鐵碳合金平衡組織觀察與分析

1、實(shí)驗(yàn)四鐵碳合金平衡組織觀察與分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉掌握鐵碳合金（碳鋼及白口鑄鐵）在平衡狀態(tài)下的顯微組織。2、分析成分（含碳量）對(duì)鐵碳合金顯微組織的影響，從而加深理解成分、組織與性能之間的相 互關(guān)系。、實(shí)驗(yàn)原理鐵碳合金的顯微組織是研究和分析鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)，所謂平衡狀態(tài)的顯微組織是指合金在極為緩慢的冷卻條件下（如退火狀態(tài)，即接近平衡狀態(tài)）所得到的組織?？筛鶕?jù)以組織組成物標(biāo)注的Fe-FesC合金相圖來(lái)分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織，如圖(xtxutotKtuUDU9 K7ft 5 4 3 211A FejCa t A * FesCn *72T0.0218 I 0.7：lusrE 2.11I

2、QiL w i d* 遁+! tow I w4 -1所示。F + FmCh I P + F們6 + U fFeCi *Lj3457%6.69 Fe)C圖4 - 1以組織組成物標(biāo)注的Fe-Fe3C合金相圖鐵碳合金的平衡組織主要是指碳鋼和白口鑄鐵組織，其中碳鋼是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬材料，它們的性能與其顯微組織密切相關(guān)。此外，對(duì)碳鋼和白口鑄鐵顯微組織的觀察和分析，有助于加深Fe-FesC相圖的理解。從Fe-FesC相圖上可以看出，所有碳鋼和白口鑄鐵的室溫組織均由鐵素體（F）和滲碳體（FesC）這兩個(gè)基本相所組成。但是由于含碳量不同，鐵素體和滲碳體的相對(duì)數(shù)量、析出條件以及分布情況 均有所不同，因而呈現(xiàn)

3、各種不同的組織形態(tài)。在Fe-FesC相圖中，ABCD為液相線，AHJECF為固相線。相圖中各特征點(diǎn)的溫度、成分及其含義 見表4 -1。表4-1鐵碳相圖中各特征點(diǎn)的說明點(diǎn)的符號(hào)溫度廠c含碳量/%說明A15380純鐵熔點(diǎn)B14950.53包晶反應(yīng)時(shí)液態(tài)金屬的成分點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)Lc t Ae+ Fe 3C，共晶產(chǎn)物稱萊氏體D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在丫- Fe中的最大溶解度F11486.69共晶反應(yīng)滲碳體的成分點(diǎn)G9120a - Fe ? y- Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)H14950.09碳在S- Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)Lb + S hTAjK7276.

4、69共析反應(yīng)時(shí)滲碳體成分點(diǎn)N13940Y- Fe ? S- Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)P7270.0218碳在a - Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)as t Fp體+ Fe 3C,共析產(chǎn)物，稱珠光體Q室溫0.0008室溫下碳在F體中的溶解度Fe- Fe3C相圖中有二條水平線（此處不介紹包晶線及包晶反應(yīng)）：ECF水平線（1148 C）為共晶線，在該線溫度下將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L4.3 ? A2.ii + Fe 3C。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱高溫萊氏體（Ld）。PSK水平線（727 C）為共析線，在該線溫度下將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：Ao.77 ? F0.0218 + Fe 3C。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵

5、素體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱珠光體（P）。共析線又稱為 A線。Fe- Fe 3C相圖中還有固態(tài)轉(zhuǎn)變線：GS為A體？ F體 固溶體轉(zhuǎn)變線，又稱為 A線；ES線為碳在A體中的固溶線。稱為 Acm線；PQ線為碳在F體中的固溶線。綜上所述可見，鐵碳合金中的滲碳體根據(jù)形成條件不同可分為一次滲碳體FesCi（由液相直接析出的滲碳體）、二次滲碳體 FesG、三次滲碳體 Fe3Cn、共晶滲碳體和共析滲碳體五種。它們分屬 于不同的組織組成物，區(qū)別僅在于形態(tài)和分布不同，但都同屬于一個(gè)相。由于它們的形態(tài)和分布不 同，所以對(duì)鐵碳合金性能的影響也不相同。各種不同成分的鐵碳合金在室溫下的顯微組織見表4 - 1。表4 -

6、1各種鐵碳合金在室溫下的顯微組織類型含碳量（%顯微組織浸蝕劑工業(yè)純鐵 0.02鐵素體4%硝酸酒精溶液碳鋼亞共析鋼0.02 0.77鐵素體+珠光體4%硝酸酒精溶液共析鋼0.77珠光體4%硝酸酒精溶液過共析鋼0.77 2.11珠光體+二次滲碳體苦味酸鈉溶液，滲碳體變黑或呈棕紅色白口鑄鐵亞共晶白口鐵2.11 4.3珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體4%硝酸酒精溶液共晶白口鐵4.3低溫萊氏體4%硝酸酒精溶液過共晶白口鐵4.3 6.69低溫萊氏體+ 一次滲碳體4%硝酸酒精溶液用浸蝕劑顯露的碳鋼和白口鑄鐵，在金相顯微鏡下具有下面幾種基本組織組成物。（1）鐵素體（F）:碳在a - Fe中的固容體。鐵素體為體心立

7、方晶格，具有磁性及良好塑性， 硬度較低。用 34%i肖酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的等軸晶粒；亞共析鋼中鐵素體呈 塊狀分布；當(dāng)含碳量接近于共析成分時(shí)，鐵素體則呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體周圍。（2）滲碳體（FesC）:經(jīng)34%i肖酸酒精溶液浸蝕后，滲碳體呈亮白色。按照成分和形成條件的 不同，滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形態(tài)：一次滲碳體（初生相）是直接由液體中析出的，故在白口鑄鐵 中呈粗大的條片狀；二次滲碳體（次生相）是從奧氏體中析出的，往往呈網(wǎng)絡(luò)狀沿奧氏體晶界分布； 三次滲碳體是由鐵素體中析出的，通常呈不連續(xù)薄片狀在于鐵素體晶界處，數(shù)量極微。（3）珠光體（P）:是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。片狀珠

8、光體，是由鐵素體與滲碳體交替排列形成的層片狀組織，經(jīng)浸蝕后，在不同放大倍數(shù)的 顯微鏡下可以看到不同特征的珠光體組織。高倍放大時(shí)能清楚看到珠光體中平行相間的寬條鐵素體 和細(xì)條滲碳體；放大倍數(shù)較低時(shí)，由于顯微鏡的鑒別能力小于滲碳體片厚度，珠光體中的滲碳體就 只能看到是一條黑線，當(dāng)組織較細(xì)而放大倍數(shù)低時(shí)，珠光體的片層就不能分辨，而呈黑色。球狀珠光體：它的組織特征是在亮白色的鐵素體基體上，均勻分布著白色的滲碳體顆粒，其邊 界呈黑色。(4) 低溫萊氏體(Ld):是在室溫時(shí)珠光體與二次滲碳體和共晶滲碳體所組成的機(jī)械混合物。低溫萊氏體顯微組織特征是在亮白色共晶滲碳體基底上分布著暗黑色斑點(diǎn)及細(xì)條狀的珠光體。

9、根據(jù)組織特點(diǎn)及碳含量的不同，鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵、鋼和鑄鐵三大類。1、工業(yè)純鐵含碳量小于0.02%，顯微組織由鐵素體和少量三次滲碳體組成。如圖4 -2所示。其中黑色線條是鐵素體的晶界，而亮白色基體則是鐵素體的不規(guī)則等軸晶粒，在某些晶界處可以看到不連續(xù)的薄 片狀三次滲碳體。圖4 - 2工業(yè)純鐵退火顯微組織材料：工業(yè)純鐵 100 X 浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液 金相組織：鐵素體2、鋼(1 )亞共析鋼含碳量為0.020.77%，其組織由鐵素體和珠光體組成。隨著含碳量的增加，鐵素體的數(shù)量逐材料：20鋼 500 X浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織；塊狀鐵素體+片狀珠光體(a) 20鋼退火顯微組織材料：4

10、5鋼 500 X浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織：塊狀鐵素體+片狀珠光體(b) 45鋼退火顯微組織漸減少，而珠光體的數(shù)量則相應(yīng)地增多。如圖4-3 (a) (b) 所示。圖4 - 3亞共析鋼退火顯微組織圖中亮白色塊狀為鐵素體，暗黑色為珠光體。根據(jù)二者所占面積百分?jǐn)?shù)，近似計(jì)算出鋼的含碳量。首先在顯微鏡下觀察珠光體和鐵素體各自所占面積的百分?jǐn)?shù)，然后近似地計(jì)算出鋼的含碳量, 即碳含量50%勺面積為珠光體，50%疋PX 0.8%，其中P為珠光體所占面積百分?jǐn)?shù)。例如：在顯微鏡下觀察到為鐵素體，則此鋼 C = 500.8 = 0.4% 即相當(dāng)于40鋼。100(2) 共析鋼含碳量為0.77%，組織為單一的珠光

11、體，其顯微組織如圖4 - 4所示。在不同方向的片層集團(tuán)交界處，構(gòu)成了珠光體的晶界。(3 )過共析鋼含碳量大于0.77%，室溫平衡組織由珠光體和二次滲碳體組成。其中二次滲碳體沿晶界呈網(wǎng)狀分布。鋼中含碳量越多，二次滲碳體數(shù)量就越多。圖4 - 5所示為含碳量1.2%的過共析鋼的顯微組 織。組織形態(tài)為層片相間的珠光體和細(xì)小的網(wǎng)絡(luò)狀滲碳體，經(jīng)硝酸酒精浸蝕后珠光體呈暗黑色，而二次滲碳體呈白色細(xì)網(wǎng)狀。材料：T8鋼(共析鋼)500 X浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織：片狀珠光體材料：T12鋼(過共析鋼)500 X浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織：層片狀珠光體和二次滲碳體(白色網(wǎng)狀)圖4-4共析鋼退火顯微組織圖

12、4 - 5 T12鋼退火顯微組織;3、白口鑄鐵(1) 亞共晶白口鑄鐵4 - 6所示。含碳量小于4.3%，室溫平衡組織為珠光體、二次滲碳體及低溫萊氏體。用硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下呈現(xiàn)黑色枝晶狀珠光體和斑點(diǎn)狀萊氏體，如圖材料：亞共晶白口鑄鐵500 X100X浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織：珠光體（黑色枝晶狀）+低溫共晶萊氏體（基體）+二次滲碳體圖4-6亞共晶白口鑄鐵鑄態(tài)顯微組織（2）共晶白口鑄鐵含碳量為4.3%，室溫平衡組織由單一的共晶低溫萊氏體組成。經(jīng)浸蝕后，在顯微鏡下珠光體呈暗黑色細(xì)條及斑點(diǎn)狀，滲碳體呈亮白色，如圖4-7所示。材料：共晶白口鑄鐵 500 X 浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液 顯微

13、組織：低溫共晶萊氏體(3) 過共晶白口鑄鐵含碳量大于4.3%，在室溫平衡組織由一次滲碳體和低溫萊氏體組成。用硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下可觀察到暗色斑點(diǎn)狀的低溫萊氏體基體上分布著亮白色粗大條片狀的一次滲碳體，如圖4 - 8所示。500材料：過共晶白口鑄鐵100 x浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液 顯微組織：低溫共晶萊氏體 +亮白色粗大條片狀的一次滲碳體圖4-8過共晶白口鑄鐵鑄態(tài)顯微組織三、注意事項(xiàng)1、觀察顯微組織時(shí)，可先用低倍全面觀察，找出典型組織，再用高倍放大，對(duì)部分地 區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的觀察；2、試樣表面不得用手指接觸或?qū)⒃嚇又氐饋?lái)，以免引起顯微組織模糊不清，影響觀 察；3、畫顯微組織圖時(shí)應(yīng)抓住組織

14、形態(tài)特征，畫出典型區(qū)域的組織，注意不要將磨痕或雜 質(zhì)畫上。四、實(shí)驗(yàn)方法指導(dǎo)1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料（1）4X型金相顯微鏡；（2）金相圖片；（3）各類鐵碳合金的金相顯微試樣：工業(yè)純鐵、15鋼、45鋼、T8鋼、T12鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶 白口鑄鐵。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（1）在熟悉4X型金相顯微鏡的構(gòu)造及使用方法的基礎(chǔ)上來(lái)觀察和研究鐵碳合金的平衡 組織；（2）在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生應(yīng)根據(jù)鐵碳合金相圖分析各類成份合金的組織形成過程，并通過對(duì)鐵碳合金平衡組織的觀察和分析，熟悉鋼和鑄鐵的金相組織和形態(tài)特征，以進(jìn)一步建立成分與組織之間相互關(guān)系的概念；（3）在顯微鏡下對(duì)各種試樣進(jìn)行觀察和分析，并確定其所屬類型；（4）根據(jù)顯微組織近似地計(jì)算亞共析鋼的含碳量：“