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α-Fe的磁性转变与β-Fe的身世之谜

余冬梅;欧尔彪;付海燕;张燕辉;赵丹

【期刊名称】《金属世界》

【年(卷),期】2013(000)001

【总页数】4页(P17-20)

【作者】余冬梅;欧尔彪;付海燕;张燕辉;赵丹

【作者单位】兰州理工大学材料科学与工程学院,兰州730050;兰州理工大学材料

科学与工程学院,兰州730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,兰州730050;兰

州理工大学材料科学与工程学院,兰州730050;兰州理工大学材料科学与工程学院,

兰州730050

【正文语种】中文

钢铁概述

钢铁是我们生活中运用最为广泛的金属材料，它承载着社会的发展和人类的进步。

铁器的使用极大地推动了中国农耕文明的发展，因而铁器时代成为了人类发展史中

一个尤为重要的时代，具有里程碑式的历史意义。不论工业还是农业，钢铁都是制

造工具最基本的金属材料，与我们的生产和生活密不可分。对于比比皆是的钢铁，

它和人类一样也有家族，更有秘密。关于钢铁，你是否曾经走近过它，是否了解过

它的秘密呢？世间万物都以其各自的形态呈现着，正是其多样性丰富着我们的大千

世界。现在就让我们一起走近钢铁，从微观到宏观来剖析它的结构与性能及其相互

间的关系，揭开其真正的面纱，洞悉隐藏在背后的秘密。

铁的磁性解析及转变

想必大家都知道铁具有磁性，小学的自然课本里就有介绍，或许儿时都有玩过磁铁

的经历吧！对于铁具有磁性，大家并不为奇，可是你知道铁的磁性是怎么产生的吗？

又是否知道铁的磁性还会发生转变？众所周知，物质大都是由分子组成的，分子是

由原子组成的，原子又是由原子核和电子组成的。从哲学角度来看，世界是由物质

构成的，物质是运动的，原子也不例外。其实在原子内部，电子不停地自转，并绕

原子核旋转。电子的这两种运动都会产生磁性。但是在大多数物质中，电子运动的

方向各不相同、杂乱无章，磁效应相互抵消，因此大多数物质在正常情况下，并不

呈现磁性。然而，铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质却有所不同，它们内部的电子

自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，这种自发磁化区就叫

磁畴[1]。所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量

原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原

子磁矩排列的方向不同[1]。磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁

性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。磁性与非磁性的本质区别在于物质里

面的电子是不是在总体上有一定方向性的运动[1]。例如有些磁性物质，在剧烈撞

击后失去磁性就是这个原因。铁磁类物质磁化后，内部的磁畴整整齐齐、方向一致

地排列起来，使磁性加强，这就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过

程，磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力，铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一

起了。我们就说磁铁具有磁性了。

铁-渗碳体相图简介

钢铁是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所组成

的合金。其中除Fe(铁)外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为

铁-碳合金。铁-碳合金中的碳有两种存在形式：通常情况下形成化合物Fe3C(称

为渗碳体)，但特殊情况下也可形成石墨相。当碳以Fe3C的形式存在时，可以把

Fe3C看作一个组元，此时的铁–碳相图称为Fe-Fe3C系相图；当碳以石墨形式存

在时，铁-碳图称为铁-石墨相图。石墨相的吉布斯自由能比Fe3C相低，故Fe-

Fe3C系相图称为介稳系相图；铁–石墨相图为稳定相图。通常，铁-渗碳体系的介

稳系与稳定系相图被叠绘在同一坐标中，这就是所谓的铁-碳“双重”相图(见图

1)。其中实线表示按介稳态转变的Fe-Fe3C相图；虚线表示按稳态转变的铁-石墨

相图[1]。铁与碳组成的重要合金相有铁素体、奥氏体、马氏体、渗碳体及石墨相。

碳溶于α-Fe和δ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，具有体心立方结构，分别

用α(或F)及δ表示；碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，具有面心立

方结构，以γ(或A)表示；马氏体就是碳在α-Fe中过饱和的间隙固溶体。钢中的

马氏体一般有两种类型的结构：一种是体心立方，如含碳极微的低碳钢或无碳合金

中的马氏体；另一种也是体心立方，出现在含碳极高的钢中，碳原子呈部分有序排

列[2]，体心立方的一个轴会被拉长，形成略有差异的体心正方晶体结构。

铁-渗碳体二元合金相图中α-Fe加热时在770℃