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什么是纯铁[1]
纯铁是指工业纯铁,它的含铁量为99.8%~99.9%。其余为十几种杂质元素,如C、Si、Mn、S、P等,其中碳的含量约占0.0008%~0.0218%。
纯铁的特点[2]
(1)纯铁的概念
铁碳合金相图中,熔点为1538℃,含碳量为零的8-Fe,称其为纯铁。炼钢使用的工业纯铁是含碳量(质量分数)≤0.020%,并含有硅、锰、磷、硫、铝等元素,有别于纯铁。
(2)纯铁的晶格结构变化
液态纯铁从1538℃凝固开始到912℃区间基晶格结构发生三种变化。由于其本质仍为纯铁,故把这种变化称为同质异晶转变。
(3)纯铁的磁性变化
常温下纯铁为铁磁性金属,温度高于770℃转变为非铁磁性金属。这个转变温度又称为居里点。
(4)纯铁的塑性
纯铁的塑性随含碳量增加而降低。含碳量(质量分数)为0,02%的工业纯铁仍具有良好的冷热加工塑性,可以冷轧制成薄板、带材等。
纯铁及其同素异构转变[3]
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。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下,在不同的温度或压力范围内存在两种或两种以上的晶格形式,如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等,这类金属在冷却或加热过程中,其晶格形式会发生变化。同一元素的金属在固态下随温度改变,由一种丽格转变为另一种晶格的现象,称为同素异构转变(Allotropic Transformation),或称多品型转变,由同素异构转变所得到的不同昂格的品体称为同素异构(晶)体。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似,故称为二次结晶或重结品。
纯铁在冷却过程中出现3种同素异构体,液态纯铁在1538℃时开始结晶出具有体心立方晶格的8-Fe;继续缓冷到1394℃时8-Fe开始转变为具有面心立方晶格的v-Fe:再冷却到912℃时又由y-Fe转变为具有体心立方品格的a-Fe;继续冷却直到室温时,a-Fe的晶格类型***发生变化。
因为纯铁具有同素异构转变现象,所以在生产上能对钢和铸铁进行相变热处理,以达到改变钢铁内部组织和提***的目的。
金属(如纯铁等)的同素异构转变是一个重结晶过程,遵循结晶的一般规律;有一定的转变温度,转变时需要过冷,有潜热产生,转变过程也是由晶核的形成和晶核长大来完成。但是,这种转变是在固态下发生的,原子扩散较液态困难得多,因而比液态结晶需要有更大的过冷度;转变时由于晶格的致密度改变引起晶体的体积变化,往往要产生较大内应力。例如y-Fe转变为a-Fe时,铁的体积会膨胀约1%。在钢淬率火时,这种转变会产生应力,严重时会导致工件变形和开裂。一般来说,纯铁总是含有一些杂质。工业纯铁常含有W垫=0.1%~0.2%,含碳量很低,虽然塑性好,但强度和硬度都很低,所以很少用它制造机械零件,工业生产中常用的是铁碳合金。
纯铁的性能与用途[4]
(1)成分及力学性能
工业纯铁含铁量一般为99.8%~99.9%,常含有0.1%~0.2%的杂质(主要是碳),其力学性能如下:
①抗拉强度
=180~280 MPa;
②屈服强度
=100~170 MPa;
③伸长率
s=30%~50%;
④断面收缩率
ψ=70%~80%。
(2)用途
纯铁的塑性、韧性较好,强度、硬度很低,因此很少作为结构材料使用,纯铁具有很高的磁导率,主要用途是利用其铁磁性,制作仪器仪表的铁磁芯等要求软磁性的设备。