渗碳体（铁与碳形成的金属化合物）

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更新时间：2023-05-20
渗碳体
铁与碳形成的金属化合物
渗碳体（cementite）是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为ωc=6.67%，熔点为1227℃。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW=800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。
在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。分为一次渗碳体（从液体相中析出）、二次渗碳体（从奥氏体中析出）和三次渗碳体（从铁素体中析出）。
基本信息
中文名
渗碳体
外文名
cementite
化学式
Fe3C
熔点
1227 ℃
结构
间隙化合物
弱铁磁性
230 ℃
含碳量
6.69%
收起
理化特性
渗碳体
渗碳体的分子式为 Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。
渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。
渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解：Fe3C→3Fe+C，所分解出的单质碳为石墨。
渗碳体（Fe3C或Cm）：渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的斜方晶体结构，熔点为1227℃。在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到HB800以上，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
形成过程
初生渗碳体：在铁一碳合金平衡结晶过程中，具有过共晶成分的合金（过共晶白口铸铁）的液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体称为初生渗碳体。
共晶渗碳体：在莱氏体组织中，点条状渗碳体均匀分布在奥氏体基体上，这种渗碳体称为共晶渗碳体。
先共析相及先共析渗碳体：具有亚共析和过共析成分的合金，在发生共析转变前，总是随着温度的降低，先析出构成共析转变产物的某一相，先析出的相叫先共析相，如亚共析钢中的先共析铁素体和过共析钢中的先共析渗碳体。由于形成条件不同，先共析相的形态有块状、网状和魏氏组织三大类。
共析渗碳体：珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
二次渗碳体：在铁－碳合金平衡结晶过程中，具有共析成分（含碳量）以上的合金（过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）在缓冷到一定程度时，奥氏体中的含碳量达到饱和，继续降温就会沿奥氏体晶界析出渗碳体，在显微组织上呈网状分布。这种由奥氏体中析出的渗碳体叫二次渗碳体。
三次渗碳体：工业纯铁在平衡冷却至碳在铁中的固溶线（Fe-C平衡图PQ线）以下时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和，温度再下降，将从铁素体中析出三次渗碳体。三次渗碳体是从铁素体晶界上析出，由于数量很少，一般沿铁素体晶界呈断续片状分布。
自由渗碳体：是指那些游离于珠光体（共析组织）或莱氏体（共晶组织）等机械混合物（组织）之外的而作为一种独立的相存在的渗碳体，如先共析渗碳体、初生渗碳体等。
加工工艺
钢中渗碳体以各种形态存在，外形和成分有很大差异。一次渗碳体多在树枝晶间处析出，呈块状，角部不尖锐；共晶渗碳体呈骨骼状，破碎后呈多角形块状；二次渗碳体多在晶界处或晶内，可能是带状、网状或针状；共析渗碳体呈片状，退火、回火后呈球状或粒状。在金相图谱中渗碳体白亮，退火状态呈珠光色。一次渗碳体和破碎的共晶渗碳体只有在莱氏体钢丝，如9Cr18、Cr12、Cr12MoV和W18Cr4V中才能见到，只要热加工工艺得当，冷拉用盘条中的一次渗碳体块度应较小、无尖角，共晶碳化物应破碎成小块、角部要圆滑，否则根本无法拉拔，渗碳体带轻度棱角的盘条，可以通过正火后球化退火+轻度（Q020%）拉拔+高温再结晶退火的方法加以挽救。带状和网状渗碳体也是拉丝用盘条中不应出现的组织，这两种组织提高钢的脆性，不利于钢丝加工成形，显著降低成品钢丝的切削性能和淬火均匀性，对网状2.5级的盘条可用正火的方法改善网状，一般来说钢丝经冷拉-退火两次以上循环，网状可降低0.5-1级。