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％。
金属结晶和组织的概念
1.金相显微镜
2.显微组织试样（每组10件）
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金属结晶和组织的概念
(1)金属的结晶过程 不同的固态物质，内部原子的聚集状态不同，原
子有序排列的称为晶体，否则称为非晶体。金属在固态 是晶体。金属由液态转变为固态的过程称为结晶。
结晶是由液态物质中出现原子有序列的微小固态 质点开始的，即首先形成晶核，然后晶核长大。结晶过 程就是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。结晶完成 后，每一个晶核成长为一个晶粒。晶粒之间的界面称为 晶界。
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金属结晶和组织的概念
（3）钢铁的基本组织 钢铁材料的两个基本组元为铁（Fe）和碳
（C）.钢铁材料的基本组织有三种： 铁素体:是纯铁中溶解了微量的碳(约0.0008%)
所形成的固溶体.铁素体的力学性能特点是强度低, 塑性好. 量6渗.6碳9%体.渗:是碳铁体与的碳力的学金性属能间特化点合是物硬(F而e脆3C.),含碳
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钢铁的平衡组织
· 铸铁由于含碳量较高，使其组织中出现游离态的碳， 即石墨。铸铁的组织可以认为是在铁素体或珠光体、或 铁素体+珠光体的基体上分布着不同形态的石墨（见图 6~8）。不同种类铸铁的主要区别在于石墨在其中存在 的形态不同。在灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨 主要以片状、团絮状和球状的形态分别存在。由于石墨 的强度和伸长率都极低（σb＜20MPa，δ→0），因此石 墨的存在对基体有割裂作用，所以，铸铁的力学性能较 差，尤以灰铸铁（片状石墨）最差。球墨铸铁因石墨的 割裂作用最轻，具有较好的力学性能。
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金属结晶和组织的概念
珠光体:是铁素体和渗碳体的混合组织,其中的铁素体 和渗碳体相间分层排列.珠光体的含碳量0.77%,其性能综 合反映了铁素体和渗碳体的性能,既有较高的强度,又有一 定的硬度。
简述亚共析钢的结晶过程
亚共析钢的结晶过程引言亚共析钢是一种重要的钢铁材料，在工业领域有广泛应用。
其结晶过程决定了最终产品的性能和质量。
本文将深入探讨亚共析钢的结晶过程，从原理、工艺以及影响因素等多个角度进行分析和讨论。
亚共析钢的定义亚共析钢是指在钢中同时存在稳定的体心立方结构（α相）和面心立方结构（γ相）的钢。
这种组织形式使得亚共析钢具备了优越的力学性能和耐久性能，被广泛用于航空航天、汽车制造等领域。
亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程可以分为凝固和固态相变两个阶段。
1. 凝固阶段亚共析钢的凝固过程是指液相逐渐凝固成为固相的过程。
凝固过程受到多个因素的影响，包括温度、成分和形核等。
1.1 温度对凝固的影响温度是影响凝固过程的重要因素。
对于亚共析钢来说，凝固温度的选择直接决定了α相和γ相的比例。
较低的凝固温度可以增加固相的含量，而较高的凝固温度可以增加液相的含量。
1.2 成分对凝固的影响成分是另一个影响凝固过程的重要因素。
亚共析钢中的合金元素会改变凝固温度和固相组织形态。
不同的合金元素在凝固过程中的分配方式也会影响最终的结晶组织。
1.3 形核对凝固的影响形核是亚共析钢中固相开始形成的起始点。
形核的方式分为自由形核和异质形核两种情况。
自由形核是指在纯净的亚共析合金中，固相的形成是由自身的过饱和度引起的。
异质形核是指在合金液中存在的非金属夹杂物或缺陷等起到形核的作用。
2. 固态相变阶段固态相变是指在亚共析钢中，由于温度的升高或降低，固相发生相变的过程。
这个过程会进一步影响亚共析钢的组织和性能。
2.1 固溶体的形成在固态相变过程中，原子会重新排列，形成具有不同结构的固溶体。
固溶体的形成与温度的变化和合金元素的相互作用密切相关。
2.2 相分解相分解是指固溶体分解成两个或多个不同的相的过程。
在亚共析钢中，相分解会引起α相和γ相的比例发生变化，进而影响材料的硬度、韧性等力学性能。
2.3 时效硬化时效硬化是指在固相变过程中，通过适当的时效处理，使材料的性能得到改善。
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。
第三章 铁碳合金相图
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：
0.77%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
返回
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体
第04章 铁碳合金
１、 重要的点 C点为共晶点
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混 和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 共晶转变线ECF：1148摄氏度，C%=4.3%。
L4.3 体），
A2.11+Fe3C（共晶渗碳
Le4.3 高温莱氏体 Le，Ld
S点为共析点 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共 析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。
第一节
铁碳合金系相图
一、Fe-Fe3C相图的组元和基本相 1.组元
纯铁熔点为1538℃，具有同素异构转 变，δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--a -Fe(bcc) (同素异构转变) 。 性能特点是强度低、硬度低、塑性好。 抗拉强度 σb 180 MPa～230 Mpa 延伸率 δ 30%～50%
A的硬度较低，但塑性、韧性好，适于压力加工。
渗碳体 （Fe3C）：
的一类重要的基本相。
它既可作为组元，也是钢中
Fe3C是亚稳定相，这对铸铁组织有重要意义，且有些合金元 素Mn、Cn可置换Fe原子，对合金钢有意义。
高 温 铁 素 体
奥氏体
铁 素 体
渗 碳 体
钢中的基本相
。
二、铁碳相图分析
点的符号 A B C D E F G H K P S 温度℃ 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 727 727 727 含碳量% 0.00 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0.00 0.09 6.69 0.0218 0.77 说明 纯铁的熔点 包晶反应时液态合金的浓度 共晶点，LcA+Fe3C 渗碳体熔点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 -Fe-Fe 同素异构转变点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 碳在-Fe 中的最大溶解度 共析点
材料科学基础-第七章(铁碳合金相图)
δ H
N
B1495℃
1
J
A
L Fe3C Ⅰ
D F
L Fe3C
A
G
FA
E
1148℃
A Fe3C
C
2 3
T
1148℃
L 4.3%
L Ld
S
727℃
F Fe3C
F
Fe
Q
P
K
一次渗碳体
Fe3C
wC（%）
Fe3CⅠ
1~2
A
2~3
A 铁碳合金相图分析 A 3~4 Fe3CⅡ A
A
G 912℃ S
E
727℃
F
0.02%
P
K
P — c在 F 最大溶解度点
Fe Q
0.0008%
wC（%）
6.69%
Fe3C
Q — c在 F 中室温溶解度点
铁碳合金相图分析
重要线
PSK 共析线
ABCD AHJECF
液相线 固相线
HJB 包晶线
ECD 共晶线
A
L
CD
L
L A
液相线的一部分
形状：片、网、条状； 不易受硝酸酒精腐蚀，在显微镜下呈白亮色。
三、Fe-C合金中的基本相 L、Fe3C、γ（A）、α（F）、δ 1、铁素体（α或F） C溶于α-Fe中的间隙固溶体。α-Fe的晶格间隙很小（约0.364Å）， 比C原子半径 （0.77Å）小很多， 故溶C量很小； 在727℃， 最大溶C量为0.0218%， 室温下几乎为0。 因而性能与纯铁相近。属于铁磁相。 2、奥氏体（γ或A） C在γ-Fe中的的间隙固溶体。 γ-Fe的晶格间隙半径为0.535Å，
第四章铁碳相图
包晶相图
三相区 P D C（包晶线），D点称为包晶点
包晶转变式： L（液相） + α（固相） → β(固相）
共晶相图
A
Ⅰ
C E D B
F
G
⑴当合金缓慢冷却共晶点时：LE →α C+ β
D
共析相图
共析转变式： γs αp+FeC3
在一定温度下，有一种固态转变为两种固 态的混合物。共析转变产物为珠光体，符号P 表示。共析转变水平线称为共析线或共析温度， 常用A1表示。
图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
•
纯铁在凝固后的冷却过程中，经过同素 异构转变后，晶粒得到了细化。 • 固态下同素异晶转变与液态一样，也是 形核与长大，为了区别于液态结晶，将这 种固态下的相变结晶过程称为重结晶。 • 意义：它是钢的合金化和热处理的基础。
图4-2 纯铁结晶后的组织 a）初生的δ-Fe晶粒 b）γ-Fe晶粒 c）室温组织——α-Fe晶粒
（二）铁素体与奥氏体
铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为 体心立方晶格，常用符号F或α表示。 奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为 面心立方晶格，常用符号A或γ表示。 铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重 要的基本相。 两者溶碳能力差别很大，铁素体最大溶碳 量在727℃仅为0.0218%，在室温下就更低了，在 0.008%以下。而奥氏体在1148℃为2.11%。
组 织（6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe C 3
二、包 晶 转 变（水平线HJB）
在1495℃的恒温下，wC=0.53%的液相与wC=0.09% 的δ铁素体发生包晶反应，形成wC=0.17%的奥氏体。 进行包晶反应时，奥氏体沿δ相与液相的界面生 核，并向δ相和液相两个方向长大。包晶反应终了时， δ相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量wC在 0.09%～0.17%之间的合金，由于δ铁素体的量较多， 当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ铁素 体。这部分δ相在随后的冷却过程中，通过同素异构 转变而变成奥氏体。含碳量wC在0.17%～0.53%之间的 合金，由于反应前的δ相较少，液相较多，所以在包 晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在 随后冷却过程中结晶成奥氏体。
项目三 金属的晶体结构与结晶
三、奥氏体
碳溶解于γ-Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。虽然γ-Fe晶格的 原子排列较紧密，但空隙比较集中，因此面心立方结构的γ-Fe可以溶解较多的碳， 在1148 ℃时，最多可以溶解2.11%的碳，随着温度的下降，奥氏体溶解碳的能力减小， 到727 ℃时，碳的质量分数降到0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑 性，是大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织，故在轧钢和锻造时，常把钢 加热到高温呈奥氏体状态，奥氏体没有磁性。
目录
CONTENT
CONTENT
01 二元合金相图 02 铁碳合金的基本组织 03 绘制 Fe-Fe3C 相图 04 钢的结晶过程 05 铁的结晶过程 06 Fe-Fe3C 相图的应用
任务一
二元合金相图
合金比纯金属结晶过程复杂，随着合金中元 素种类的变化，其组织和性能随之变 化，这种 变化规律可以借助于相图认识。合金相图是生 产中分析研制合金材料的理论 基础，也是制定 合金熔炼、铸造、焊接、锻造及热处理工艺的 重要依据。
任务三
绘制Fe-Fe3C 相图
铁和碳是铁碳合金中的两种主要元素。铁 碳合金在加热和缓慢冷却的条件下，不 同成分 的铁碳合金，随温度的变化，其状态或组织也 随之发生改变。为了便于同学们了解和学习铁 碳合金在平衡状态下组织、成分与温度之间的 关系，有必要建立一种学习工 具——Fe-Fe3C 相图。
学习目标
四、渗碳体
随着温度的降低，渗碳体会从不同的相中析出，通常把铁碳合金中的渗碳体分为: （1）一次渗碳体，由液体金属中直接结晶出来; （2）二次渗碳体，由奥氏体中析出; （3）三次渗碳体，由铁素体中析出; （4）共晶渗碳体，在共晶转变时形成; （5）共析渗碳体，在共析转变时形成。
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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。