體心立方晶體結(jié)構(gòu),稱α-Fe;912~1394℃為面心立方晶體結(jié)構(gòu),稱γ-Fe;1394℃以上,又呈體心立方結(jié)構(gòu),稱δ-Fe。在液態(tài),在低于7%碳范圍,碳和鐵可互溶;在固態(tài),碳在鐵中的溶解是有限的,并且溶解度取決于鐵(溶劑)的晶體結(jié)構(gòu)。
與鐵的三種同素異構(gòu)物相對應(yīng),碳在鐵中形成的固溶體有三種:α固溶體(鐵素體)、γ固溶體(奧氏體)和δ固溶體(δ鐵素體)。這些固溶體中,鐵原子的空間分布與α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致,碳原子的尺寸遠(yuǎn)比鐵原子為小,在固溶體中它處于點(diǎn)陣的間隙位置,造成點(diǎn)陣畸變。碳在γ-Fe中的溶解度大,但不超過2.11%;碳在α-Fe中的溶解度不超過0.0218%;而在δ-Fe中不超過0.09%。當(dāng)鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時,多余的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質(zhì)狀態(tài)(石墨)存在于合金中,可形成一系列碳化物,其中Fe3C(滲碳體,6.69%C)是亞穩(wěn)相,它是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。石墨是鐵碳合金的穩(wěn)定平衡相,具有簡單六方結(jié)構(gòu)。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩(wěn)定相,但該過程在室溫下是極其緩慢的。