铁碳合金组织
铁碳合金五种基本组织
铁碳合金五种基本组织铁碳合金的世界可真有趣，听说过“铁心”的故事没？铁和碳这对“老搭档”在材料界可是无敌组合。
他们一起搭建了五种基本组织，构成了金属的“家族树”，真是复杂又神秘，宛如一部跌宕起伏的电视剧。
首先说说珠光体，别看名字像个文艺青年，实际上它可是个“硬汉”！由铁素体和渗碳体交替排列，形成一种层状结构。
这种结构就像是铁和碳之间的默契配合，真是天生一对。
珠光体的强度和韧性都不错，像极了那种既能打架又能做饭的“全能型”角色。
比如，想想当年铁器时代的农具、武器，都是依赖它的力量。
人们称它为“金属中的金属”，听着就让人想大喊一声“太牛了”！接下来就是铁素体，嘿，这家伙可是温柔得让人心疼。
铁素体就是单纯的铁，晶体结构简单，像个踏实的老实人。
它在高温下形成，慢慢冷却后就稳定下来了，特别适合用在一些对韧性要求高的地方。
想象一下，铁素体就像个守护者，愿意为大家遮风挡雨，可是面对高温就显得无能为力。
虽然它的强度不如珠光体，但在某些场合，它绝对能靠得住，真是“心中有数”的角色。
说到渗碳体，这小子可不是省油的灯！它是铁和碳结合的产物，主要出现在钢中，硬得像个石头。
渗碳体的出现，给整个铁碳合金的家族增添了一份力量。
它的存在让钢的强度倍增，简直是“锋利无比”。
可是，凡事有利就有弊，渗碳体太多的话，脆得像玻璃，真是得不偿失。
想想，做饭的时候加点盐就好，可一不小心放多了，就得重新做菜了。
再说说奥氏体，这家伙的个性可真独特。
它在高温时形成，冷却后又能保持稳定，像个百变的演员，随时准备变换角色。
奥氏体的韧性和塑性都很好，适合用在一些特殊的场合，比如不锈钢。
你看，奥氏体就像那种神秘又迷人的角色，总是给人带来惊喜，真让人捉摸不透。
不过，要是温度不够，奥氏体就会变成其他结构，变幻莫测，跟电视剧里的反派一样，永远在你意想不到的时候出现。
最后来聊聊贝氏体，听这名字就感觉高大上。
贝氏体的形成是介于珠光体和奥氏体之间的一种相变，既有珠光体的强度，又有奥氏体的韧性，真是个“高端大气上档次”的角色。
铁碳合金的组织结构
一、铁碳合金的组织结构㈠金属的组织与结构在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织，如图2-1所示。
如用电子显微镜，可以观察到金属原子的各种规则排列。
这种排列称为金属的晶体结构，简称结构。
纯铁在不同温度下具有两种不同的晶体结构，即体心立方晶格与面心立方晶格，如图2-2所示。
由于内部的微观组织和结构形式的不同，影响着金属材料的性质。
纯铁在体心立方晶格结构时，塑性比面心立方晶格结构的好，而后者的强度高于前者。
s铸铁是应用广泛的一种铁碳合金材料,一般碳以石墨形式存在，石墨有不同的组织形貌，见图2-3所示。
其中球状石墨的铸铁称球墨铸铁，它的强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。
㈡纯铁的同素异构转变体心立方晶格的纯铁称α-Fe，面心立方晶格的铁称为γ-Fe。
α-Fe经加热可转变为g-Fe，反之高温下的α-Fe冷却可变为α-Fe。
这种在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称"同素异构转变"。
纯铁的同素异构转变是在910℃恒温下完成的。
这一转变是铁原子在固态下重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程。
是钢进行热处理的依据。
㈢碳钢的基本组织铁素体碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加。
这是由于碳引起了铁内部组织的变化，从而引起碳钢的力学性能的相应改变。
碳在铁中的存在形式有固溶体（两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体）、化合物和混合物三种。
这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。
碳溶解在a-Fe中形成的固溶体称铁素体。
由于α-Fe原子间隙小，溶碳能力低（在室温下只能溶解0.006％），所以铁素体强度和硬度低，但塑性和韧性很好。
低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。
第4讲铁碳合金基本组织及铁碳合金相图分析
第4讲铁碳合⾦基本组织及铁碳合⾦相图分析第三章铁碳合⾦第⼀节基本组织⼀、铁碳合⾦的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。
由于α-Fe晶粒的间隙⼩，溶解碳量极微，其最⼤溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是⼏乎不含碳的纯铁。
=180～230Mpa性能：σbHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰⾊并有明显⼤⼩不⼀的颗粒形状。
Array C）2、渗碳体（Fe3渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。
含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很⾼，脆性极⼤，是钢中的强化相。
显微镜下观察，渗碳体呈银⽩⾊光泽。
渗碳体在⼀定条件下可以分解出⽯墨，3、奥⽒体（A）奥⽒体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。
γ-Fe的溶碳能⼒较⾼，最⼤为2.11%（1148℃）。
由于γ-Fe⼀般存在于727～1394℃之间，所以奥⽒体也只出现在⾼温区域内。
显微镜观察，奥⽒体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。
性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗⼒。
是绝⼤多数钢种在⾼温进⾏压⼒加⼯所需的组织。
4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。
显微镜观察，珠光体呈层⽚状特征，表⾯具有珍珠光泽，因此得名。
=750Mpa性能：σbHB=160～180较⾼δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱⽒体（Ld）莱⽒体是由奥⽒体和渗碳体组成的共晶体。
铁碳合⾦中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发⽣共晶转变，⽣成⾼温莱⽒体。
合⾦继续冷却到727℃时，其中的奥⽒体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱⽒体。
统称莱⽒体。
第⼆节铁碳合⾦相图分析各主要线的意义：相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合⾦的开始点和终了点，分别⽤光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合⾦内部组织发⽣转变的界限。
铁碳合金的基本组织
铁碳合金的基本组织1、铁素体（F或α）铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。
碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。
其强度和硬度很低，塑性、韧性好。
显微组织是明亮的多边形晶粒。
2、奥氏体（A或γ）奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。
碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%；1148℃时为0.77%。
其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。
其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。
3、碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构。
其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、A k接近于零，脆性很大。
4、珠光体（P）奥珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。
显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。
性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性5、莱氏体（Ld或Ld'）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。
铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 1、主要特性点 1）A 点纯铁的熔点，温度1538℃,Wc=02）G 点纯铁的同素异晶转变点，冷却到912℃时,发生γ-F →α-Fe3）Q 点600℃时,碳在α-Fe 中的溶解度,Wc=0.0057%4）D 点渗碳体熔点,温度1227℃,Wc=6.69%5）C 点共晶点，温度1148℃，Wc=4.3%成分为C 的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：Lc →Ld （AE+Fe3C ）6）E 点目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe －Fe3C 部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。
右图为简化后的Fe －Fe3C 状态图。
碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃，Wc=2.11%7）S点共析点，温度727℃，Wc=0.77%成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：As→P （Fp+Fe3C）8）P点碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃，Wc=0.0218% 2、特性线1）ACD线液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。
铁碳合金的基本组织
铁碳合金是一种常见的金属材料，由碳和铁组成，具有良好的力学性能和耐磨性能，广泛用于工程机械和航空航天等行业。
其基本组织可以分为三类：
一、铁碳合金的晶粒组织
晶粒组织是铁碳合金的基本组织，其晶粒主要由铁组成，其中碳以合金钢中的碳化物形式存在。
这种组织结构经过热处理后可以改善铁碳合金的力学性能。
例如，合金钢中的碳化物可以改善钢的强度、韧性以及耐磨性等特性，使钢具有更好的抗拉强度和抗压强度。
二、铁碳合金的析出相组织
析出相组织是铁碳合金中的另一种基本组织，其中析出相是由另一种金属元素（如铬、钛、锰等）和碳组成的合金组分，它们可以改变铁碳合金的物理性能，如硬度、耐磨性等。
例如，加入适量的铬可以提高铁碳合金的硬度，提高耐腐蚀性，而加入钛可以提高铁碳合金的抗拉强度和抗压强度。
三、铁碳合金的纤维组织
纤维组织是铁碳合金最常见的组织形式之一，其中碳纤维可以改变铁碳合金的力学特性，如抗拉强度、抗压强度和耐磨性等。
例如，现代航空航天航空钢中的碳纤维可以提高钢的抗拉强度，耐磨性和抗压强度，从而提高航空器的安全性。
总之，铁碳合金的基本组织有晶粒组织、析出相组织和纤维组织等，它们均可以改善铁碳合金的力学特性，广泛应用于工程机械和航空航天行业。
§3-2 铁碳合金的基本组织与性能
§3－2 铁碳合金的基本组织与性能
一、铁素体（F）
二、奥氏体（A）
三、渗碳体（Fe3C或Cm） 四、珠光体（P） 五、莱氏体（Ld）
一、铁素体（F）
碳溶解在α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号 F 表示。
铁素体的晶胞示意图
铁素体的显微组织
铁素体（F）
（1）概念：碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称
有奥氏体和渗碳体； L΄d(低温莱氏体，温度＜7270C) 有珠光体和渗碳体组成。 （3）溶碳能力：C=4.3% （4）性能特点：硬度很高，塑性很差。
小结
1.铁碳合金有五种组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、 莱氏体 2.铁碳合金三种基本组织：铁素体、渗碳体、奥氏体
3.室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体组成
珠光体（P）
（1）概念：是铁素体与碳光体的混合物
（2）符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间,交
替排列。 （3）溶碳能力：在7270C时，C=0.77% （4）性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能， 强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
五、莱氏体（分为高温莱氏体和低温莱氏体）
（一)、高温莱氏体 1.定义： 液态铁碳合金发生共晶转变所形成奥氏体 和渗碳体组成的混合物 2.表示符号： Ld 3.存在温度区间： 727℃ ——1148℃ 4.含碳量： 4.3% 5.特点：硬度高，塑性很差。
三、渗碳体（Fe3C或Cm）
渗碳体是含碳量为 6.69％的铁与碳的金属
化合物，其化学式为
Fe3C。
渗碳体的晶胞示意图
渗碳体（Fe3C或Cm）
（ 1 ）概念：含碳量为 6.69% 的铁与碳的金属化合
物。
（2）符号：Fe3C （3）溶碳能力： 复杂的斜方晶体 C=6.69%
铁碳合金的基本组织名称类型特点
铁碳合金的基本组织名称类型特点一、铁碳合金的基本组织铁碳合金是指含有一定量碳元素的铁合金，其基本组织包括珠光体、贝氏体、马氏体和残余奥氏体四种。
1. 珠光体珠光体是铁碳合金中最常见的基本组织，其形态呈球状或半球状。
珠光体通常由铁素体经过缓冷或退火处理形成。
珠光体中的碳元素以Fe3C（水滑石）的形式存在，因此在显微镜下呈黑色。
2. 贝氏体贝氏体是由珠光体和渗碳贝氏体共同构成的一种基本组织。
贝氏体呈板条状，其形态与尺寸受到冷却速度和温度等因素的影响。
贝氏体中的碳元素以Fe3C和奥氏体固溶态（即固溶于γ-Fe中的C）的形式存在。
3. 马氏体马氏体是由奥氏体在快速冷却过程中分解而成。
马氏体呈针状或板条状，具有高强度、高硬度和良好的韧性。
马氏体中的碳元素以固溶态和Fe3C的形式存在，其中固溶态碳元素的含量较高。
4. 残余奥氏体残余奥氏体是指在快速冷却过程中未能完全转变为马氏体而残留下来的奥氏体。
残余奥氏体具有良好的韧性和可塑性，但强度和硬度较低。
残余奥氏体中的碳元素以固溶态和Fe3C的形式存在。
二、铁碳合金组织类型根据不同的冷却速度和温度条件，铁碳合金可以形成不同类型的组织。
常见的组织类型包括珠光体钢、淬火钢、退火钢、球墨铸铁等。
1. 珠光体钢珠光体钢是指经过缓冷或退火处理后所得到的组织为珠光体的钢。
珠光体钢具有良好的可加工性和韧性，但硬度和强度较低。
2. 淬火钢淬火钢是指经过快速冷却（淬火）处理后所得到的组织为马氏体的钢。
淬火钢具有高强度、高硬度和良好的耐磨性，但韧性较差。
3. 退火钢退火钢是指经过加热处理后缓慢冷却所得到的组织为贝氏体或珠光体的钢。
退火钢具有良好的可加工性和韧性，但强度和硬度较低。
4. 球墨铸铁球墨铸铁是指在铸造过程中加入一定量镁元素，使其形成球形石墨颗粒的铸铁。
球墨铸铁具有高强度、高韧性和良好的耐蚀性，适用于制造机械零件等要求高强度和耐磨性的零部件。
三、铁碳合金特点1. 铁碳合金具有良好的可加工性和可塑性，适用于制造各种机械零件、建筑材料等。
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%)
铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
（三） 切削加工性
金属的切削加工性能是指其经切削加工
成工件的难易程度。
钢的硬度在 160 ～ 230HBS 时，切削加工
、含碳量与工艺性能间的关系
（一） 铸造性能
共晶成分的铸铁，不仅液相与固相线的距离最 小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔
小，偏析小，是铸造性能好的铁碳合金。
上一级
（二） 可锻性和可焊性
金属的可锻性是指金属压力加工时，能改变形 状而不产生裂纹的性能。 低碳钢的可锻性优于高碳钢，铸铁不可锻造。 金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊 缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢 主要是低碳钢和低碳合金钢。
上一级上一级铸造性能共晶成分的铸铁不仅液相与固相线的距离最小而且熔点亦最低故流动性好分散缩孔小偏析小是铸造性能好的铁碳合金
§4-4
铁碳合金的成分、组织、 性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
随着含碳量的增加，组织变化趋势为：
F F P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C
上一级
二、含碳量与力学性能间的关系
随着含碳量的增加，渗碳体增加，应力增加， 塑性下降。 当含碳量小于0.9%时，随着钢中含碳量的增加， 钢的强度硬度值直线上升，而塑性、韧性不断 降低；当钢中含碳量大于0.9%时，因沿晶界形 成的二次渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、 韧性进一步降低，而且强度也明显下降。
铁碳合金的基本组织
铁素体
铁素体是在体心立方晶格α铁中最多只含有碳0.02%的固溶体。它的显微组织是多边形的晶粒。铁索体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能与纯铁极为相似，也叫纯铁体。铁索体极可塑且软，并有低的抗拉强度和高的延伸率，抗拉强度为275.790Mpa，延伸率是40%
11
渗碳体
渗碳体是铁和6.69%的碳组成的间隙化合物，也称碳化三铁（Fe3C）。当它作为一种相在钢中出现时其化学组成将由于锰和其它碳化物形成元素的存在而改变，具有复杂的晶格结构。是不稳定相，给予足够的时间，渗碳体会分解为两种完全平衡的成分，即铁和石墨。其性能硬而脆，几乎没有塑性，抗拉强度约为34.474Mpa，延伸率等于0
16
贝氏体
贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物，是奥氏体的分解产物。又分为上贝氏体（呈现羽毛状）和下贝氏体（呈针状）。下贝氏体性能优于上贝氏体。硬度随着转变温度的降低而增加
17
马氏体
马氏体是钢在低于奥氏体的转变温度形成的亚稳定相，通常是指碳在体心立方晶格α的铁中的间隙式过饱和固溶体。马氏体转变在冷却过程中几乎是立刻发生的，而且转变的百分比仅取决于冷却达到的温度。其显微组织是针状的。钢中马氏体的硬度随含碳量的增加而提高。高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。但无论含碳多少，马氏体都是奥氏体转变产物中硬度最高的
13
莱氏体
莱氏体是铁碳合金中的一种共晶组织。在高温由奥氏体和渗碳体、在室温由珠光体和渗碳体构成。含碳4.3%（质量分数）。这种共晶是C＞2.0%的铁-碳合金的组织，并且以此原因把C2.0%作为钢和铸铁之间的分界线。性硬而脆，通常仅存在于白口铁中，在某些高碳高合金钢（例如：高速工具钢、Cr12型合金工具钢）中，也会出现，但数量较少
12
含碳量为0.2%的铁碳合金,室温下组织组成和相组成
铁碳合金是一种重要的金属材料，具有广泛的工业应用。
在铁碳合金中，碳的含量对其性能和组织结构有着重要影响。
当碳的含量为0.2时，铁碳合金的组织组成和相组成将呈现怎样的特点呢？本文将对此进行详细的介绍和分析。
一、碳含量为0.2的铁碳合金的组织组成在室温下，碳含量为0.2的铁碳合金的组织主要由珠光体和铁素体组成。
其中珠光体是一种由铁和碳组成的固溶体，具有类似珍珠光泽的特点，故得名珠光体。
而铁素体则是由纯铁组成的金属相。
二、碳含量为0.2的铁碳合金的相组成1. 珠光体珠光体是铁碳合金中主要的组织相，其含碳量在0.02至2.06之间。
在碳含量为0.2时，珠光体的比例较大，占据着铁碳合金中大部分的组织结构。
珠光体具有良好的塑性和强度，是铁碳合金中的重要组织相。
2. 铁素体铁素体是铁碳合金中的另一种重要相，其为纯铁组成的金属相。
在碳含量为0.2时，铁素体的比例较小，一般分布在珠光体的周围或夹杂在珠光体中。
铁素体具有良好的磁性和导电性，对铁碳合金的性能有着重要影响。
三、碳含量为0.2的铁碳合金的性能特点1. 机械性能碳含量为0.2的铁碳合金具有较好的塑性和强度，适用于冷、热压成形及焊接等加工工艺。
其具有良好的可加工性和成形性，广泛用于制造工程结构件和零件。
2. 物理性能在室温下，碳含量为0.2的铁碳合金具有良好的导电性和磁性，适用于制造电工磁性材料和电磁设备。
其具有良好的导电和磁导性能，可广泛应用于电气工业领域。
3. 热处理性能碳含量为0.2的铁碳合金具有良好的热处理性能，在固溶态和时效态下，可以获得不同的组织结构和性能。
其具有良好的热处理适应性，适用于制造各种工程材料和工件。
四、碳含量为0.2的铁碳合金的应用领域1. 机械制造碳含量为0.2的铁碳合金适用于制造各种机械结构件和零件，如车轴、轴承、齿轮等。
其具有良好的耐磨性和耐磨损性能，适用于重载和高速运转的机械设备。
2. 电气工业碳含量为0.2的铁碳合金适用于制造各种电工磁性材料和电磁设备，如变压器铁芯、电机矫平铁芯等。
铁碳合金非平衡组织观察与分析课件
功能材料与器件开发
功能材料与器件在现代科技领域具有广泛的应用前景，如 电子信息、新能源、生物医疗等。通过观察和分析铁碳合 金的非平衡组织，可以为功能材料与器件的开发提供新的 思路和方法。
定义
铁碳合金是由铁元素和碳元素组 成的合金，是钢和铸铁的统称。
分类
根据碳含量，铁碳合金可分为低 碳钢、中碳钢和高碳钢；根据生 产工艺，可分为铸铁和锻钢。
铁碳合金的相图
01
铁碳相图是表示铁碳合金在不同 温度和成分下组织状态变化的图 谱，是研究铁碳合金的基础。
02
相图中的点和线分别代表不同的 组织状态，如液相、奥氏体、铁 素体、渗碳体等。
2023-2026
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铁碳合金非平衡组织 观察与分析课件
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目 录
• 铁碳合金基础知识 • 非平衡组织形成机理 • 非平衡组织观察技术 • 非平衡组织分析方法 • 非平衡组织的性能与优化 • 非平衡组织的实际应用
PART 01
铁碳合金基础知识
铁碳合金的定义与分类
溶质再分配与微观偏析
在非平衡凝固过程中，溶质再分配导 致微观偏析。
微观偏析程度与冷却速度、溶质元素 种类和浓度有关。
溶质富集和贫瘠区域的形成，影响组 织结构和性能。
PART 03
非平衡组织观察技术
金相显微镜观察
观察材料表面形貌
金相显微镜能够观察金属 材料的表面形貌，如晶粒 大小、相界等。
确定组织组成
通过金相显微镜观察，可 以识别铁碳合金中的不同 相，如铁素体、奥氏体、 渗碳体等。
铁 碳 合 金
铁碳合金
铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应 用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合 金的成分、组织和性能之间的关系。
1.1 铁碳合金的基本组织
铁碳合金中含有质量分数为0.10%～0.20%的杂质，称之为 工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适 宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入 少量碳元素，可形成等五种基本组织。
谢谢观看！
K
727
P
727
6.69 0.0218
Fe3C的成分点 碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点
Q 600（室温） 0.0057（0.0008） 600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度
铁碳合金分类
通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由Fe—Fe3C相图中的P 点和E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体
1.2 铁碳合金相图
表2-1 Fe—Fe3C相图中的特性点
符号 温度（℃） 含碳量（%）
说明
A
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
4ห้องสมุดไป่ตู้30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
6.69
渗碳体的成分点
G
912
0
Α-Fe与γ-Fe同素异构转变点
工业纯铁 是指P点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%），室温组织为铁素 体+少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较 低。 钢 是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与E 点成分之间的铁碳合金（含碳量0.0218%～2.11%），具有良好的塑性， 适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共 析钢和过共析钢三种。 白口铸铁 是指E点成分以右（含碳量2.11%～6.69%）的铁碳合金。白口铸铁有 较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白 口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。
1.3铁碳合金
▪ 铁碳合金：以铁为基体，有不
同碳含量的合金，称为铁碳合金。
铁碳合金是工业上应用最 广泛的合金。
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1.3.1 铁碳合金的基本组织
（1）.铁碳合金中，固态时可形成
固溶体、化合物、机械混合 物
（2）.铁碳合金的基本组织有铁 素体、奥氏体、渗碳体、珠光体 和莱氏体。
（3）.纯铁：熔点1538℃，有同素
当冷却到4点 温度时，剩余傲视 体的w(C)减少至 0.77%，达到共 析成分，发生共析 反应，转变为珠光
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(4)共晶白口铸铁结晶过程 动画演示
L → Ld（A+Fe3C） → Ld（A+Fe3C+Fe3CⅡ） → L’d（P+ Fe3C+Fe3CⅡ）
当液态合金冷 却到1点以下温度 时，发生共晶反 应，转变为莱氏 体，随着温度的下 降，碳在澳氏体中 的溶解度不断下 降。由奥氏体中不 断析出渗碳体。
思考题
1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学性 能。
2.碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？
3.试分析W(C)分别为0.2%、0.77%、1.3%的铁碳合金自 高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。
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当冷却到2点 温度时，剩余液体 的w(C)减至 4.3%，达到共晶 成分，发生共晶反 应，转变为莱氏 体。
温度在2点和3 点之间时，莱氏体 中的奥氏体由于冷
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1.3.3 碳对铁碳合金组织和性能的影响
（1）当w(c)<0.9%时，随着含碳量的增加，钢的强度的
硬度不断提高，而塑性不断下降，这是由于钢中珠光体 的含量不断增多，铁素体的含量不断减少所致。
铁碳合金平衡组织的显微分析及观察
铁碳合金平衡组织的显微分析及观察铁碳合金是钢铁制造中的重要原料，其组织与性能的研究对于钢铁生产及应用的改进具有重要意义。
本文将就铁碳合金的微观组织进行分析及观察，探究不同的组织类型对铁碳合金的性能影响。
铁碳合金的显微组织包括珠光体、贝氏体、马氏体和残余奥氏体等不同类型。
其中珠光体和贝氏体较为常见，马氏体则在钢铁淬火处理过程中生成，残余奥氏体则是有机会在高温下形成的。
不同类型的组织在铁碳合金的性能中起着不同的作用。
首先，珠光体是由同形晶体铁素体和渗碳钢化物交替排列组成的均质混合物。
它的显微结构呈层状结构，类似于细小的珍珠，因此得名。
珠光体在钢铁制造中应用广泛，在造船、汽车等领域具有重要作用。
由于珠光体的塑性较好，它对铁碳合金的韧性和强度的提升也有一定的促进作用。
贝氏体则是由铁素体和渗碳钢化物交替排列组成的组织。
与珠光体不同的是，贝氏体的结晶形态在加热过程中会发生不同程度的变化。
贝氏体的硬度较高，因此在一些具有高强度要求的领域（如制造高强度钢材）有着重要应用。
然而，贝氏体在成型过程中会采用形变硬化技术，从而影响了钢铁的切削加工性。
因此，在改善铁碳合金的加工性能方面，珠光体的作用更优。
马氏体是在淬火加热后生成的一种组织，硬度非常高，且不易变形。
在制造高强度钢材、弹簧钢等领域具有重要应用。
然而，由于马氏体的脆性较大，钢铁的韧性会减弱，这对一些机械零件来说是不利的。
残余奥氏体则是在铁碳合金高温处理过程中形成的一种组织。
相比于其它类型的组织结构，残余奥氏体的韧性较高，因此在制造大型机械顶轴等领域有着广泛的应用。
综上所述，铁碳合金的显微组织类型不同，对铁碳合金的性能表现具有显著的影响。
例如珠光体塑性好，因此在钢铁深度加工中更有优势；马氏体则硬度高、强度大，因此适用于一些高要求领域，如制造高强度钢材和弹簧钢。
铁碳合金微观组织及性质的研究，有助于优化材料的结构，提高材料的性能表现。
铁碳合金基本组织
第二章 铁碳合金 第一节 铁碳合金的基本组织*什么叫组织？ 表示晶体的种类、大小、分布状况。
可以由一个相或多个相组成一．纯铁的晶体结构及其结晶1．(简)同素异晶体：同种元素组成的具有不同晶体结构的晶体，如石墨是金刚石的同素异晶体；α-Fe 与γ-Fe2．(简)纯铁的同素异晶转变α-Feγ-Fe3．重结晶固态下的结晶与液态到固态的结晶的异同．．．．．．．．．．．（以铁为例）同：都属于结晶过程，都有“形核——长大”的过程、“过冷”等现象。
异：在固态下结晶时应力不能及时释放，产生应力。
因此把这种结晶称作：重结晶钢铁材料的种类较多，掌握其性能不太容易。
但这些材料的性能是由其组织决定的。
二．铁碳合金的五种基本组织及其性质1．铁素体温（F ） 形成：碳溶入α-Fe特点：塑性、韧性好，强度、硬度低 δ：30~50%σb ：180~280MPa 。
HBS ：50~80，很软。
小刀刻划例：08钢，F 含量90%，估计其塑性、韧性2．奥氏体（A ） 形成：碳溶入γ-Fe特点：常温下：塑性和韧性好，具有一定的强度和硬度。
δ：40~50% σb ： HBS ：170~220高温下（800o C 以上）：塑性极好，强度极低。
应用：锻压。
“趁热打铁” 3．渗碳体（Fe 3C ）形成：铁与碳生成的化合物 特点：硬而脆、塑性极差 作用：？(双重) 4．珠光体（P ）形成：Fe 3C 与F 片状交分布形成的层状结构。
（示意图） 特点：强度、硬度较高。
塑性和韧性不高。
δ：20~30% σb ：770MPaHBS ：1805．莱氏体（Ld ）形成：由A 与Fe 3C 组成 特点：类似于渗碳体根据钢的组织比较性能：10钢（F 多87%+P ）与45钢（F 少42%+P ） 10钢（F 多87%+P ）与20钢（F 中等74%+P ） 45钢（F+P ）与T10A 钢（P+Fe 3C ）第二节 铁碳相图如何才能知道钢中某种组织的含量？一．基本概念 1．相图的作用了解合金的组织指导热加工和选材例：仪表、汽车的外壳 选塑性好的材料 F 含量多的钢。
铁碳合金的五种基本组织
铁碳合金的五种基本组织
铁碳合金是一种常见的金属材料，广泛应用于机械、汽车、航空等领域。
铁碳合金中的碳含量不同，其组织也会有所不同。
本文将介绍铁
碳合金的五种基本组织。
一、珠光体组织
珠光体是铁碳合金中最常见的组织之一，通常含有0.8%以上的碳。
珠光体由许多球形或半球形的晶粒组成，这些晶粒由铁和碳元素交替排
列而成。
珠光体具有良好的韧性和可加工性，在机械制造中广泛应用。
二、渗碳体组织
渗碳体是一种含有较高碳量（1.2%-2.0%）的铁碳合金组织，通常通
过在低温下将钢件浸入含有高浓度碳化物化学物质中来制备。
渗碳体
具有高硬度、高强度和耐磨性能优良等特点，在摩擦磨损领域得到广
泛应用。
三、马氏体组织
马氏体是一种在快速冷却过程中形成的铁碳合金组织，通常含有
0.2%-0.8%的碳。
马氏体具有高硬度、高强度和良好的韧性，是制造
高强度钢材的重要组织之一。
四、贝氏体组织
贝氏体是一种由铁和碳元素交替排列而成的组织，通常含有0.2%-0.8%的碳。
贝氏体具有较高的韧性和可塑性，同时也具有一定的硬度和强度，在汽车制造等领域得到广泛应用。
五、班氏体组织
班氏体是由温度升高时形成的铁碳合金组织，通常含有0.2%-0.8%的碳。
班氏体具有良好的韧性和可塑性，在机械制造中得到广泛应用。
结语：
以上就是铁碳合金的五种基本组织。
不同组织在机械制造等领域都有
不同的应用，因此在选择材料时需要根据具体使用场景来选择适合的
铁碳合金组织。
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本部分的主要内容和要求
要求掌握以下内容：
铁碳合金的组织组分：铁素体、奥氏体、 渗碳体、珠光体、莱氏体、石墨的特征
按铁碳合金相图和平衡组织对铁碳合金分 类：工业纯铁、钢和铸铁
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（2）亚共晶白口铸铁的平衡组织
亚共晶白口铸铁 是Wc＝2.11～4.30 % 的铁碳合金，其室 温组织由珠光体和低 温莱氏体组成，即 (P+L’d)，右图为其 室温组织，黑色椭圆 是珠光体，其余为莱 氏体。
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（3）过共晶白口铸铁的平衡组织
过共晶白口铸铁是Wc＝4.3～6.69 % 的铁碳合金， 其室温组织由条状的一次渗碳体和低温莱氏体组成， 即(Fe3CⅠ+ L’d)，左下图(200×)中黄色的为Fe3CⅠ， 低温莱氏体由绿色的P和棕黄色的Fe3C组成。
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2、铁碳合金分类
按铁碳合金相图和平衡组织可将铁碳合金 分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。具体如下：
工业纯铁： Wc<0.0218%的铁碳合金 钢：Wc=0.0218～2.11%之间的铁碳合金， 分为：
亚共析钢： Wc= 0.0218～0.77% 共析钢： Wc=0.77% 过共析钢： Wc=0.77～2.11% 白口铸铁：含碳量Wc>2.11%的铁碳合金， 分为： 亚共晶白口铸铁： Wc＝2.11～4.30% 共晶白口铸铁： Wc＝4.30% 过共晶白口铸铁： Wc＝4.31～6.69%
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二、铁碳合金的平衡组织
1、工业纯铁的平衡组织
工业纯铁是Wc<0.0218%的铁碳合金，根据Fe-Fe3C相 图，下图是工业纯铁的退火室温组织，是由多边形的 铁素体和细小颗粒三次渗碳体组成(α+Fe3CⅢ)。
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2、共析钢的平衡组织
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3、铁碳合金组织的分类
根据铁碳合金的分类和热处理工艺。具体如下 铁碳合金的平衡组织
平衡组织： 1、工业纯铁的平衡组织 2、钢的平衡组织 3、白口铸铁的平衡组织 铁碳合金的非平衡组织 非平衡组织： 1、伪珠光体组织 2、马氏体组织 3、贝氏体组织 4、回火组织
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（2）奥氏体(γ或A)：C溶解于γ-Fe形成的间隙固溶 体，具有fcc结构。其性能是屈服强度低，硬度低，塑 性较高，适合压力加工，晶粒也呈平直多边形。是无磁 性。下图为不锈钢的退火组织（奥氏体和孪晶）
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（3）渗碳体(Fe3C)：铁
（1）共析钢的平衡组织
共析钢理论上是Wc=0.77%的铁碳合金，通过共析 转变形成的，其室温组织是由铁素体和渗碳体相间排 列组成的机械混合物，即 P(α+ Fe3C)，常呈层片状。 下图为共析钢退火后的室温组织(500×)。
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（2）亚共析钢的平衡组织
亚共析钢是 Wc= 0.0218～0.77%的铁碳合金，其室温 组织是由铁素体和珠光体组成，即α+P(α+Fe3C)，P 仍呈层片状。下图为亚共析钢(45钢)的室温组织 (200×)，图中白亮的为α，层片状的是P。
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（5）莱氏体(Ld)：是含碳量4.3％的铁碳合金发生共 晶析称转转为变变低的形温产成莱物氏P，体(L共(d析L:’γd转)+,变F莱e结3氏C)束体，后硬温组而度织脆降为。至F下7e23图C7+℃中P+线是Fe发在3C生Ⅱ白共，亮 的Fe3C基体上分布着椭圆形的P。
碳合金中铁、碳形成的化合 物，属于正交晶系 。渗碳 体硬而脆，塑性极低，延伸 率接近于0，是钢铁材料中 的主要强化相，Fe3C在钢和 铸铁中呈现片状、粒状、网 状和板条状。具有铁磁性。
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材料科学与工程学院5 Nhomakorabea（4）珠光体(P)：是含碳量0.77％的铁碳合金发生 共析转变的产物，是有铁素体和渗碳体组成的机械 混合物(α+Fe3C)，根据渗碳体形态不同，分为片状P 和粒状P，粒状P是片状P球化形成的。片状P的强度 高，粒状P的综合性能好。
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（6）石墨(C)：是Fe3C在一定条件下分解产生的C， 以游离态存在。可实用的铸铁中碳大部分或全部以石 墨的形式存在，铸铁组织是由基体和石墨两部分组成 的。石墨的形态、大小、数量和分布对铸铁的性能有
着非常重要的影响，石墨的形态有片状、球状、蠕虫 状、团絮状等。
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（3）过共析钢的平衡组织
过共析钢是 Wc= 0.77～2.11%的铁碳合金，其室温 组织是由珠光体和二次渗碳体组成，即 P+Fe3CⅡ， Fe3CⅡ呈白色的网状，P仍呈层片状。下图为T12钢退火 的室温组织(500×)，图中白亮的网为α，层片状是P。
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铁碳合金的平衡组织 ：工业纯铁、钢、白 口铸铁平衡凝固后的室温组织
铁碳合金的非平衡组织：伪珠光体、马氏 体类组织、贝氏体类组织、回火组织
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一、铁碳合金概述
1、铁碳合金的组织组分
（1）铁素体(α或F)：是
C溶于α-Fe形成的间隙固 溶体，具有bcc结构。C原 子溶于八面体间隙。其性 能是硬度低，塑性高，晶 粒常呈多边形。是铁磁性。 右图是工业纯铁的退火室 温组织，是由多边形的铁 素体和细小颗粒三次渗碳 体组成(α+Fe3CⅢ)，晶粒 因位相不同而呈现不同的 颜色。
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3、铸铁的平衡组织
（1）共晶白口铸铁平衡组织 共晶白口铸铁是Wc＝4.30% 的铁碳合金，高温有莱
氏体组成，即Ld(γ+Fe3C)。室温由低温莱氏体组成， 即L’d(P+Fe3CⅡ+Fe3C)，左图(200×)，绿色是P，黄色 是Fe3C。
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