铁碳合金成分组织性能之间的关系

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α-Fe中形成的间隙固溶体。

经3%～5%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3%～5%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3%～5%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。

第4章 习题4-1 分析w C =0.2%、w C =0.6%、w C =1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。

解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe （碳的质量分数是0.008%）和Fe 3C （碳的质量分数是6.69%），故（1） w C =0.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.2%100%97.13%6.690.008%197.13% 2.87%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下α-Fe 碳的成分是0.0218%，P 的碳的成分为0.77%，故w C =0.2%的合金在室温时组织中P 和α的相对量分别为0.20.0218%100%23.82%0.770.0218%123.82%76.18%P α-=⨯=-=-= （2）w C =0.6%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.6%100%91.14%6.690.008%191.14%8.86%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，在室温时组织中P 和α的相对量为0.60.0218%100%77.28%0.770.0218%177.28%22.72%P α-=⨯=-=-= （3）w C =1.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.69 1.2%100%82.16%6.690.008%182.16%17.84%Fe C α-=⨯=-=-= w C =1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是P 和Fe 3C ，在室温时组织中P 的相对量为3 6.69 1.2%100%92.74%6.690.77%192.74%7.3%P Fe C -=⨯=-=-=4-2 分析w C =3.5%、w C =4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。

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。

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中的溶解度专门小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。

其强度和硬度专门低，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。

其硬度专门高，塑性和韧性专门差，δ、A k接近于零，脆性专门大。

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。

铁碳合金状态图分析1、要紧特性点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。

论铁碳合金组成成份对其性能的影响钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。

普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金，所以其主要组成元素除铁和碳外，还有其它次要元素如硅、锰、磷、硫、铬、钼、钨、铝、铜、钛、钒、镍、镁、钒、硼、氮，还有稀土等等，它们对铁碳合金性能的影响程度大多与其在合金中的质量分数成正比，也就是说碳元素的影响最大，其它次之，下面分述之：一.碳对铁碳合金性能的影响合金材料的性能包括使用性能和工艺性能。

使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。

工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。

这里着重介绍随着碳在铁碳合金中的质量分数（即含碳量）从0~6.69%的提高，铁碳合金的力学性能不断发生的质的飞跃，其阶段性名称是：0~0.0218%工业纯铁→0.0218%~0.77%亚共析钢（0.0218%~0.25%低碳钢→0.25%~0.60%中碳钢→0.60%~0.77%高碳钢）→0.77%共析钢→0.77%→2.11%过共析钢→2.11%~4.3%亚共晶白口铸铁→4.3%共晶白口铸铁→4.3%~6.69%过共晶白口铸铁。

这个过程中铁碳合金的含碳量与力学性能之间的关系如下：1.硬度：随含碳量增加，硬度不断升高。

2.强度：在0.9%以下，强度随含碳量增加而不断上升。

3.塑性和韧性：随含碳量增加，塑性和韧性不断下降。

4.含碳量在2.11%以上的白口铸铁性能硬脆,难以加工,因此在机械工业中应用不多。

二. 其它元素对铁碳合金性能的影响由于全面论述其它元素对铁碳合金性能的影响篇数太大，这里仅以钢为例述说其它元素对其综合性能的影响：1.硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性。

实验日期：成绩：工程材料综合实验报告工程材料综合实验----碳钢成分-组织-性能实验●金相显微镜的构造及使用●金相显微试样的制备●铁碳合金平衡组织观察●碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定一．实验目的1.研究铁碳合金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。

3.了解碳钢的热处理操作。

4.研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响5.观察热处理后钢的组织及其变化。

6.了解常用硬度计的原理，初步掌握硬度计的使用。

二．实验设备及材料1.显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等；2.金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；3.三个形状尺寸基本相同的碳钢试样（低碳钢20＃、中碳钢45＃、高碳钢T10）。

三、实验内容概述1．钢的热处理热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。

通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是AC3+30~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是AC1+30~50℃，过共析钢的正火温度是ACcm+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。

碳钢的过冷奥氏体在Ac1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物。

依据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体——索氏体（S）和极细片状珠光体——屈氏体（T）之分。

硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高。

碳钢的过冷奥氏体在550~350℃之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。

在光学显微镜下呈黑色羽毛状特征。

过冷奥氏体在350℃~Ms之间等温得到黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。

过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至Ms以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe中的过饱和固溶体——马氏体。

第4章 习题4-1 分析w C =%、w C =%、w C =%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。

解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe(碳的质量分数是%)和Fe 3C(碳的质量分数是%)，故(1) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.2%100%97.13%6.690.008%197.13% 2.87%Fe C α-=⨯=-=-= w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下α-Fe 碳的成分是%，P 的碳的成分为%，故w C =%的合金在室温时组织中P 和α的相对量分别为0.20.0218%100%23.82%0.770.0218%123.82%76.18%P α-=⨯=-=-= (2) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.6%100%91.14%6.690.008%191.14%8.86%Fe C α-=⨯=-=-= w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，在室温时组织中P 和α的相对量为0.60.0218%100%77.28%0.770.0218%177.28%22.72%P α-=⨯=-=-= (3) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.69 1.2%100%82.16%6.690.008%182.16%17.84%Fe C α-=⨯=-=-= w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是P 和Fe 3C ，在室温时组织中P 的相对量为3 6.69 1.2%100%92.74%6.690.77%192.74%7.3%P Fe C -=⨯=-=-=4-2 分析w C =%、w C =%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。

相图分析——典型合金结晶——铁碳合金成分与性能关系、应用三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。

任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。

1、碳的质量分数对组织的影响铁碳合金的室温组织随碳的质量分数的增加，组织的变化规律如下：F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ从以上变化可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。

具体来说，对钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体量随着减少，过共析钢中的二次渗碳体量随着增加；对铸铁部分而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量随着增加。

铁碳合金室温组织的相组成相对量、组织组成物相对量如图所示。

2、碳的质量分数对力学性能的影响铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。

当碳的质量分数Wc<%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度呈直线上升，而塑性、韧性随之降低。

原因是钢组织中渗碳体的相对量增多，铁素体的相对量减少；当碳的质量分数Wc>%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。

原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。

导致了钢脆性的增加。

为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于%。

Wc>%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。

五、Fe-Fe3C相图的应用1、在钢铁材料选材方面的应用Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。