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
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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
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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%)
典型铁碳合金的结晶过程
一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。
原铁素体不变保留了在基体中。
4点以下不再发生组织变化。
故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
工程材料学2第二章 铁碳合金
Ld′+ Fe3CⅠ
F+ Fe3CⅢ
C%
2.4.1含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
相组成：α + Fe3C ；随碳含量增加， α ↓， Fe3C↑
室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体） 。室温 莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组 成物发生了改变。
共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：
W
6.69 4.30 100% 52.2% 6.69 2.11
4.30 2.11 WFe 3C 6.69 2.11 100% 47.8%
室温相组成物为： α + Fe3C
w
6.69－4.3 6.69－0.0218
100%＝35.8％
共晶白口铁
wFe 3C
4.3 0.0218 6.69 0.0218
100%＝64.2％
3.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
6. 亚共晶白口铁（3.0%C）
匀晶转变 L→γ
1148℃ LC→γE+Fe3CF
PQ线，碳在F中的溶解度曲线。 F 的最大溶碳量于727℃时达到最大值0.0218%C。随温度↓，F 中 的溶碳量逐渐↓，在300℃以下，溶碳量＜0.001%C。当 F从727℃ 冷却下来时，要从 F 中析出渗碳体，称为三次渗碳体。
2.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程， 目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。
通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量＜ 2.11%的为碳钢，含碳量＞2.11%的为铸铁。含碳量＜0.0218%的为工 业纯铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C的形式存在，断口呈白 亮色，称为白口铸铁。
显微结构之：铁碳合金平衡组织
铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1、观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2、分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
二、概述基本概念：相组成物、组织组成物相组成物—组成显微组织的基本相，有确定的成分及结构，但没有形态上的概念。
铁碳合金有两个基本相即铁素体F和渗碳体Fe3C。
组织组成物—在结晶过程中形成的有清晰轮廓的独立组成部分。
经硝酸酒精溶液浸蚀的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有如下几种基本组织组成物。
(1)铁素体（F）—是碳在a-Fe中的固溶体。
铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。
用3%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，如工业纯铁；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体呈断续的网状分布于珠光体周围。
(2)渗碳体（Fe3C）—是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为6.67%，质硬而脆，耐蚀性强，经硝酸酒精溶液浸蚀后，呈亮白色。
按照成分和形成条件的不同，渗碳体呈现不同的形态：一次渗碳体是直接从液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布，室温下分布于珠光体周围；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。
(3) 珠光体（P）—是铁和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。
高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可得到球状珠光体。
(4)莱氏体（Ld´）—是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。
含碳量为4.3%的共晶白口铁在1147ºC 时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并哉723ºC以下分解为珠光体。
莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。
实验一铁碳合金平衡组织观察
实验一铁碳合金平衡组织观察一、重点1.金相显微镜的使用2.显微组织图二、难点成分、组织性能的关系三、分组情况两人一组，每组一台显微镜四、实验目的1.了解金相显微镜的构造，熟悉金相显微镜的使用方法；2.观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织，以进一步熟悉Fe-Fe3C相图；3.分析和研究含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
五、实验设备及材料1.金相显微镜；2.金相图谱；3.各种铁碳合金的金相试样。
六、实验原理所谓平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。
一般退火状态就接近平衡状态。
可以根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
室温下铁碳合金的组织都由铁素体和渗碳体两个基本相组成。
但由于含碳量的不同，铁素体和渗碳体的相对数量、分布状况均有所不同，从而不同成分的铁碳合金呈现不同的组织形态。
1.工业纯铁在室温下为单相铁素体组织，呈白亮色多边形晶粒，块状分布。
有时在晶界处可观察到不连续的薄片状三次渗碳体。
2.亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体。
当含碳量较低时，白色的铁素体包围黑色的珠光体。
随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，珠光体量逐渐增多。
3.共析钢的室温组织全部为珠光体。
在显微镜下看到铁素体和渗碳体呈层片状交替排列。
若显微镜分辨率低，则分辨不出层片状结构，看到的则是指纹状或暗黑块组织。
4.过共析钢的室温组织为珠光体和二次渗碳体。
经质量浓度为4%硝酸酒精溶液浸蚀后，Fe3CⅡ为白色细网状，暗黑色的是珠光体。
若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体被染成黑色，铁素体仍保留白色。
5.亚共晶白口铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。
在显微镜下，珠光体呈黑色块状或树枝状，莱氏体为白色基体上散布黑色麻点和黑色条状，二次渗碳体则分布在珠光体枝晶的边缘。
6.共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体。
显微镜下看到的是黑色粒状或条状珠光体散布在白色渗碳体的基体上。
7.过共晶白口铁由先结晶的一次渗碳体与低温莱氏体所组成。
铁碳合金平衡组织观察
6 亚共晶白 退火 100× 口铸铁
7 共晶白口 退火 100× 铸铁
8 过共晶白 退火 100× 口铸铁
同上 同上 同上 同上
沿晶界白色网状 Fe3CII，晶内黑色 P （局部少量的片状 P） 组织为(P+Fe3CII)+L¢e，黑色树枝状为 P， 组织为 L¢e, L¢e 是 Fe3C（白色）和 P （均匀分布黑色小点或条状组织） 组织为 Fe3CI+L¢e，
（3）珠光体(P) 是铁素体和渗碳体的机械混合物，其组织是共析转变的产物。 由杠杆定律可以求得铁素体与渗碳体的含量比为8︰1。因此，铁素体厚，渗碳体 薄。
（4）莱氏体（Ld）奥氏体和渗碳体的共晶混合物，其中奥氏体在继续冷却时
析出二次渗碳体，在727℃以下分解为珠光体。
2、铁碳体合金室温下显微组织
（1）工业纯铁 含碳量﹤0.0218％，其显微组织为铁素体。 （2）碳钢 ①共析钢 含钢量为0.77％。其显微组织由单一地珠光体组成。如图2所示。 ②亚共析钢 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，图3 、图4为亚共析钢的显微组织，其中亮白色为铁素体， 暗黑色为珠光体。 ③过共析钢 含碳量在0.77％与2.11％之间。其组织由珠光体和先共析渗碳 体（即二次渗碳体）组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。图5为含碳 量1.2％的过共析钢的显微组织。组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体，经 浸蚀后珠光体成暗黑色，而二次渗碳体则呈白色网络状。
如图1所示，含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％的合金为白 口铸铁。所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体（Fe）和渗碳体（Fe3C） 这两个基本相所组成。只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量及分布形 态有所不同，因而呈不同的组织形态。
材料科学基础选择题填空题及答案
材料科学基础考试范围及复习题考试范围：要求掌握全部概念，重要知识点。
1.材料的结构：晶体结构的基本概念，金属晶体结构及其特点（三种重要晶体结构，晶系、布拉菲点阵，晶胞原子数，密排面，密排方向，密勒指数标定）。
2.纯金属的结晶：结晶现象（结晶、过冷度），晶核的形成（临界晶核、形核功），晶核的长大，金属铸锭的组织（三晶区结构）及缺陷。
3.二元合金的相结构与结晶：合金中的相（相及其分类），合金的相结构，二元合金相图的建立，二元合金相图。
4.铁碳合金：铁碳合金的组元及基本相，Fe-Fe3C相图分析，铁碳合金的平衡结晶过程及组织，含碳量对组织性能的影响，钢中杂质元素及钢锭组织。
（全部掌握）5.固体材料的塑性变形与断裂：金属的变形特性，单晶体的塑性变形（重点），多晶体的塑性变形，合金的塑性变形，塑性变形对组织和性能的影响（重点），金属的断裂。
6.回复与再结晶：形变金属与合金在退火过程中的变化，回复，再结晶及晶粒长大。
7.扩散：扩散的本质及机理，菲克定律（重点是第二定律及其重要解），影响扩散的因素。
一、填空题1. 每个面心立方晶胞中的原子数为 4 ，其配位数为12 。
3a, 配2.晶格常数为a的体心立方晶胞, 其原子数为 2 , 原子半径为4/位数为 6 ，致密度为 0.68 。
3. 刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直 , 螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。
4. 螺型位错的位错线平行于滑移方向，位错线的运动方向垂直于位错线。
5. 在过冷液体中，晶胚尺寸小于临界尺寸时不能自发长大。
6. 均匀形核既需要结构起伏，又需要能量起伏。
7. 纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为光滑界面和粗糙界面。
8.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。
9．合金中的基本相结构，有固溶体和金属化合物两类，其中前者具有较高的综合机械性能，适宜做基体相；后者具有较高的熔点和硬度，适宜做强化相。
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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%)