碳钢和白口铸铁
实验三：碳钢和铸铁的平衡组织的观察
实验四：碳钢和铸铁的平衡组织的观察一、实验目的：1．识别不同成分的碳钢和各种铸铁平衡组织的特征；2．建立铁碳合金成分、组织和性能之间的变化规律；3．应用杠杆定律估算钢中的含碳量。
二、实验说明：根据铁碳合金状态图，铁碳合金随着含碳量的不同，碳钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；白口铸铁可分为亚共晶、共晶和过共晶白口铸铁。
1．铁碳合金在平衡状态下的基本组织特征：铁碳合金在平衡状态下的基本组织为铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
它们在金相显微镜下（使用3～4%硝酸酒精溶液的浸蚀后）其组织的特征为：(1) 铁素体（F）呈白点的，其分布呈块状（当钢中含碳量较少时）或呈网状（当钢中含碳量接近共析成分时），铁素体的硬度很低，一般为HB80～120。
强度也较低，但塑性、韧性好。
(2) 渗碳体（Fe3C）呈亮白色（但苦味酸溶液浸蚀后呈暗色），其分布一般呈网状分布在珠光体的周围（过共析钢中为Fe3CⅡ）。
或呈长条状分布在莱氏体中（过共晶白口铸铁中的Fe3CⅠ）。
渗碳体的硬度很高。
HB达800，是一种硬而脆的相，所以强度、塑性却较差。
(3) 珠光体（P）是铁素体和渗碳体的混合物，它在低倍显微镜下观察无法分辨，呈暗色；而在高倍显微镜下观察呈黑白相间的片状分布。
片状珠光体硬度为HB190～230，随着间距的变小硬度升高。
(4) 莱氏体（Ld）是一种共晶组织，它是在亮色渗碳体的基底上分布着暗黑色点状或条状的珠光体。
莱氏体和珠光体不同，前者是在渗碳体的基体上分布着珠光体，后者是在铁素体的基体上分布着渗碳体。
莱氏体的硬度很高，达HB700，性脆。
它一般在含碳量大于2.11%的白口铁中存在，在某些高碳合金钢的铸造组织中也会出现。
2．亚共析钢的含碳量的估算：了解了这些组织的特性后，就可以结合现实合金状态图，根据不同含碳量的碳钢和铸铁分析其在室温下的平衡组织（见表4-1）。
亚共析钢的平衡组织为铁素体+珠光体。
已知珠光体的平均含碳量为0.8%，由于铁素体中含碳量极少，可以忽略，因而根据杠杆定律，从显微镜下观察到珠光体含量面积百分数乘上0.8%，即为碳钢的含碳量。
实验3--铁碳合金平衡组织观察
实验3 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1．认识铁碳合金的平衡组织。
2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响规律。
．二、概述铁碳合金的显微组织是研究和分析铁碳材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷条件下（退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。
因此我们可以根据Fe －Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（图1-1所示）。
图1-1 Fe－Fe3C相图铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广泛的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。
此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe－Fe3C相图的理解。
从Fe－Fe3C相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相组成。
但是由于含碳量不同，因而呈现各种不同的组织形态。
用侵蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织。
1．工业纯铁(C<0．02％)，显微组织是单相铁素体，如图11.1。
2．碳钢随含碳量不同可分为：亚共析钢(含C<0．8％)；共析钢(含C：0．8％)，过共析钢(0．8％<含C<2．06％)。
共析钢的显微组织是片状铁素体和渗碳体的机械混合物，由于试片浸蚀后表面具有珍珠的光泽，故称为珠光体，其显微组织如图11.2图11.1 图11. 2材料：工业纯铁材料：T8(0．8％C)处理方法：退火热处理方法；退火腐蚀剂：4％HNO3，酒精溶液腐蚀剂：4％HNO3，酒精溶液显微组织：铁素体(白亮块是晶显微组织：珠光体，(白亮基体粒，黑线是晶粒边界) 是铁素体，细夹条是渗碳体)放大倍数：100×放大倍数；400×图中的白亮基体是铁素体，细夹条是渗碳体，黑线是铁素体和渗碳体的相界面。
如放大倍数低或片层过薄时，则看不到片层结构，而呈暗黑色块状物。
亚共析钢的显微组织是由铁素体与珠光体组成。
铁碳合金平衡组织观察
80μ
材料基础教学实验中心
共晶白口铁（Ld’）
25μ
材料基础教学实验中心
过共晶白口铁（Ld’+Fe3CI）
80μ
材料基础教学实验中心
实验报告 写出实验目的； 画出样品组织示意图（画在直径为30～40mm的 圆圈内，用箭头标明各组织的名称），并在每 个试样示意图下面注明：试样成分、处理工艺、 腐蚀剂、放大倍数； 用杠杆定律计算未知牌号样品的含碳量； 根据所观察的组织说明含碳量对铁碳合金的组 织和性能的影响。
6 6.69
材料基础教学实验中心
工业纯铁（铁素体）
25μ
材料基础教学实验中心
20钢（P+F）
25μ
材料基础教学实验中心
40钢（P+F）
25μ
材料基础教学实验中心
60钢（P+F）
25μ
材料基础教学实验中心
共析钢（珠光体）
材料基础教学实验中心
T12钢（Fe3CII+P）
25μ
材料基础教学实验中心
材料基础教学实验中心
铁碳合金相图
A
温
B
度 1400
℃ 1200
L＋γ
1000
G
γ ＋α
800
E
C
γ
S γ ＋Fe3CII
γ ＋Ld＋Fe3CII
α 600 P
Q
400
P＋F
P＋Fe3CII
200
P＋Ld’＋Fe3CII
L＋Fe3C
D F
Ld＋Fe3CI
K
Ld’＋Fe3CI
Fe
1
2
3
4
常用金属材料分类及鉴别知识
1.2 常用金属材料金属材料来源丰富，并具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料，常用以制造机械设备、工具、模具，并广泛应用于工程结构中。
金属材料大致可分为黑色金属两大类。
黑色金属通常指钢和铸铁；有色金属是指黑色以外的金属及其合金，如铜合金、铝及铝合金等。
1.2.1 钢钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金两大类。
碳钢是指含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金。
工业用碳钢的含碳量一般为0.05%～1.35%。
为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等），冶炼中有目的地加入一些合金元素（如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），这种钢称为合金钢。
（一）碳钢1．碳钢的分类碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。
（1）按钢的含碳量多少分类分为三类：低碳钢，含碳量0.25%；中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%；高碳钢，含碳量0.60%。
（2）按钢的质量（即按钢含有害元素S、P的多少）分类分为三类：普通碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.055%和0.045%；优质碳素钢，钢中S、P含量均≤0.040%；高级碳素钢，钢中S、P含量分别≤0.030%和0.035%。
（3）按钢的用途分类分为两类：碳素结构钢，主要用于制造各种工程构件和机械零件；碳素工具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。
2．碳钢牌号的表示方法（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分按顺序组成。
其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，Z代表镇静钢等。
如Q235-A·F表示屈服强度为235Mpa的A级沸腾碳素结构钢。
（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。
这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。
例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。
机械工程材料题库
单选题塑性变形1．欲使冷变形金属的硬度降低、塑性提高，应进行（）。
Ａ，去应力退火Ｂ，再结晶退火Ｃ，完全退火Ｄ，重结晶退火2．实测的晶体滑移需要的临界分切应力值比理论计算的小，这说明晶体滑移机制是（）。
Ａ，滑移面的刚性移动Ｂ，位错在滑移面上运动Ｃ，空位、间隙原子迁移Ｄ，晶界迁移3．疲劳强度是表示材料抵抗（）破坏的能力。
Ａ，冲击力Ｂ，交变应力Ｃ，压力Ｄ，内应力4．为满足钢材切削加工要求，一般要将其硬度范围处理到（）左右。
Ａ，200HBS(HB200) Ｂ，HRC35 Ｃ，HRB30 Ｄ，HRA60 5．冷变形是在（）进行的塑性变形。
Ａ、室温Ｂ、再结晶温度以上Ｃ、再结晶温度以下Ｄ、零度以下6．用金属板冲压杯状零件，出现明显的‘制耳’现象，这说明金属板中存在着（）。
Ａ，形变织构Ｂ，位错密度太高Ｃ，过多的亚晶粒Ｄ，流线（纤维组织）7．为了提高零件的机械性能，通常将热轧圆钢中的流线（纤维组织）通过（）。
Ａ，热处理消除Ｂ，切削来切断Ｃ，锻造使其分布合理Ｄ，锻造来消除铁碳相图1．铁素体是碳在α－Ｆｅ中的（）固溶体。
Ａ，间隙Ｂ，置换Ｃ，有序Ｄ，过饱和2．渗碳体是（）。
Ａ，间隙相Ｂ，间隙化合物Ｃ，间隙固溶体Ｄ，电子化合物3．珠光体是（）。
Ａ，固溶体Ｂ，化合物Ｃ，机械混合物Ｄ，金属化合物4．低温（变态）莱氏体是由（）两相组成的。
Ａ，液体和渗碳体Ｂ，奥氏体和渗碳体Ｃ，铁素体和渗碳体Ｄ，铁素体和奥氏体5．Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，ＥＳ线是（）。
Ａ，碳在δ固溶体中的固溶线Ｂ，碳在铁素体中的固溶线Ｃ，碳在奥氏体中的固溶线Ｄ，先共晶转变线6．Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中，ＧＳ线是平衡结晶时（）的开始线。
Ａ，奥氏体向珠光体转变Ｂ，奥氏体向二次渗碳体转变Ｃ，奥氏体向铁素体转变Ｄ，奥氏体向δ固溶体转变7．平衡结晶时，在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图中ＰＳＫ线上发生的反应是（）。
Ａ，Ａｓ－→ＰＢ，Ｐ－→ＡｓＣ，Ａｓ－→Ｆｅ３ＣＤ，Ａｓ－→Ｆ8．平衡结晶时，在Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图ＥＣＦ线上发生的反应是（）。
铁碳合金平衡组织实验报告
铁碳合金平衡组织实验报告一、实验目的1、识别和研究铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。
2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，理解成分、组织与性能之间的相互关系。
二、实验原理碳钢合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。
碳钢合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态）所得到的组织，其相变过程均按相图进行，因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织。
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。
图1简化后的Fe-Fe3C状态图三、实验原理分析1、碳钢和白口的基本组织（1）铁素体(F) 是碳在铁中的固溶体。
铁素体为体心立方格。
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色的多边形晶粒。
（2）渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，含碳量为6.69％。
用3％～4％硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。
式中：P和F分别为珠光体和铁素体所占面积的％。
四、实验报告要求（1）实验目的。
（2）在直径为50mm的圆内画出所观察样品的显微组织示意图（用箭头和代表符号表明各组织组成物，并注明样品成分、腐蚀剂，放大倍数）。
（3）根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响规律。
（4）根据杠杆定律计算未知样品的碳含量。
中国石油大学铁碳合金金相观察实验
铁碳合金平衡组织观察实验报告一． 实验目的1. 识别和研究铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织；2. 分析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。
二． 铁碳合金平衡组织照片（1）工业纯铁*100倍C%<0.02%工业纯铁*400倍 4%硝酸酒精溶液（2）20钢*100倍C%=0.2% 20钢*400倍 4%硝酸酒精溶液铁素体 铁素体珠光体45钢*100倍C%=0.45% 45钢*400倍 4%硝酸酒精溶液（4）60钢*100倍C%=0.6% 60钢*400倍 4%硝酸酒精溶液（5）T8钢*100倍C%=0.8% T8钢*400倍 4%硝酸酒精溶液铁素体 珠光体铁素体珠光体 珠光体T12钢*100倍C%=1.2% T12钢*400倍 4%硝酸酒精溶液（7）亚共晶白口铁*100倍C%=2.06%~4.3% 亚共晶白口铁*400倍 4%硝酸酒精溶液（8）共晶白口铁*100倍C%=4.3% 共晶白口铁*400倍 4%硝酸酒精溶液珠光体 Fe 3C Ⅱ珠光体 Fe 3C Ⅱ 低温莱氏体 低温莱氏体过共晶白口铁*100倍C%=4.3%~6.67% 过共晶白口铁*400倍 4%硝酸酒精溶液三． 根据所观察的显微组织近似确定一种亚共析钢的含碳量 根据图（4）观察的显微组织确定亚共析钢的含碳量：四． 分析与讨论含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响？答：对组织的影响：1.引起相组成物中F 、Fe 3C 相对量的变化：C%↑——F%↓、Fe 3C ↑2.引起组织组成物的变化：C%↑——室温组织由F →F+P →P →P+Fe 3C Ⅱ→P+Fe 3C Ⅱ+Le ’→Le ’→Fe 3C Ⅰ+Le ’→ Fe 3C Ⅰ3.引起组织形态的变化：Fe 3C Ⅱ：C%↑→不连续→连续网状对性能的影响：对钢的影响：C%↑→硬度↑塑性、韧性↓强度先升后降（当C%>1.0%时，Fe 3C Ⅱ呈连续网状）对白口铁的影响：脆性很大，强度很低，硬度、耐磨性很高。
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
铸铁的分类及特性
铸铁的分类及特性从铁碳相图中知道，含碳量大于2.06%的铁碳合金称为铸铁。
尽管铸铁强度、塑性、韧性较差，不能进行锻造，但它具有优良的铸造性、减摩性、切削加工等一系列性能特点；另外其生产设备和工艺简单、价格低廉，因此得到了广泛的应用。
1．铸铁的分类铸铁的常用分类方法有两种：一是按石墨化程度；二是按石墨结晶形态。
按石墨化程度可分为：①灰口铸铁：即在第一和第二阶段石墨化过程中都得到了充分石墨化的铸铁，其断口呈暗灰色。
②白口铸铁：即第一、二和三阶段的石墨化全部被抑制，完全按Fe—Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁。
③麻口铸铁：即在第一阶段的石墨化过程中便未得到充分石墨化的铸铁。
按石墨结晶形态分：①灰口铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈片状结晶。
②可锻铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈固絮状。
③球墨铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈球状。
2．铸铁的编号基本性能及用途（1）灰口铸铁：根据GB976—67所规定的编号、牌号用“HT”表示灰口铸铁，后面两项数字分别表示其抗拉和抗弯强度的最低值。
如HT20—40表示抗拉强度和抗弯强度最低值为200MN/m2和400MN/m2。
灰口铸铁具有优良的铸造性、切削加工性，优良的减摩性。
良好的消震性和缺口敏感性，故而灰口铸铁主要用于制造各种承受压力和要求消震性的床身、机架、复杂的箱体、壳体和经受磨擦的导轨、罐体等。
（2）可锻铸铁：按GB978—67规定牌号以“KT”和“KTZ”表示可锻铸铁，其中“KT”表示铁素体可铸铸铁，“KTZ”表示珠光体可锻铸铁，牌号中的两项数字表示其最低抗拉强度和延伸率。
可锻铸铁的机械性能，特别是冲击韧性普遍较灰口铸铁高，但由于其成本高，故而应用不是很广泛，主要用于制造一些小型铸铁。
（3）球墨铸铁：按GB1348—78规定，球墨铸铁以“QT”表示，后面数字同可锻铸铁一样。
球墨铸铁不仅具有远远超过灰铁的机械性能，而且同样也具有灰铁的优点，如良好的减摩性、切削加工性及低的缺口敏感性，甚至可与锻钢媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢等。
铸铁的特点和分类
铸铁的特点和分类铸铁不是纯铁，它是一种以Fe、C、Si为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金。
化学成分一般为：C2.5％—4.0％、Si1.0％一3，0％、P0.4%～1.5％、S0.02％—02％。
为了提高铸铁的机械性能，通常在铸铁成分中添加少量Cr、Ni、Co、Mi、等合金元素制成合金铸铁。
一、铸铁的特点1.成分与组织特点铸铁与碳钢相比较，其化学成分中除了有较高的C、Si含量外（C2.5％～4，0%、Si1.0％一3.0％），还含有较高的杂质元素Mn、P，S，在特殊性能的合金铸铁中，还含有某些合金元素。
所有这些元素的存在及其含量，都将直接影响铸铁的组织和性能。
由于铸铁中的碳主要是以石墨（G）形式存在的，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。
铸铁的金属基体有珠光体、铁素体和珠光体加铁素体三类，它们相当于钢的组织。
因此，铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。
2.铸铁的性能特点铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。
虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。
如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能。
此外，铸铁的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，铁水流动性好，由于石墨结晶时体积膨胀，所以传送收缩率小，其铸造性能优于钢，因而通常采用铸造方法制成铸件使用，故称之为铸铁。
二、铸铁的分类铸铁的分类方法很多。
根据碳存在的形式可分为三种：1.白口铸铁（简称白口铁）白口铸铁中的碳主要以渗碳体（Cm）形式存在，断口呈白亮色。
其性能硬而脆，切削加工困难。
除少数用来制造硬度高、耐磨、不需要加工的零件或表面要求硬度高、耐磨的冷硬铸件外（如破碎机的压板、轧辊、火车轮等），还可作为炼钢原料和可锻铸铁的毛坯。
2.灰口铸铁（简称灰口铁）灰口铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈灰色。
灰口铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，且价格低廉，制造方便，因而应用比较广泛。
钢材手册--钢铁材料的基本知识
钢铁手册第一章钢铁材料的基本知识一、钢铁材料的分类二、钢铁产品牌号的表示方法三、钢铁材料的使用性能四、钢铁材料的工艺性能和试验五、钢铁材料的热处理六、合金元素对钢的性能影响七、钢铁产品有关术语八、钢材的标记九、钢材理论质量计算公式十、钢材的保管第二章钢铁原料及制品一、生铁二、铁合金三、铸铁四、铸钢五、锻钢六、钢坯第三单钢的品种及技术性能一、结构钢二、工具钢三、轴承钢四、特种钢五、专业用钢第四章型钢通用型钢专业用钢冷弯型钢线材第五章钢板和钢带钢板钢带第六章钢管和铸铁管无缝钢管焊接钢管铸铁管第七章钢丝和钢丝绳钢丝钢丝绳第八章特殊含金和钢材电工用钢高温合金耐蚀合金精密合金软磁合金变形永磁合金弹性合金膨胀合金精密电阻合金热双金属和其他特殊合金第九章附录常用计量单位（新旧）对照换算常用线规号与公称直径对照表黑色金属硬度及强度换算值主要钢铁生产企业贸易知识第一章钢铁材料的基本知识一、钢铁材料的分类1．生铁的分类钢铁材料通常是指铁碳合金，按含碳量的大小分类，含碳量(质量分数)大于2％的为生铁，小于2％的为钢，含碳量(质量分数)小于0．04％的为工业纯铁。
1．生铁的分类(见表1．1)表1-1生铁的分类注：成分含量皆指质量分数。
2．铸铁的分类2006-08-25 16:20:00表1-2铸铁的分类3．钢的分类2006-08-25 17:03:00表1-3钢的分类表1．4非合金钢、低合金钢和合金钢合金元素规定含量界限值(GB／T 13304—1991)注：La系元素含量，也可为混合稀土含量总量。
表1-5非合金钢的主要分类及举例(GB／T 13304--1991)表1-6 低合金钢的主要分类及举例（GB/T13304-1991）表1-7合金钢的分类GB／T 13304--1991)注：(x)表示该合金系列中还包括有其他合金元素，如cr(x)系，除Cr钢外，还包括CrMn钢等。
4．钢材及其分类2007-05-28 11:37:00炼钢炉炼出的钢水被铸成钢坯，钢锭或钢坯经压力加工成钢材（钢铁产品）。
实验5.铁碳合金平衡组织的显微分析
实验5. 铁碳合金显微组织的观察与分析Fe-Fe3C相图是研究碳钢和白口铸铁的重要工具，也是分析这些在平衡状态或接近平衡状态下显微组织的基础。
根据Fe-Fe3C相图，含碳量小于2.11%的合金称为碳钢，含碳量大于2.11%的合金称为白口铸铁。
在室温下铁碳合金的基本组成相为铁素体与渗碳体，不同含碳量的合金，在组织上差异是这两个基本的相对量、形态及分布不同。
在铁碳合金中渗碳体的相对量，存在形态以及分布状况，对合金的性能影响很大，在碳钢中渗碳体一般可以认为是一个强化相。
见图9-1。
图9-1 按组织分区的Fe-Fe3C相图一、工业纯铁在退火状况下的显微组织含碳量低于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。
工业纯铁在含碳量小于0.008%时，其显微组织为单相铁素体。
如图9-2所示。
图中有的晶粒呈暗色，这是由于不同晶粒受腐蚀的程度不同造成的。
在含碳量大于0.008%时，工业纯铁的组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。
三次渗碳体由铁素体中析出，沿铁素体晶界呈片状分布。
二、碳钢在退火状态下的显微组织含碳量在0.0218~2.11%范围的铁碳合金称为碳钢。
碳钢按含碳量与平衡组织的不同可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。
1．亚共析钢含碳量在0.0218~0.77%之间的铁碳合金称为亚共析钢，所亚共析钢冷却到室温后显微组织均为先共析铁素体和珠光体组成。
随着含碳量的增加珠光体所占的比例也不断增加，当增加到0.77时(铁素体在珠光体周围呈网状分布)，整个组织为珠光体。
用显微镜观察放大倍数低于400×时，先析出铁素体呈亮白色，珠光体呈暗黑色如图9-3所示。
由于铁素体和珠光体比重相近，若忽略铁素体中所含的微量碳，根据杠杆定理和亚共析钢显微组织中先共析铁素体与珠光体所占的相对面积，就可以估算出该钢的含碳量。
例如：当不珠光体和铁素体的面积各占一半时，钢的含碳量为0.77%0.50.4%⨯≅，由此可定此钢为40#碳素钢。
但须注意，如果亚共析钢从奥氏体相区以较快的速率冷却下来，而因共析转变时过冷度增大，共析体含碳量偏低，故其显微组织中珠光体的含量就要比缓冷时增加，此时若仍用上述方法来估算出的结果其含碳量将会偏高。
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本单元练习题（铁碳合金）（一）填空题1、铁碳合金的主要力学性能与碳的质量分数之间的关系规律是：当w c﹤0.9%时，随着碳质量分数的增加，其强度、硬度增加，而塑性、韧性降低；当w c>0.9%时，其强度、塑性、韧性降低，而硬度增加。
2、铁碳合金在室温下平衡组织组成物的基本相是铁素体和渗碳体，随着碳的质量分数的增加，渗碳体相的相对量增多，铁素体相的相对量却减少。
3、珠光体是一种复相组织，它由铁素体和渗碳体按一定比例组成。
珠光体用符号P 表示。
4、铁碳合金中，共析钢的w c= 0.77 %，室温平衡组织为P ；亚共析钢的w c=0.0218~0.77%，室温平衡组织为P+F ；过共析钢的w c= 0.77~2.11 %，室温5、铁碳合金结晶过程中，从液体中析出的渗碳体称为一次渗碳体；从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体；从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。
（二）判断题１．高碳钢的性能优于低碳钢。
（×）２．铁碳合金的结晶都是在某一恒定温度下进行的。
（×）３．纯铁在固态下会发生同素异晶转变。
（√）４．共析钢是指碳质量分数为0.77%的铁碳合金。
（√）５．一般来说，中碳钢不仅强度、硬度较高，而且塑性、韧性也较好。
（√）6. 碳钢平衡结晶后组织中不会出现有莱氏体组织。
（√）7. 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，碳溶解度不超过0.0218%。
（√ ）8. 碳钢和白口铸铁是属于铁碳合金。
（√）9. 低碳钢中的珠光体，其碳的质量分数较低；高碳钢中的珠光体，其碳的质量分数较高。
（×）10. α-Fe和γ-Fe都是纯铁的同素异晶体。
（√）（三）选择题1．下面所列的组织中，脆性最大的是（ d ）；塑性最好的是（c ）。
(a)Ld (b)P (c)A (d)Fe3C2．在平衡状态下，下列钢的牌号中强度最高的是（d ）,塑性最好的是（c ）。
(a)45 钢(b)65钢(c)08F钢(d)T10钢。
金相显微镜的使用和铁碳合金平衡组织观察
材料科学基础实验报告金相显微镜的使用和铁碳合金平衡组织观察【实验目的】1、了解金相显微镜的光学原理和构造，并初步掌握金相显微镜的使用方法及利用显微镜进行显微组织分析；2、识别和研究铁碳合金(碳钢和白口铸铁)在平衡状态下的显微组织；3、分析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；4、利用所学知识和实验仪器自己打磨45#钢，进行观察其显微组织。
【实验原理】一、金相显微镜金相显微镜结构包括：底座组、粗微动调焦机构、物镜转换器、载物台、目镜管组、物镜与目镜这六个主要部分。
工作原理：由灯泡发出—束光线，经过聚光镜组及反光镜，被会聚在孔径光栏上，然后经过聚光镜组，再度将光线聚集在物镜的后焦面上。
最后光线通过物镜，用平行光照明标本，使其表面得到充分均匀的照明。
从物体表面散射的成象光线，复经物镜、辅助物镜片、半透反光镜、辅助物镜片、棱镜与半五角棱镜，造成一个物体的放大实象。
该象被目镜再次放大。
二、铁碳合金所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均由铁素体（F）和渗碳体（FeC）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、析出条件以及分布情况各有所不同，因而呈各种不同的组织形态。
各铁碳合金类型以及显微组织如下表所示：【实验内容】一、对已给样品的显微组织观察铁素体，含碳量：＜%，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液1号工业纯铁（100×）1号工业纯铁（400×）铁素体+珠光体，含碳量：%%，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液2号 20钢 （100×） 2号 20钢 （400×）铁素体+珠光体（F+P),含碳量：%%，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液3号 45钢 （100×） 3号 45钢 （400×）铁素体+珠光体（F+P),浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液4号 ？？钢 （100×） 4号 ？？钢 （400×）铁素体 铁素体铁素体铁素体 珠光体 珠光体铁素体铁素体珠光体珠光体铁素体+珠光体(网状F+P) ,含碳量：%，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液 5号 T8钢 （100×） 5号 T8钢 （400×）珠光体+网状渗碳体(P+Fe3C) ，含碳量%~% ，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液 6号 T12钢 （100×） 6号 T12钢 （400×）亚共晶白口铸铁，含碳量：%~% ， 浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液7号 亚共晶白口铁 （100×） 7号 亚共晶白口铁 （400×）铁素体 铁素体珠光体珠光体珠光体珠光体珠光体珠光体共晶白口铸铁，含碳量：%，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液8号共晶白口铁（100×）8号共晶白口铁（400×）过共晶白口铸铁，含碳量%~%，浸蚀剂：3～4％硝酸酒精溶液9号过共晶白口铁（100×）9号过共晶白口铁（400×）根据所观察的显微组织，近似确定一种亚共析钢（4号）的含碳量：Fe3CIIFe3CII珠光体珠光体低温莱氏体低温莱氏体低温莱氏体低温莱氏体式中：P和F分别为珠光体和铁素体所占面积（％）。
碳钢及其相图
在金属晶体中，纯铁在固态冷却过程中有两次晶体结构转变，δ-Fe——（1394℃）---γ-Fe——（912℃）---α-Fe。
δ-Fe、γ-Fe、α-Fe是铁在不同温度下的同素异形体，其中α-Fe、δ-Fe都是体心立方晶格，分别存在于912℃以下及熔点至1394℃，γ-Fe是面心立方晶格，存在于1394—912℃之间。
钢铁是现在工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称铁碳合金，铁碳合金是碳钢和铸铁的统称，含碳量在0.0218%~2.11%的称为碳钢，大于2.11%的称为铸铁。
渗碳体渗碳体（Fe3C）是铁和碳的间隙化合物，含碳量为6.69%，用Fe3C或Cm表示，渗碳体的硬度很高（HB≈800），塑性和韧性几乎为零，渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、网状或球状。
它的尺寸、形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。
渗碳体是介稳相，在一定条件下将发生分解Fe3C→3Fe+C，所分解出的单质碳称为石墨，该分解反应对铸铁有着重要意义。
由于碳在α-Fe中的溶解度很低，所以常温下碳在铁碳合金中主要以渗碳体或石墨的形式存在。
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类;1）工业纯铁（＜0.0218%C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少使用。
2）碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相奥氏体，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%C~2.11%C）。
3）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）。
铸钢材质说明书
铸钢铸钢（cast steel）用以浇注铸件的钢。
铸造合金的一种。
铸钢分为铸造碳钢、铸造低合金钢和铸造特种钢3类。
①铸造碳钢。
以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。
含碳小于0.2％的为铸造低碳钢，含碳0.2％～0.5％的为铸造中碳钢，含碳大于0.5％的为铸造高碳钢。
随着含碳量的增加，铸造碳钢的强度增大，硬度提高。
铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低，在重型机械中用于制造承受大负荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等。
②铸造低合金钢。
含有锰、铬、铜等合金元素的铸钢。
合金元素总量一般小于5％，具有较大的冲击韧性，并能通过热处理获得更好的机械性能。
铸造低合金钢比碳钢具有较优的使用性能，能减小零件质量，提高使用寿命。
③铸造特种钢。
为适应特殊需要而炼制的合金铸钢，品种繁多，通常含有一种或多种的高量合金元素，以获得某种特殊性能。
例如，含锰11％～14％的高锰钢能耐冲击磨损，多用于矿山机械、工程机械的耐磨零件；以铬或铬镍为主要合金元素的各种不锈钢，用于在有腐蚀或650℃以上高温条件下工作的零件，如化工用阀体、泵、容器或大容量电站的汽轮机壳体等。
[编辑本段]铸钢钢冶炼后材质的变化特点304 316铸钢是目前应用最为广泛的不锈钢，304,C≤0.08 Ni8.00～10.00 Cr18.00～20.00，Mn<=2.0Si<=1.0 S<=0.030 P<=0.035304LC≤0.03其他的元素与304相同304 316是奥氏体铸钢，无磁性的，430 403 410 这些是奥氏体-铁素体不锈钢有磁性。
铸铁英文名：cast iron含碳量在2％以上的铁碳合金。
工业用铸铁一般含碳量为2％～4％。
碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。
除碳外，铸铁中还含有1％～3％的硅，以及锰、磷、硫等元素。
合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。
铸铁(石墨化膨胀、凝固、热处理等)
铸铁不是纯铁，它是一种以Fe、C、Si为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金。
化学成分一般为：C2.5%-4.0%、Si1.0%一3，0%、P0.4%～1.5%、S0.02%-02%。
为了提高铸铁的机械性能，通常在铸铁成分中添加少量Cr、Ni、C。
、Mi、等合金元素制成合金铸铁。
1 铸铁的特点和分类一、铸铁的特点1.成分与组织特点铸铁与碳钢相比较，其化学成分中除了有较高的C、Si含量外(C2.5%～4，0%、Si1.0%一3.0%)，还含有较高的杂质元素Mn、P，S，在特殊性能的合金铸铁中，还含有某些合金元素。
所有这些元素的存在及其含量，都将直接影响铸铁的组织和性能。
由于铸铁中的碳主要是以石墨(G)形式存在的，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。
铸铁的金属基体有珠光体、铁素体和珠光体加铁素体三类，它们相当于钢的组织。
因此，铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。
2.铸铁的性能特点铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。
虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。
如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能。
此外，铸铁的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，铁水流动性好，由于石墨结晶时体积膨胀，所以传送收缩率小，其铸造性能优于钢，因而通常采用铸造方法制成铸件使用，故称之为铸铁。
二、铸铁的分类铸铁的分类方法很多。
根据碳存在的形式可分为三种：1.白口铸铁(简称白口铁)白口铸铁中的碳主要以渗碳体(Cm)形式存在，断口呈白亮色。
其性能硬而脆，切削加工困难。
除少数用来制造硬度高、耐磨、不需要加工的零件或表面要求硬度高、耐磨的冷硬铸件外(如破碎机的压板、轧辊、火车轮等)，还可作为炼钢原料和可锻铸铁的毛坯。
2.灰口铸铁(简称灰口铁)灰口铸铁中的碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈灰色。
灰口铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，且价格低廉，制造方便，因而应用比较广泛。
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第一节
铁碳合金的基本相
铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金， 是钢和铸铁的统称。
铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金 属化合物两类。属于固溶体的基本相有铁素体和 奥氏体，属于金属化合物的基本相有渗碳体。
一、铁素体 ( F ) 碳溶入α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用 “ F ”表示。其强度和硬度较低，塑性、韧性良好。
二、奥氏体 ( A ) 碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用 “A”表示。奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗 力。
三、渗碳体 ( Fe3 C ) 铁与碳组成的金属化合物称为渗碳体，用 “Fe3C”表示。 1、渗碳体硬而脆，硬度很高、塑性几乎为零， 是铁碳合金的重要强化相；
2、渗碳体属于一种亚稳定化合物。在一定条件 下会全部或部分地分解为铁和石墨(称石墨化)，
(2)优质钢。 ωs ≤0.030％，ωp≤0.035％。
(3)高级优质钢。ωs≤0.020％，ωp≤0.030％。
(4)特级质量钢。ωs <0.015％，ωp<0.025％。
(三) 按用途分类 (1) 碳素结构钢。主要用于制造各种工程
构件 (桥梁、建筑构件等) 和机器零件 (齿轮、
轴等)。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。
(2) 碳素工具钢。主要用于制造各种刃具、
量具、模具等。这类钢一般属于高碳钢。
三、碳钢的牌号与应用 (一) 碳素结构钢 碳的质量分数一般在0.06％～ 0.38％范围 内，钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大 多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。
其牌号（表示方法）由代表屈服点的字母 Q、屈服点的数值、质量等级符号(A、B、C、 D)和脱氧方法符号(F、b、Z、TZ)组成。
K
727
Q 0.0218
Fe
0.77
2.11
4.3
Fe3C 6.69
简化的铁碳相图
(三)Fe—Fe3C相图中铁碳合金的分类
根据铁碳合金的碳的质量分数及组织的不 同，即相图中P点和E点，可将铁碳合金分为 三大类：工业纯铁、碳钢和白口铸铁。
1、工业纯铁 成分为P点左面 (ωc <0.0218％) 的铁碳合金，其 室温组织为铁素体。
3、白口铁
成分为E点右面 (ωc = 2.11％～6.69％) 的铁 碳合金，其特点是液态结晶时都发生共晶转变， 因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温组织 中性能硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力 加工。根据相图上的C点（共晶点），白口铸 铁又可分为以下三类：
(1) 共晶白口铸铁。成分为C点 (ωc = 4.3％) 的合 金，室温组织为低温莱氏体。
例如：Q235一AF表示碳素结构钢中屈服 强度为235MPa的A级沸腾钢。
(二) 优质ห้องสมุดไป่ตู้素结构钢
这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧 性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的 机械零件。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示， 数 字表示钢中平均碳质量分数，以万分之几来表 示。 如45等，表示其平均碳的质量分数为 0.45％。
(三) 碳素工具钢 碳素工具钢因含碳量比较高 (ωc = 0.65％～ 1.35％) ，硫、磷杂质含量较少，经淬火、低 温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较 低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具 和模具。
碳素工具钢的牌号由代号“T”(“碳”字汉语 拼音首字母)后加数字组成。
数字表示钢中平均碳质量分数，以千分之几表示。 如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8％的碳素工具 钢。 若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母 “A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2％的 高级优质碳素工具钢。
第二节
Fe — Fe3C相图
Fe—Fe3C 相图是表示在缓慢冷却 (加热 ) 条件下 (即平衡状态) 不同成分的钢和铸铁 在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形， 如下图所示。
A
1538
温度/℃
L+A
L
L+Fe3C
D C
1227
A
912
600
E
A+Fe3C+Ld
F 1148
G
F
F+A
P
S
P+Fe3C+Ld’
除Fe和C以外，还有其它元素：锰、硅、 硫、磷等。
二、碳钢的分类 (一) 按钢中碳的质量分数分类
(1) 低碳钢。ωc ≤0.25％。 (2) 中碳钢。0.25％ < ωc ≤0.60％。 (3) 高碳钢。ωc ≥ 0.6％。
(二) 按钢的冶金质量分类 根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为：
(1)普通质量钢。ωs≤0.050％，ωp≤0.045％。
(四) 铸造碳钢（铸钢） 铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的 首字母“ZG‘’后面加两组数字组成，第一组数 字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度 值。例如ZG270—500表示屈服强度为270MPa、
抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。
(五）合 金 钢 合金钢——为了改善钢的组织和性能， 在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而 制成的钢。 加入的元素称为合金元素。与碳钢相比， 合金钢的性能显著提高，应用日益广泛，但 价格高于碳钢。
(2) 亚共晶白口铸铁。成分为C点左面 (ωc = 2.11 ％～4.3％)的合金，室温组织为低温莱氏体 +珠 光体 + 二次渗碳体。 (3) 过共晶白口铸铁。成分为C点右面 (ωc = 4.3 ％～6.69％) 的合金，室温组织为低温莱氏体 +一 次渗碳体。
第三节
碳
素
钢
碳素钢(简称碳钢)是ωc <2.11％而且以碳 为主要合金元素的铁碳合金。
一、合金钢的分类 (一) 按用途分类 1、合金结构钢——用于制造各种机械零件 和工程结构的钢。 2、合金工具钢——用于制造各种工具的钢。 3、特殊性能钢——具有某种特殊物理或化 学性能的钢。主要包括不锈钢等。
2、碳钢 成分为相图中的P点与E点之间 (wc = 0.0218％～2.11％) 的铁碳合金。根据相图中S 点，碳钢又可分为以下三类：
(1) 共析钢。成分为S点 (wc = 0.77％) 的合金， 室温组织为珠光体。 (2) 亚共析钢。成分为S点左面 (wc = 0.0218 ％～0.77％) 的合金，室温组织为珠光体 + 铁 素体。 (3) 过共析钢。成分为S点右面(wc = 0.77 ％～2.11％)的合金，室温组织为珠光体 + 二次 渗碳体。