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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