钢铁结晶过程及其平衡组织
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。
材料科学基础第8章 铁碳相图PPT课件
§7.5 二元包晶相图
(1)
• 包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成分 的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。
• 包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具有 的相图。
• 图形特点：
L
α
β Lp+αc = βD
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§7.5 二元包晶相图
(2)
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4 §7.6.3 具有无序-有序转变相图
(19)
有些二元系合金在一定成分和一定温度范围会发生有 序化转变，形成有序固溶体。
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4 §7.5.4 具有同素异晶转变的相图
(20)
当组元具有同素异构转变 时，形成的固溶体也常有 异晶转变。
Fe和Ti 在固态均发生同 素异构转变，故形成相 图时，在近铁一边有
➢铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶( F）。塑性 （δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。
➢奥氏体：碳溶解在γ —Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。
➢渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。
➢珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。
2 相图分析
点：14个。
线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：
GS,ES,PQ。
区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。
相图标注：相组成物标注的相图; 组织组成物标注的相图。
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(25)
2 相图分析
点：14个。
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铁碳合金相图
钢锭及其冶炼
冶炼工艺的主要任务 冶炼工艺的主要方法
钢锭的结构
钢锭是由冒口、锭 身、 底部组成
钢锭的内部缺陷
激冷结晶区（细小等轴结晶区） 没问题 柱状结晶区 没多大问题 树枝状结晶区 多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷 自由结晶区（粗大等轴结晶区） 多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈 所谓疏松组织 淀淀结晶区 常产生夹渣类缺陷
实例
Elliptical head Upper shell (Ⅰ、 Ⅱ) Conical shell Intermediate shell (lower) (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) Tube sheet Primary head (channel head)
实例
Upper head Core shell Lower head
锻造生产的特点及其在国民经济中的作用
特点 地位
大型锻件主要应用于以下方面
1、轧钢设备 2、锻压设备 3、矿山设备 4、火力发电设备 5、水力发电设备 6、核能发电设备 7、石油、化工设备 8、船舶制造工业 9、军工产品制造：
实例（核反应堆中主要锻件M140）
Closure head(monobloc) Vessel flange Inlet(outlet) nozzle Nozzle shell Core shell Transition ring Lower dome
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图 全貌。根据分析围绕三条 水平线可把Fe—Fe3C相图 分解为三个部分考虑：左 上角的包晶部分，右边的 共晶部分，左下角的共析 部分。 分析点、线、区特 别是重要的点、三条水平 恒温转变线 、重要的相
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。
共析钢的结晶过程和组织转变
共析钢的结晶过程和组织转变共析钢是指含有两种以上的元素，当经过相变时，会形成两个以上的固相同时的钢铁材料。
共析钢的结晶过程及组织转变，是一个极其复杂的过程，其主要与原料中的元素成分、热力学条件、以及冷却速度等因素有关。
共析钢的结晶过程是从液相到固相的转化过程，根据不同的组成和特性，其结晶方式也有所不同。
一般而言，共析钢的结晶过程可以分为五个阶段：初固、完全共晶、去定共晶、残余共晶和针状铁素体。
其中，完全共晶是指共晶固相钢中原油的量达到最大，其组织是由等量的铁素体和伴生的共晶相组成。
在组织转变方面，共析钢是一种具有明显点状铁素体和针状铁素体相混合的组织。
针状铁素体是共析钢中一种具有明显的变质损伤的相。
在共晶SAE783材料中，在800℃煮制2小时的条件下，针状铁素体会向共晶中Diffuse，从而增加了热稳定性。
同时，沿着黄花岗岩升华道在不同转变过程中会形成许多的针状铁素体。
因此，在共析钢中，针状铁素体不仅有重要的力学性能，同时它也能够对材料的耐热性起到明显的提高作用。
为了得到理想的共析钢组织，需要通过合理的热处理工艺来实现。
其中，共析钢热处理的方案必须考虑材料的化学成分、钳口工艺特征、以及预期的物理-机械性能等多个因素。
通过控制热处理温度和时长来实现材料的细化处理和组织转变。
而且，在热处理过程中，还需要处理好材料的冷却过程，以确保产生理想的共析钢组织。
总之，共析钢结晶过程及组织转变是一个非常复杂而且重要的热处理工艺。
在进行共析钢的制备和应用过程中，需要充分了解其特性及工艺要求，并遵循工艺步骤进行操作，以确保生产出高质量、稳定性好的共析钢材料。
铁碳相图详解
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金,按成分可分为三类：⑴ 工业纯铁（〈0.0218％ C ），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵ 碳钢(0.0218%~2。
11％C ），其特点是高温组织为单相A,易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0。
77%C)、共析钢（0.77％C ）和过共析钢(0。
77%～2.11％C ）。
⑶ 白口铸铁（2。
11％～6。
69%C ），其特点是铸造性能好，但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2。
11％~4。
3%C ）、共晶白口铸铁（4.3%C ）和过共晶白口铸铁(4.3-6.69%C)下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化.图3—26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁(图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体.继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从d 铁素体中析出奥氏体，在3～4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，d 铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间,不发生组织转变。
冷却到5点时,开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变.温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。
7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q .图3—27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为a+Fe 3C III ,如图3—28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②)的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0。
第8章 相平衡与相图原理(Fe-C合金平衡结晶过程)-1精品PPT课件
F+ Fe3CⅢ。
室温下Fe3CⅢ
最大量为:
0 . 0 2 1 8 0 . 0 0 0 8 Q F e 3 C I I I 6 . 6 9 0 . 0 0 0 8 1 0 0 % 0 . 3 %
㈡ 共析钢的结晶过程
合金液体在 1-2点间转变
为g。到S点
发生共析转 变：
gS→aP+Fe3C, g 全部转变
共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
Qg
6 .6 9 4 .3 1 0 0 % 6 .6 9 2 .1 1
5 2 .2 % ，
Q F e3C
4 7 .8 %
C点以下, g 成分沿ES线变化，共晶g 将析出Fe3CⅡ。
Fe3CⅡ与共晶Fe3C 结合，不易分辨。
1’
g
Fe3C
2
温度降到2点, g 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量:
过共晶白口铁 共晶白口铁 亚共晶白口铁
过共析钢 共析钢 亚共析钢
工业纯铁
⑶ 白口铸铁 (2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆
① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C)
② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
㈠工业纯铁的 结晶过程
合金液体在1-2
冷却时发生包晶反应.
Ⅲ
A
H
B
J
以0.45%C的钢为例 合金在4点以前通过匀
晶—包晶—匀晶反应全
G S
P
a+Fe3C
部转变为g。到4点，由
g 中析出a 。到5点, g 成分沿GS线变到S点，g 发生
共析反应转变为珠光体。温度继续下降，a 中析出
分析45钢结晶过程及其组织转变
分析45钢结晶过程及其组织转变一、学习目标知识目标：·了解铁碳合金相图的含义·分清钢与铁的区别；·熟悉铁碳合金基本相组织；·明确铁碳合金相图的点、线、区域的含义；·掌握典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；能力目标：·能分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织转变；·能确定铁碳合金相图在零件选材、毛坯加工、热处理等方面的应用。
二、任务引入铁碳合金在结晶时由于铁和碳的含量不同会结晶出不同的晶体，又由于铁有同素异晶转变，所以45钢结晶后在冷却过程中随温度变化晶体结构会发生变化。
三、相关知识钢和铸铁是机械制造中应用最多的金属材料。
钢铁的品种繁多，成分各不相同，但都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。
含碳量w c ≤2.11％的铁碳合金叫钢，含碳量w c ≥2.11％的铁碳合金叫铸铁。
在铁碳合金中铁和碳可以生成一系列的化合物，如Fe 3C 、Fe 2C 、FeC 等。
由于含碳量高的Fe 2C 、FeC 脆性大，无实用价值，因此一般只研究碳含量w c ＜6.69%的铁碳合金，故铁碳合金相图也可以认为是3Fe Fe C 相图。
（一）铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁组成化合物，而化合物与固溶体还可结合成多相复合组织，因此铁碳合金中出现以下几种基本组织。
1.铁素体碳溶于Fe α-晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体，用F 表示。
Fe α-是体心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较小，所以碳在Fe α-中的溶解度也较小，在室温时接近于零，在727℃溶解度最大为w c =0.0218%。
由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织和性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。
2.奥氏体碳溶于Fe γ-晶格间隙中形成的间隙固溶体，为奥氏体，用A 表示，如图1-17所示。
Fe γ-是面心立方晶格，由于晶格原子之间的间隙较大，所以奥氏体的溶碳能力较强，在l148℃时，溶碳量可达2.11％。
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1.共析钢的结晶过程及平衡组织
图中（1）线的共析钢从高温液态冷却时，与相图中的AC、.AE和.PSK线分别交于1、2、3点。
该合金在1点温度以上全部为液相（L）；缓冷至1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体；缓冷至2点温度时，液相全部结晶为奥氏体；当温度缓冷至3点温度时（727℃）时，奥氏体发生共析转变，生成珠光体组织，用符号P表示，共析转变式为。
这种由一定成分的固相，在一定温度下同时析出紧密相邻的两种或多种不同固相的转变，称为共析转变，发生共析转变的温度称共析温度。
当温度继续下降时，铁素体成分沿PQ线变化，将会有少量的渗碳体（称为Fe3CⅢ）从铁素体中析出，并与共析渗碳体混在一起，这种渗碳体（Fe3CⅢ）在显微镜下难以分辩，故可忽略不计。
因此，共析钢的室温平衡组织为珠光体。
2、亚共析钢的结晶过程及平衡组织
以图中（2）合金为例。
冷却时与图中的AC、.AE.、GS和PSK线分别交于1、2、3、4点。
该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。
当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降纸，铁素体量不断增多，成分沿GP线变化，奥氏体量逐渐减少；当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。
随后的冷却过程中，也会从铁素体中析出三次渗碳体（Fe3CⅢ），但因量少忽略不计，因此亚共析钢的室温平衡组织为珠光体和铁素体。
必须指出，随亚共析钢含碳量的增加，组织中铁素体量将减少。
图中白亮色部分为铁素体，呈黑色或片层状的为珠光体。
3、过共析钢的结晶过程及平衡组织
过共析钢的结晶过程以图中（3）中合金为例。
冷却时与图中AC、.AE、.ES和PSK线分别交于1、2、3、4点。
该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。
当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3CⅡ），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至4点（727℃）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。
因此，过共析钢室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。
二次渗碳体一般以网状形式沿奥氏体晶界分布。
图中片状或黑色组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。
4、共晶白口铸铁的结晶过程及组织
共晶白口铸铁的碳质量分数Wc=4.3%，该合金冷却时，与图中EF、.PSK线分别交于1、2点。
该合金在1点以上为液相，缓冷至1点温度（即C点、1148℃）时，液体在恒温下同时结晶出奥氏体和渗碳体两种固相，称为莱氏体或高温莱氏体，用符号Ld表示。
这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种或多种固相的转变，称为共晶转变。
共晶转变式为Ld---→(AE+Fe3C)。
共晶转变完成后，莱氏体在继续冷却过程中，其中的奥氏体将不断折出二次渗碳体，奥氏体中的含碳量沿ES线逐渐向共析成分接近，当温度降到2点（727℃）时，发生共析转变，形成珠光体，而二次渗碳体保留到室温。
因此，共晶白口铸铁的室温组织为珠光体和渗碳体的两相组织，称为变态莱氏体（或低温莱氏体），用符号“Ldˊ”表示。