1.3铁的同素异构转变
第二章 第三节 纯铁的同素异构转变
教学时间2014年3月28日教学对象13数控1班-2班课时1课时教学课题：第三节纯铁的同素异构转变教学目标：明确同素异构转变，掌握纯铁的同素异构转变。
教学重点：纯铁的同素异构转变。
教学难点：应用纯铁的同素异构转变分析问题。
教学准备：PPT教学过程:【复习】1、纯金属结晶的特点是什么？请解释其原因。
2、金属结晶时，结晶出来的晶体大好还是小好？细化晶粒的方法有哪些？3、金属常见的晶格类型有哪三种？请描述具体的空间结构。
【新课导入】通过前面的学习，我们知道金属结晶后是晶体结构，每种金属都有它自己的晶格类型。
如纯铁在1538℃，结晶出来的晶格类型是体心立方晶格的a－Fe 。
那么固体金属温度改变晶格类型会不会改变？请同学们阅读第三节第一段前两行内容。
【板书】第三节纯铁的同素异构转变一、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
【讲解】同素就是同种元素；由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性：αβγδ低温高温二、纯铁的同素异构转变（教师引导学生分析图2-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）例一．下列说法不你认为对的打√，错的打×1．在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。
------------------------------( ) 2．纯铁在780℃时晶体结构为面心立方晶格的γ—Fe。
------------------------- ( ) 3．45钢从室温加热到1000℃时，硬度降低，塑性提高，可进行锻造。
这是因为内部发生了改变的缘故。
---------------------------------------------------------- ( )例二．填写出纯铁在下列温度下的组织和晶体结构：温度（℃）组织名称晶体结构。
铁碳合金相图知识点讲解
铁碳合金相图1、纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。
钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。
但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。
金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
图a 面心立方晶体图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。
液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。
继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。
在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。
正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。
图1 纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。
但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。
另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。
如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。
磁性转变不是相变，晶格不发生转变。
770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。
2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。
在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。
（1）液相用”L”表示。
是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。
金属学(铁)及其热处理微观结构原理简析
金属学（铁）及其热处理微观结构原理简析铁与热处理：按铁金属原本面目讲：铁在液态下，晶粒的晶核是呈十字形，固化后的晶粒在三维空间呈柱型枝晶状（或称树状晶），晶粒内部的原子以金属键有规则地连接，形成晶粒内部的晶格式结构。
晶粒之间以枝晶相互交叉联接（晶须理论支持），形成了晶粒之间连接的组织机构。
铁是同素异构晶体，其晶粒内部原子晶格式的结构排列不是理想化的，有点、线、面的缺陷；碳原子的半径大于铁的晶格空隙半径，晶格排列理想情况下它进入不了铁的晶粒内部，但由于铁的晶粒内部的局部有晶格排列缺陷，少量碳原子就趁机进入了铁的晶格排列的缺陷处，形成晶粒的局部含碳原子，也就成为了“相”结构；面心与体心立方晶体的晶格排列结构不同，间隙就不同；同样的缺陷数量，含碳量就会不同，面心立方结构下的饱和含碳量是0.77%，体心立方结构下的饱和含量是0.0218%。
两个结构的饱和含碳量是35倍的差距，这几十倍的差距就凸显了碳原子降低晶体同素异构转变温度、转变速度、结构变化析出碳原子的重大作用，例如：所有的碳钢、合金钢的淬火都必须加热到晶粒的面心立方结构状态，就是利用此状态的晶格缺陷空间大、含碳量就大而导致的同素异构转变温度低与转变速度慢的特点，得到硬度高的结构。
渗碳体与晶粒缺陷处的碳原子在铁中的含量是少数，但它们极像一个染色剂，碳原子遍布于晶粒内部的缺陷处，渗碳体飘浮在晶粒的晶界上。
渗碳体Fe3C熔点1227℃度，含碳量是6.69%，具有复杂的晶体结构，高温时会变得很软，会被温度变化时，柱状晶粒生长产生的体积变化挤的变形，不同温度下有不同的变形；碳钢在含碳量相同时，相同的参数温度下有形状大致相同的碳化物形状。
柱型枝晶状晶粒之间的枝晶联接形成（晶须理论支持）的组织机构在机械轧制时，可出现方向纤维性，典型表面可见的是晶界上的碳化物被拉长变形。
铁的性能是由结构决定的，例如，奥氏体不锈钢是不导磁的，铁素体不锈钢是导磁的，马氏体不锈钢是导磁不太好的，但奥氏体不锈钢是面心立方结构，铁素体不锈钢是体心立方结构，马氏体不锈钢是不稳定的体心正方结构，结构才能决定是否导磁，与碳无关，与合金无关；就硬度而言：碳钢面心立方结构下的硬度低于体心立方结构下的硬度，体心立方结构下的硬度低于体心正方结构下的硬度，也是结构决定的；就体积而言：面心立方结构下的晶胞体积大于体心立方结构下的晶胞体积，所以，体心立方结构下的硬度就大于面心正方结构下的硬度，晶粒的体积大小也改变硬度，但与碳无关；就含碳量而言，奥氏体的硬度低于铁素体，但奥氏体的含碳量远远大于铁素体，说明含碳量的多与少决定不了钢的硬度，硬度与钢的碳含量的多与少无关。
纯铁的三种同素异构转变晶格类型为
纯铁的三种同素异构转变晶格类型为同素异构体是指同一种元素在晶体结构上具有不同的排列方式和晶格类型。
纯铁的三种同素异构转变晶格类型为FCC、BCC、HCP。
FCC（Face-Centered Cubic）晶格类型是指铁原子排列成一个面心立方体结构：每个立方体的六个面上有一个铁原子；每个原子周围有12个最近邻原子，八个在立方体的角上，四个在棱边上。
FCC结构在纯铁的高温下存在，随着温度的降低，纯铁的结构逐渐转变为其他结构。
BCC（Body-Centered Cubic）晶格类型是指铁原子构成一个体心立方体结构：每个立方体的八个顶点上和立方体中心都有铁原子；每个原子周围有8个最近邻原子。
BCC结构在低温下存在，一般在铸造或晶体生长中出现。
HCP（Hexagonal Close-Packed）晶格类型是指铁原子排列成一个六角形最密堆积结构：铁原子紧密堆积成一层六方形，第二层原子在第一层原子的三角形形成的空隙中排列。
HCP结构在纯铁的低温下存在，通常用于金属颗粒的研究。
纯铁的三种同素异构转变晶格类型的主要影响因素是温度和压力。
随着温度的升高，铁原子的热运动增强，原子之间的距离增大，FCC结构逐渐向BCC结构转变，直至温度到达912℃时，铁的结构完全转变为BCC结构。
随着压力的增大，铁原子的排列方式和晶格类型也会发生变化，压力越大，BCC结构向HCP结构转变的可能性就越大。
综上所述，纯铁的三种同素异构转变晶格类型为FCC、BCC、HCP。
这些结构的差异对铁的物理性质产生了深远的影响，如磁性、导电性、化学反应等。
因此，研究铁的晶体结构及其转变规律对于相关领域的科学研究和生产应用具有重要的意义。
纯铁同素异构转变过程
纯铁同素异构转变过程
小朋友们，今天我们来了解一个特别神奇的事情——纯铁的同素异构转变过程！
你们知道吗，纯铁可不是一直都保持着一个样子哦！在不同的温度下，纯铁会发生奇妙的变化，就好像变魔术一样。
首先呢，当纯铁被加热到1538℃的时候，它会从一种叫做“体心立方晶格”的结构变成另一种叫做“面心立方晶格”的结构。
这个过程就像是纯铁给自己换了一套新衣服一样。
这种从体心立方晶格到面心立方晶格的转变，我们把它叫做γ-Fe（伽马铁）。
接下来，当温度继续升高到1394℃的时候，神奇的事情又发生了！纯铁会从面心立方晶格的γ-Fe 变回体心立方晶格，不过这个体心立方晶格和最开始的那个有点不一样哦，我们把这个新的体心立方晶格叫做δ-Fe（德尔塔铁）。
然后呢，当温度慢慢降低的时候，纯铁又会开始变化啦！当温度降到912℃的时候，纯铁会从γ-Fe 再次变成体心立方晶格，不过这次的体心立方晶格和之前1538℃时变成的那
个是一样的，我们把这个叫做α-Fe（阿尔法铁）。
纯铁的同素异构转变过程是不是很有趣呢？就好像纯铁在不同的温度下，会换上不同的“衣服”，展现出不同的样子。
这个过程对于我们的生活也很重要呢！比如说，在制造钢铁的时候，人们就会利用纯铁的这种同素异构转变特性，来调整钢铁的性能，让钢铁变得更加坚固、耐用。
小朋友们，现在你们是不是对纯铁的同素异构转变过程有了一些了解呢？希望你们以后也能像科学家一样，去发现更多神奇的事情！。
铁的同素异形体 δ相
由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为α-Fe。
将纯铁加热，当温度到达912℃时，由α-Fe 转变为γ-Fe，γ-Fe是面心立方结构。
继续升高温度，到达1390℃时，γ-Fe转变为δ-Fe，它的结构与α-Fe一样，是体心立方结构。
纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为同素异构转变。
δ相：高温铁素体，由液态铁冷却到1538摄氏度发生结晶，液态铁转变为δ-Fe，C在δ-Fe中的最大溶解度为0.17%。
δ铁素体作为高温铁素体，在常温下相对少见，但在一些不锈钢中，仍然由δ铁素体保留到常温下。
但由于δ铁素体较脆，在加工中易引发裂纹，并且容易引发点腐蚀，所以一般都是作为有害相加以控制的。
所谓调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢。
一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
淬火成马氏体后在500~650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢。
经调质处理后，钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。
调质钢的成分是含碳0.25%～0.5%碳素钢或低合金钢和中合金钢，调质处理后的金相组织是回火索氏体。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
应用最广的调质钢有铬系调质钢(如40Cr、40CrSi)、铬锰系调质钢(如40CrMn)、铬镍系调质钢(如40CrNiMo、37CrNi3A)、含硼调质钢等。
钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。
索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。
索氏体具有良好的综合机械性能。
将淬火钢在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体（tempered sorbite）。
铁的同素异构转变
铁的同素异构转变一、引言铁是我们生活中常见的金属之一，具有广泛的应用领域。
然而，铁并不是单一的物质，它存在着同素异构现象，即存在多种不同的同位素。
本文将介绍铁的同素异构转变过程，探讨其在化学和物理领域的重要性。
二、同位素的概念同位素是指具有相同原子序数（即具有相同的质子数）的元素，但质量数不同的核素。
铁的同位素主要有铁-54、铁-56、铁-57、铁-58等。
这些同位素的存在使得铁具有了更多的性质和用途。
三、同素异构转变的过程同素异构转变是指同一元素的同位素之间相互转变的过程。
在铁的同素异构转变中，最常见的是铁-56和铁-57之间的转变。
具体过程如下：1. 铁-56的衰变：铁-56是铁最丰富的同位素，也是最稳定的同位素。
然而，在特定条件下，铁-56可以发生衰变，转变为铁-57。
2. 铁-57的生成：铁-57是铁的另一种同位素，相对不太稳定。
它可以通过多种方式生成，如核反应、放射性衰变等。
其中，最常见的方式是铁-56的衰变产生的。
3. 重要性：铁的同素异构转变对于核能的利用和物质的研究具有重要意义。
在核能领域，同素异构转变可用于核反应的控制和调节。
在物质研究中，同素异构转变可以揭示物质的性质和变化过程。
四、同素异构转变的应用铁的同素异构转变在实际应用中有着广泛的用途，以下是其中几个重要的应用领域：1. 核能发电：同素异构转变在核能发电过程中起到关键作用。
通过控制和调节同素异构转变的速率，可以实现核反应的平稳进行，从而产生大量的能量。
2. 放射性医学：铁的同素异构转变可用于放射性医学诊断和治疗。
例如，利用铁同位素的放射性衰变特性，可以在体内追踪某些疾病的发展过程，从而进行早期诊断和治疗。
3. 物质研究：同素异构转变对于物质的研究具有重要意义。
通过观察和分析同素异构转变的过程，可以揭示物质的结构、性质和变化规律，为材料科学和化学领域的研究提供有力支持。
五、结论铁的同素异构转变是铁元素自身的一种特性，通过同位素之间的相互转变，铁可以展现出不同的性质和用途。
铁 碳 合 金
铁碳合金
（1）共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.77％，当 冷却到S点时，就全部转变为珠光体P。
（2）亚共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数低于0.77％， 当冷却到GS线时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增 加，奥氏体逐渐减少。当冷却到PS线时，铁素体析出完毕，剩余的 奥氏体碳的质量分数变为0.77％，就转变为珠光体。因此，GS线与 PS线之间的结晶组织为铁素体和奥氏体，PS线以下的结晶组织为铁 素体和珠光体。这种组织的钢称为亚共析钢。
铁碳合金
2. 奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，通常用A（或γ） 表示。它仍保持γ-Fe的面心立方结构。Γ-Fe溶解碳的能力比α-Fe 大，在1 148 ℃时其溶解度最大达wC=2.11％。温度降低时，其溶 解度也降低，在727 ℃时，其溶解度为wC=0.77％。
稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度为727 ℃。奥氏体的硬度 不是很高（160～220 HBW），塑性很好，是绝大多数钢种在高温 进行压力加工时所要求的组织。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多 边形，晶界较铁素体平直。
同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基 体的钢铁材料中，这是钢铁材料性能多种多样、用途广泛， 并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。
铁碳合金
铁碳合金的基本组织
在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁 和碳可以无限互溶；在固态时，碳可以溶于铁中形成固溶体； 当碳含量超过固态溶解度时，则出现化合物。此外，还可以形 成由固溶体和化合物组成的机械混合物。现将铁碳合金在固态 下出现的几种基本组织分述如下。
铁碳合金
3. 渗碳体
铁与碳形成稳定的化合物称为渗碳体，通常用Fe3C表示。 渗碳体中碳的质量分数为6.69%，渗碳体具有复杂的晶格形式， 与铁的晶格截然不同，故其性能与铁素体差别很大。
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铁有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe，ε-Fe 四种晶型.
但是在常压下， ε-Fe不出现。
(1)
体心立方铁的热力学特征
A3、A4临界点的形成
扩大γ-相区和缩小γ-相区
合金元素影响临界点A入奥氏体中，改变了奥氏体的 自由焓。 有的合金元素扩大γ-相区，有的则缩小γ-相区。 有的元素降低fcc零点焓Gγ（0），增加面心立方结构的 结合能，使Gfcc曲线下移，这样就使γ- 相区扩大，使 A3下降，A4上升，这些元素就是所谓扩大γ-相区的合 金元素如Mn、Co、Ni、Cu。 反之，降低bcc零点焓的元素是缩小γ- 相区的合金元 素，如W、Mo、V、Ti。
1.3.2．铁的同素异构转变
（ 1 ）纯铁在常压下具有 A3 和 A4 两个相变点，低温 和高温区都具有体心立方结构，即α-Fe 、δ-Fe 。 而在A3~A4之间则存在面心立方的γ-Fe。 （ 2 ） Fe与C 形成 Fe-C 合金，钢中的临界点有： Ac1 ， Ac3，Acm，还有磁性转变点A2。 （3）Fe-C合金中加入合金元素形成合金钢或合金， 形成多种代位固溶体，间隙固溶体，碳化物，金 属间化合物等，从而导致复杂多变的固态相变。
铁碳相图
1.3
Fe的同素异构转变
Fe的同素异构转变是钢铁材料中相变复 杂性的根源，也是人类社会文明的物质 因素之一。
1.3.1．金属的同素异构转变
金属同素异构转变及合金的多形性转变是固态 相变复杂多变的根源。许多固态金属具有多种晶体 结构。如表1-1。 所有70余种金属元素中只有12种金属元素具有 多种晶型，而其余的非金属元素中只有两种元素具 有多种晶型。当金属元素形成金属间化合物，碳化 物等化合物时晶型还会有许多复杂的变化。 国民经济中应用最广泛的 Fe及其合金是典型的 具有多型性转变的金属。是人类开发利用较早并对 社会文明发挥了突出作用的金属。 钢及铁基合金中存在最为复杂的固态相变。这 些相变具有极大的应用价值。