铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
铁碳合金相图及平衡组织分析
实验三铁碳合金相图及平衡组织分析一、实验目的1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，建立Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系3.了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备二、实验原理通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。
按组织分区的Fe-Fe3C相图（一）铁碳合金中的几种基本相和组织（1）铁素体（F）。
它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。
具有磁性及良好的塑性，硬度较低。
用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒。
亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。
（2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%。
用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。
此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。
（3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。
由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。
因此，铁素体后，渗碳体薄。
硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。
1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。
钢铁合金平衡组织的观察与分析
钢铁合金平衡组织的观察与分析实验目的实验说明实验内容实验方法指导实验报告要求思考题一：实验目的(1)观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
(2)了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。
(3)进一步熟悉金相显微镜的使用。
二：实验说明碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系。
因此，熟悉并掌握它们的组织是对钢铁材料使用者最基本的要求。
1．碳钢和白口铸铁的平衡组织平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。
铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe—Fe3C相图来分析。
从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(C)组成。
但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。
碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表1。
表1各种铁碳合金在室温下的显微组织2．各种相组分或组织组分的特征碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其组织中各相组分和组织组分的形状和性能如下：铁素体：铁素体经w(HNO3)=3％~5％酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白亮色多边形晶粒，如图1所示。
随着钢中碳质量分数的增加，铁素体质量分数减少，当其质量分数较多时呈块状分布(图2)，碳质量分数接近共析成分时往往呈断续的网状分布在珠光体的周围。
铁素体具有良好的塑性和韧性，但硬度较低，一般为80~120 HBS，强度也较低。
图1 工业纯铁的显微组织图2 w(C)=0.45%碳钢的显微组织渗碳体：渗碳体经w(HNO3)=3~5%酒精溶液浸蚀后，也呈白亮色。
一次渗碳体呈长条状分布在莱氏体之间，如图3所示；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上，如图4所示；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状，如图5、图6所示。
图3 过共晶白口铸铁组织中的一次渗碳体图4 过共析钢(w(C)=1.2%)组织中的二次渗碳体图5 中倍下的珠光体图6 高倍下的珠光体铁素体和渗碳体经w(HN03)=3％~5％酒精溶液浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则渗碳体被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。
铁碳相图中平衡相和平衡组织的计算
铁碳相图中平衡相和平衡组织的计算作者：朱守琴来源：《世界家苑》2018年第10期摘要：铁碳相图是铁碳合金的平衡相图，通过铁碳相图根据杠杆定律可以计算铁碳合金中的各平衡相的含量和各平衡组织的含量，可以大致的分析出铁碳合金不同性能原因。
其中铁碳合金的硬度主要和相的组成有关，相的计算可以公式化。
而强度、塑韧性等性能主要与组织有关，组织的计算需分析铁碳合金的平衡结晶过程。
关键词：平衡相图；杠杆定律；平衡相；平衡组织Calculation of equilibrium phase and equilibrium structure in iron carbon phase diagramZHU Shou-qinMechanical and Electronic Engineering College Chaohu University，chaohu 238000，China） Abstract：The iron-carbon phase diagram is the equilibrium phase diagram of the iron-carbon alloy.According to lever law，the content of each equilibrium phase and the content of eachequilibrium structure in the iron-carbon alloy can be calculated by the iron-carbon phase diagram.Thecause of different properties of iron-carbon alloy can be roughly analyzed.The hardness ofiron-carbon alloy is mainly related to the composition of phase，and the calculation of phase can be formulated.The properties of strength，plasticity and toughness are mainly related to the microstructure.The equilibrium crystallization process of Fe-C alloy should be analyzed in order to calculate the microstructure.Key words：equilibrium phase diagram，lever law，equilibrium phase，equilibrium organization1.引言鐵碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，铁碳合金是应用广泛的工程材料，因此学好铁碳相图是从事各类加工和热处理的基础。
铁碳合金相图及平衡组织分析
实验三铁碳合金相图及平衡组织分析一、实验目的1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，建立Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系3.了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备二、实验原理通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。
按组织分区的Fe-Fe3C相图（一）铁碳合金中的几种基本相和组织（1）铁素体（F）。
它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。
具有磁性及良好的塑性，硬度较低。
用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒。
亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。
（2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%。
用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。
此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。
（3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。
由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。
因此，铁素体后，渗碳体薄。
硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。
1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析1.1典型铁碳合金的平衡组织观察与分析一、实验目的1通过实验能识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2掌握碳含量对铁碳合金平衡组织形貌及相组成比例的影响。
二、实验原理简介利用金相显微镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析或金相分析。
合金在极其缓慢的冷却条件如退火状态下所得到的组织称为平衡组织。
铁碳合金平衡组织的观察与分析要依据Fe-Fe3C相图来进行。
1室温下铁碳合金基本组织特征1铁素体F 铁素体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。
经35的硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现白亮色多边形晶粒。
在亚共析钢中铁素体呈块状分布当合金的含碳量接近于共析成分时铁素体则呈断续的网状分布于珠光体晶界上。
2渗碳体Fe3C 渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。
经35的硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下为白亮色若用苦味酸钠溶液浸蚀则渗碳体呈暗黑色而铁素体仍为白亮色由此可以区别铁素体和渗碳体。
由于铁碳合金的成分和形成条件不同渗碳体可以呈现不同的形状一次渗碳体是由液相中直接结晶出来呈板条状游离分布二次渗碳体是从奥氏体中析出的呈网状分布在珠光体晶界上三次渗碳体是从铁素体中析出呈窄条状分布在铁素体晶界上。
3珠光体P 珠光体是铁素体和渗碳体的两相复合物。
在平衡状态下它是由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。
经35的硝酸酒精溶液浸蚀后铁素体和渗碳体皆为白亮色而两相交界呈暗黑色线条。
在不同的放大倍数下观察时组织特征有所区别。
如在高倍600倍以上下观察时珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色而两相交界为暗黑色在中倍400倍左右下观察时白亮色的渗碳体被暗黑色交界所“吞食”而呈现为细黑条这时看到的珠光体是宽白条铁素体和暗黑细条渗碳体的相间复合物在低倍200倍以下下观察时无论是宽白条的铁素体还是暗黑细条的渗碳体都很难分辨这时珠光体呈现暗黑色块状组织。
4变态莱氏体Ld 变态莱氏体是珠光体和渗碳体组成的复合物。
第六章 铁碳合金状态相图的分析及平衡组织观察
第六章铁碳合金状态相图分析及组织观察一、概述铁碳合金状态图是研究铁碳合金的组织与性能关系的重要工具。
了解和掌握铁碳合金状态图对于制定钢铁材料的各种工艺有很重要的指导意义。
下面分别讨论纯Fe；共析钢；亚共析钢；过共析钢；共晶白口铁；亚共晶白口铁；过共晶白口铁等几个典型合金的结晶过程，以深入了解铁碳合金相合肥组织的形成规律及其组织特征。
1、含0.01％C合金的结晶过程及组织特征含碳0.01％的合金为工业纯铁，其结晶过程如下（参照图1中的合金①）。
液态金属在1～2点温度区间按匀晶转变结晶出单相δ固溶体。
δ固溶体冷却导3点时，开始发生固溶体的同素异构转变Aδ→。
由于δ相晶界上的能量转高，因此，奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形成，然后长大。
这一转变在4点结束，合金全部转变为单相奥氏体。
奥氏体冷却到5～6之间又发生同素异构转变γα→，转变为铁素体。
铁素体也同样是在奥氏体晶界上优先形核，然后长大。
铁素体冷到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和。
冷到7点以下，将从铁素体中析出过剩的渗碳体。
这种渗碳体一般沿铁素体晶界析出，称为三次渗碳体。
因此，工业纯铁室温下的组织为铁素体和三次渗碳体所组成。
铁碳平衡状态图2、共析合金的结晶过程及组织特征当温度在1点以上时，合金全部为液态。
当合金降温至1点，并稍微过冷，开始从液体中析出奥氏体。
继续降温从液体汇总析出奥氏体，液相的浓度沿BC 线变化，奥氏体的浓度沿JE 线变化。
两相相对重量的比值可由杠杆定律求出： QLaOQA Ob ＝奥氏体初次晶在液态金属中自由长大，一般呈树枝状。
降温至2点结晶终了，变成了单相的奥氏体组织。
在2－3点温度区间，为单相奥氏体，相的浓度等于合金的成分，没有成分和组织的变化。
在3点共析成分的奥氏体发生共析转变，形成的转变产物为珠光体。
平衡条件下所得的珠光体组织是一层铁素体和一层渗碳体交替排列的机械混合物。
用3％硝酸酒精溶液浸蚀后，窄的条纹为渗碳体，宽的白色条纹危房铁素体，这是因为浸蚀时，铁素体被均匀浸蚀，而渗碳体叫铁素体硬，不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外。
铁碳合金的分类及其平衡结晶综述
室温相组成：α+Fe3C，两相相对量为：
Fe C
3
2K 6.69% 4.3% 100% 100%; PK 6.69% 0.0218 % 1
渗碳体包括三部分：共晶渗碳体、 二次渗碳体和共析渗碳体
上一内容
下一内容
PK
100 % 88 .7%, Fe3C 1 11 .3%
在显微图4.6（b）中黑色线条可视为渗碳体，白色部分为 铁素体。
上一内容
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二．典型铁碳合金的结晶过程
2. 亚共析钢（以含碳量0.55%的亚共析钢为例） 过成分点作垂线，和相图上的液相线、固相线、GS线、共析线分别交1、 2、3、5点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
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二．典型铁碳合金的结晶过程
5.亚共晶白口铸铁 以含碳量为3.0%的合金为例。过成分点作垂线，和液相线、共晶线、 共析线交于1、2、3点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
先 先 先 L3.0 L 先 E LC 1148 E Ld （ 先 Fe3C） Ld （ S Fe3C） Ld
L0.55 L 0.55
先
先 P
S
727
先 P
P
先
P
图中，白色为先 共析铁素体，黑 色为珠光体
上一内容
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二．典型铁碳合金的结晶过程
室温组织组成物：α先+P。两组织相对量用杠杆定律 （连接线PS？）
727 （P Fe3C） L/d
铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
E(2.11C%)~ K(6.69C%)
共晶白口铁C
过共晶白口铁(CK之间)
2.11~4.3 4.3
4.3~6.69
二、典型合金的平衡结晶过程
曲工
线业
和纯 平铁
(C<0.02%)
衡
结
晶
过 程
的 冷
却
组织：F或F+ Fe3C Ⅲ ，Fe3C Ⅲ 通常沿 晶界析出。 性能：σb 、HBS↓，δ 、Ak↑
组织：P+ Fe3CⅡ 组织特征：Fe3CⅡ呈网状分布于层片状P周围 性能特点：硬度高，塑、韧性低
P Fe3C Ⅱ
T12钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀）
共 线晶 和白 平口 衡铁 结的 晶冷 过却 程曲
共晶白口铸铁（Wc =4.3%）
高温组织：高温莱氏体（Ld→ A+Fe3C ） 室温组织：低温莱氏体（L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 性能：硬而脆
晶界
F
工业纯铁的室温平衡组织 250×
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
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第三节 铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
一、铁碳合金的分类
名称
C含量%
工业纯铁(P以左)
<0.0218
钢P(0.02C%） 亚共析钢(PS之间) ~E(2.11C%)
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47.8%
( WγE = 1-47.8% = 52.2% )
第四节 含碳量对铁碳合 金平衡组织和性能的影响
一、含碳量对平衡组织的影响
随C含量 ，铁碳合金组织变化：
α+Fe3C α+P P P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’
P+Fe3CⅡ Ld’+Fe3CⅠ
C% ，Fe3C
Fe3C的形态及分布：随C
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
亚共晶白口铁 2.11%<C%<4.3%
t1 t2
t3
L
L 初
L 共晶+Fe3C即Ld
共晶 转变
初Fe3CⅡ 共晶Fe3CⅡ
共+Fe3C即P 初+Fe3C即P
室温组织 ：
共析 转变
P +Fe3CⅡ+L'd(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)
组织：P+ Fe3CⅡ +L’d （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
三、杠杆定律的应用
1、0.4%C钢
K
组织组成物：α+P
S 0.4 0.77 0.4
Wα
PS
100% 49.5%
0.77 0.0218
WP=1-49.5%=50.5%
相组成物：α+Fe3C
K 0.4 6.69 0.4
Wα
PK
100% 94.3%
6.69 0.0218
WFe3C=1-Wα=1-85.3%=14.7%
3、几种Fe3C量的计算
(1)
Fe3C共析
PS PK
0.77 6.69
0.0218 100% 0.0218
11.22%
( Wα = 1-11.22% = 88.78% )
(2)
Fe3C共晶
EC EF
4.3 2.11 100% 6.69 2.11
共晶白口铁C
过共晶白口铁(CK之间)
2.11~4.3 4.3
4.3~6.69
二、典型合金的平衡结晶过程
曲工
线业
和纯 平铁
(C<0.02%)
衡
结
晶
过 程
的 冷
却
组织：F或F+ Fe3C Ⅲ ，Fe3C Ⅲ 通常沿 晶界析出。 性能：σb 、HBS↓，δ 、Ak↑
晶界
F
工业纯铁的室温平衡组织 250×
Fe3CⅢ(α晶界上) P(α基体上,层片状) Fe3CⅡ网状(原γ晶界) Ld’(基体) Fe3CⅠ(长条状)
二、碳含量对力学性能的影响
1、钢
C% ， Fe3C ， σb ，HB ，ψ ，αk
钢含碳量一般<1.3%。
2、白口铁 Fe3C ，作基体。HB ，ψ ，αk 。 应用不广泛。
三、含碳量对工艺性能的影响
1、为选材提供成分依据；
2、为制定热加工工艺提供依据；
3、使用时的局限性：
(1)、不说明非平衡组织及变化； (2)、不反映相变机理及动力学； (3)、只表示极纯的铁碳合金，不
反映合金钢的情况。
性能：硬而脆。
Fe3CⅡ
A
P
L’d
过共晶白口铁 （4.3% <C%< 6.69%
L
t1
LFe3CⅠ
t2
L +Fe3C 即Ld
共晶 Fe3CⅡ
t3
转变
+Fe3C即P
共析 转变
室温组织: Fe3CⅠ+L'd 即 Fe3CⅠ+[(P+Fe3CⅡ)+Fe3C]
组织：L’d+ Fe3CІ （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 性能：硬而脆。
组织：P+ Fe3CⅡ 组织特征：Fe3CⅡ呈网状分布于层片状P周围 性能特点：硬度高，塑、韧性低
P Fe3C Ⅱ
T12钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀）
共 线晶 和白 平口 衡铁 结的 晶冷 过却 程曲
共晶白口铸铁（Wc =4.3%）
高温组织：高温莱氏体（Ld→ A+Fe3C ） 室温组织：低温莱氏体（L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 性能：硬而脆
1、切削加工性能 硬度在HB170~250时最好。 含碳量：低碳钢：α ，易粘刀；
高碳钢：Fe3C ，HB ； 中碳钢：切削加工性能好。
导热性：γ导热性 ，加工硬化率 ， 切削加工性 。
2、可锻性
C% ，γ态下，可锻性 ； 白口铁不可锻。
3、铸造性
根据相图形状。 共晶白口铸铁，铸造性能好。
四、铁碳相图的应用
6.69 0.0218
WFe3C=1-Wα=1-94.3%=5.7%
2、1.0%C钢
K
组织组成物：P+Fe3CⅡ
K 1 6.69 1
Wα
KS
100% 96.1%
6.69 0.77
WP=1-96.1%=3.9%
相组成物：α+Fe3C
K 1 6.69 1
Wα
PK
100% 85.3%
组织：P＋F
组织特征： 随WC% ↑， ① P% ↑ ，F% ↓ ； ② F形态由块状→断续网状。
性能特点：随WC% ↑， P% ↑， σb 、 HBS ↑， δ 、Ak ↓
a、0.2%C
b、0.45%C c、0.6%C
过 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
过共析钢（0.77% <WC<2.11%）
第三节 铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
一、铁碳合金的分类
名称Leabharlann C含量%工业纯铁(P以左)
<0.0218
钢P(0.02C%） 亚共析钢(PS之间) ~E(2.11C%)
共析钢S
0.0218~0.77 0.77
过共析钢(SE之间)
0.77~2.11
白口铁 亚共晶白口铁(EC之间)
E(2.11C%)~ K(6.69C%)