金相学史话(3):Fe-C平衡图
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。
铁碳相图及相变过程
下贝氏体：过冷奥氏体在350℃~Ms的转变产物。由过饱和针状铁素体和渗碳体形成的混合物，但渗碳体在铁 素体针内；
特征：呈黑色针状或竹叶状；
粒状贝氏体：过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁 素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相 混合物，称为M-A组织。
铁素体：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，溶碳能力极差； 特征：具有良好的韧性和塑性；呈明亮的多边形晶粒组织；
马氏体：碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，体心正方结构； 常见的马氏体形态：板条、片状；
板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多成群的、相互平行排列的板条所组成的板条束。空间形状是 扁条状的，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）；
粒状珠光体：由铁素体和粒状碳化物组成。它是经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。 特征：碳化物成颗粒状分布在铁素体上。
上贝氏体：过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，由过饱和针状铁素体和渗碳体形成的混合物， 渗碳体在铁素体针间；
特征：典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，脆性，硬度较高
渗碳体：碳与铁形成的一种化合物Fe3C 特征：含碳量为6.67%，具有复杂的斜方晶体结构；硬度很高，脆性极大，韧性、塑性几乎为零；
珠光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体组成的片层相间的机械混合物； 特征：呈现珍珠般的光泽；力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好；
解析铁碳平衡相图
解析铁碳平衡相图铁碳平衡图（The Iron-Carbon Diagrams）连聪贤ㄧ、目的及要求本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。
要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。
牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。
掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。
二、内容铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。
铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。
典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。
碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
铁碳合金状态图的实际应用。
锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。
碳铁的分类、编号、性能和用途。
三、学习要领铁碳合金状态图是金属热处理的基础。
必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。
练习绘制铁碳合金状态图，对不同成分的合金结晶过程进行分析。
四、课程纲要（一）铁碳合金的构成元素及基本相1. 合金的构成元素与名词解释（1）金属特性：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。
金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。
（2）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。
（3）相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分，物理上均质且可区分的部分。
（4）固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
（5）固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
铁碳合金--超全金相图
2.按钢的质量分类:
* 碳素钢: Wp = (0.035% ～ 0.045%) Ws = (0.035% ～ 0.050%) * 优质碳素钢: Wp = 0.035% Ws = (0.030% ～ 0.035%) * 高级优质碳素钢: Wp ≤ 0.030% Ws = ( 0.020%～0.025% )
二)钢锭的组织及其宏观缺陷
镇静钢 半镇静钢
沸腾钢
1.镇静钢 ( killed steel )
钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝 进行了充分脱氧 ,Wo = 0.01%左右, 成 分较均匀、组织较致密。主要用于机 械性能要求较高的零件。
2.沸腾钢 ( boiling steel )
钢液在浇注仅前进行轻度脱氧, Wo = 0.03%～0.07%,成分偏析较严重、 组织不致密。机械性能不均匀, 冲击韧 性差, 常用于要求不高的零件。
Fe – C 二元相图
温 度
Fe
Fe3C Fe2C (6.69%C)
FeC
C
第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元 和基本组织的结构与性能
一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
二.基本组织
1.铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于 α–Fe中形成 的间隙固溶 体。
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭 高炉 炼铁 炼钢生铁 生产铸铁件
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
电弧炉炼钢
1.炼铁的冶金反应特点:还原反应
Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 高温 CO气体
金相学史话
金相学史话郭可信(中国科学院物理研究所北京电子显微镜实验室，北京2724 信箱，100080)金相学史话(1)：金相学的兴起【摘要】Widmanstabtten在19世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片，观察到片状Fe-Ni奥氏体的规则分布(魏氏组织)，予告金相学即将诞生。
Sorby在1863年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样，不但看到珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织，还对钢的淬火和回火作了初步探讨，金相学已基本形成。
到19～20世纪之交，Martens (马氏)和Osmond对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献，同时Roberts·Austen (奥氏) 和Roogzeboom初步绘制出Fe-C平衡图，为金相学奠定了理论基础。
到了二十世纪中叶，金相学已逐步发展成金属学、物理冶金和材料科学。
【关键词】金相学；历史；早期史金相学或更广义一点的金属学及金相热处理是冶金系与机械系大多数专业学生的必修课，讲述的内容是金属与合金的组织结构以及它们与物理、化学和力学性能间的关系。
随着现代技术的发展，新材料层出不穷，金相学的范围也已不限于金属与合金，逐渐渗透到无机非金属材料、矿物、有机高分子等，发展成为材料科学这门新学科。
我国出版的金相学或金属学教课书却很少讨论这门学科的早期发展历史，广大金相热处理工作者成天与奥氏体、马氏体、魏氏组织等名词打交道，甚至还在使用索氏体、屈氏体等已过时的名词，而不清楚它们的来历。
本着温故知新的宗旨，我们准备编写一些金相学史话，陆续发表，介绍金相学(广义的) 发展过程中的一些有意义的史实，并借此阐明一些观点。
由于有些古老的文献在国内查阅不到，不得不从一些书刊专论中引用第二手的资料，再加上作者的知识又有局限性，错误之处一定不少，尚请读者指正。
英文金相学Metallography 这一名词在1721年首次出现于牛津《新英语字典》(New English Dictionary) 中，不过那时这个名词的含义是金属及其性能的学问，并未涉及组织结构。
Fe-Fe3C相图分析ppt课件
wL'd 1wFe3CI 71%
Q
精选版课件ppt
1 C 2 3
4
D F
K K’
24
白口铸铁的相及组织
• 白口铸铁的室温相为
α+Fe3C
• 亚共晶白口铁的金相组织
P + Fe3CⅡ + L’d
共晶白口铁的金相组织 L’d =P + Fe3CⅡ + Fe3C(共晶）
• 过共晶白口铁的金相组织
Fe C + L’d 3 I
复习
Fe-Fe3C相图 点 线 相区
工业纯铁的结晶过程分析
相 组织组成物
精选版课件ppt
1
A
δH
B JNΒιβλιοθήκη γGα PS
Q
L
C E
精选版课件ppt
D F
K
2
工业纯铁
室温相：Ｆ+Fe3C 室温组织：Ｆ+Fe3CⅢ 组织特点： 在缓慢冷却条件下，Fe3CⅢ以断续
沿Ｆ晶界析出。
精选版课件ppt
3
钢的结晶 过程分析
1）力学性能与物理性能
温
Ｌ
度
强度
能性
成分
精选版课件ppt
电导率
成分 37
2)工艺性能
铸造
压力加工
焊接性
切削加工性能
热处理
精选版课件ppt
38
温度
温度
A
B
A
B
流动性
流动性
缩孔体积
A
B
A
B
分散
分散
缩孔体积
集中
集中
A
精选版课件ppt
39
铁碳合金相图及平衡组织分析
P+Fe3CⅡ （白网） 4%硝酸酒精溶液
L´d+ Fe3CⅠ 4%硝酸酒精溶液
过共晶白口铁（4%硝酸酒精溶液）
F+P
4%硝酸酒精溶液
铁碳合金相图及平衡组织分析铁碳合金相图及平衡组织分析Fe—Fe3C合金平衡相图亚共析钢过共析钢过共晶白口铁亚共晶白口铁
铁碳合金相图及平衡组织分析
F+P
4%硝酸酒精溶液
L´d+ Fe3CⅠ 4%硝酸酒精溶液
工业纯铁（4%硝酸酒精溶液）
15钢（4%硝酸酒精溶液）
45钢（4%硝酸酒精溶液）
65钢（4%硝酸酒精溶液）
T8钢（4%硝酸酒精溶液）
T12钢（4%硝酸酒精溶液）
T12钢（碱性苦味酸钠水溶液）
共晶白口铁（4%硝酸酒精溶液）
亚共晶白口铁（4%硝酸酒精溶液）
铁碳合金相图及平衡 组织分析
Fe—Fe3C合金平衡相图
共
析
工
钢
业
纯
铁 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
铁碳合金平衡组织试样
序号 试样名称 处理状态 显微组织
浸蚀剂
1 工业纯铁2Leabharlann 15钢345钢
4
65钢
5 T8钢
6 T12钢
7 T12钢
8 亚共晶白口铁
9 共晶白口铁
10 过共晶白口铁
P+Fe3C Ⅱ （黑网） 碱性苦味酸钠水溶液
T12钢（碱性苦味酸钠水溶液）
F+P
4%硝酸酒精溶液
L´d+ Fe3CⅠ 4%硝酸酒精溶液
65钢（4%硝酸酒精溶液）
P+Fe3CⅡ （白网） 4%硝酸酒精溶液
Fe-C相图
室温组织 含钢量在0.0218％～0.77％范围内的碳钢合金其组织由先共析 铁素体和珠光体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐 渐减少，而珠光体的数量则相应地增多；亮白色为铁素体，暗 黑色为珠光体。
20钢室温显微组织（250×） 60钢室温显微组织（250×）
过共析钢
在平衡态下的相变过程
当温度在1点以上合金④是均匀的液相状态。在1～ 2 点之间是该 合金的结晶温度区间，是A和L两相共存区。即当温度降到1点以 下从L相中按成核长大方式结晶出A相，当温度降到2点则L相全部 结晶成单相A。2～3点之间A单相区只有A的简单冷却，无相变。 3～4点之间是A和Fe3CⅡ的两相区。即温度降到3点以下，由于 碳在奥氏作中的溶解度下降，因而从奥氏体中以二次渗碳体 （Fe3CⅡ）的形式析出多余的碳。这种渗碳体也称先共析渗碳体。 随温度下降Fe3CⅡ的相对质量百分数逐渐增加，而A的相对质量 百分数逐渐减少，并且二次渗碳体沿着A的晶界呈网状分布。与 此同时A中碳的质量分数沿ES线也不断的减少。当温度降到4点 （727C）时A的Wc≈0.77%。于是A就发生恒温的共析转变，全 部A转变成P。这时合金④的显微组织是P+网状Fe3CⅡ；直到室 温这个显微组织保持不变。
室温组织 共晶白口铸铁 其室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经 浸蚀后，在显微镜下，珠光体呈暗黑色细条或斑点状，共晶 渗碳体呈亮白色，如图所示。
亚共晶白口铸铁
平衡态下相变过程
合金⑥是一种亚共晶白口铸铁。从Fe－Fe3C相图上可见，当温度高于1点时 合金⑥处于均匀的液相（L）状态。在1～2之间是合金⑤的结晶温度区间。是 L和A两相共存区。即当温度降到1点以下液相中先以成核长大方式产生A相， 称为先共晶奥氏体。随温度下降，先共晶奥氏体相的比例增加，L相比例减少。 但是剩余液相的wc沿BC线增加，当温度降到2点（1148C)时剩余液相的wc＝ 4.3%。于是剩余液相发生共晶转变生成高温莱氏体（Ld），当温度低于2点 （1148C）后先共晶奥氏体由于对碳溶解度的下降开始析出Fe3CⅡ。并使先 共晶奥氏体的wc下降。在2～3点之间合金⑥的显微组织是A+Fe3CⅡ+Ld，当 温度降到3点（727C）时先共晶奥氏体中的碳的质量分数降到0.77%，于是 先共晶奥氏体发生共析转变成为珠光体，而高温莱氏体（Ld）也转变成低温 莱氏体（Ld`），因此，自3点以下直到室温合金⑥的显微组织是P+ Fe3CⅡ+Ld`。并且随着亚共晶白口铸铁的wc增加，P和Fe3CⅡ所占比例减少。 直到wc=4.3成为共晶白口铸铁时，P和Fe3CⅡ所占比例为0。
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金相学史话(3)：Fe-C平衡图
郭可信
【期刊名称】《材料科学与工程学报》
【年(卷),期】2001(019)002
【摘要】1868年Чернов首先指出钢的淬火温度应在临界点a以上,相当于Osmond后来给出的Ac1或Ac3.Roberts-Austen(即奥氏)在1896年绘制出Fe-C临界点图,接着又在1897年给出第一个Fe-C平衡图,其中有碳在γ-Fe中的单相区(后来Howe称之为奥氏体).两年后他又给出第二个Fe-C平衡图,根据相律,包晶、共晶、共析三相反应都发生在一固定温度.一年后(1900),BakhuisRoozeboom引
入Fe3C并根据相律绘出Fe-Fe3C亚稳平衡图,与现今使用的Fe-C平衡图基本相同.
【总页数】7页(P2-8)
【作者】郭可信
【作者单位】中国科学院物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG113;N91
【相关文献】
1.金相学史话(6):电子显微镜在材料科学中的应用 [J], 郭可信
2.金相学史话 (4):合金钢的早期发展史 [J], 郭可信
3.金相学史话(5):X射线金相学 [J], 郭可信
4.金相学史话(1)：金相学的兴起 [J], 郭可信
5.金相学史话(2):β-Fe的论战 [J], 郭可信
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