實(shí)驗(yàn)三鐵碳合金平衡組織的顯微分析

實(shí)驗(yàn)三

鐵碳合金平衡組織的顯微分析概述Fe-Fe3C相圖是研究碳鋼和白口鑄鐵的重要工具也是分析這些在平衡狀態(tài)或接近平衡狀態(tài)下顯微組織的根底。根據(jù)Fe-Fe3C相圖，含碳量小于2.11%的合金稱為碳鋼，含碳量大于2.11%的合金稱為白口鑄鐵。在室溫下鐵碳合金的根本組成相為鐵素體與滲碳體，不同含碳量的合金，在組織上的差異是這兩個(gè)根本的相對(duì)量、形態(tài)及分布不同。在鐵碳合金中滲碳體的相對(duì)量，存在形態(tài)以及分布狀況，對(duì)合金的性能影響很大，在碳鋼中滲碳體一般可以認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)化相。見圖9-1。一、工業(yè)純鐵在退火狀況下的顯微組織

含碳量低于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵在含碳量小于0.008%時(shí)，其顯微組織為單相鐵素體。如圖9-2所示。圖中有的晶粒呈暗色，這是由于不同晶粒受腐蝕的程度不同造成的。在含碳量大于0.008%時(shí)，工業(yè)純鐵的組織為鐵素體和極少量的三次滲碳體。三次滲碳體由鐵素體中析出，沿鐵素體晶界呈片狀分布。二、碳鋼在退火狀態(tài)下的顯微組織

含碳量在0.0218~2.11%范圍的鐵碳合金稱為碳鋼。碳鋼按含碳量與平衡組織的不同可分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。1．亞共析鋼圖含碳量在0.0218~0.77%之間的鐵碳合金稱為亞共析鋼，所有亞共析鋼冷卻到室溫后顯微組織均為先共析鐵素體和珠光體組成。隨著含碳量的增加珠光體所占的比例也不斷增加，當(dāng)增加到0.77時(shí)(鐵素體在珠光體周圍呈網(wǎng)狀分布)，整個(gè)組織為珠光體。用顯微鏡觀察放大倍數(shù)低于400×?xí)r，先析出鐵素體呈亮白色，珠光體呈暗黑色如圖9-3所示。由于鐵素體和珠光體比重相近，假設(shè)忽略鐵素體中所含的微量碳，根據(jù)杠桿定理和亞共析鋼顯微組織中先共析鐵素體與珠光體所占的相對(duì)面積，就可以估算出該鋼的含碳量。例如：當(dāng)珠光體和鐵素體的面積各占一半時(shí)，鋼的含碳量為0.4%，由此可定此鋼為40#碳素鋼。但須注意，如果亞共析鋼從奧氏體相區(qū)以較快的速率冷卻下來，因共析轉(zhuǎn)變時(shí)過冷度增大，共析體含碳量偏低，故其顯微組織中珠光體的含量就要比緩冷時(shí)增加，此時(shí)假設(shè)仍用上述方法來估算出的結(jié)果其含碳量將會(huì)偏高。2．共析鋼圖含碳量為0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼。其組織為共析轉(zhuǎn)變得到的珠光體，即片狀鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。由杠桿定理可以求得鐵素體與滲碳體的重量比約為7.9:1，因此鐵素體厚，滲碳體薄。用硝酸酒精腐蝕后，由于珠光體中鐵素體比滲碳體的電極電位低，在正常浸蝕下，鐵素體為陽極被溶解，而滲碳體被溶解為凸出相(用DIC方法可以驗(yàn)證)。而此于鐵素體和滲碳體對(duì)光的反射能力相近，因此在明視場照明條件下二者都是明亮的。只有相界呈暗灰色，當(dāng)放大倍數(shù)較高時(shí)，上述情況才能看清楚如圖9-4所示。如放大倍數(shù)較低時(shí)，滲碳體片兩側(cè)相界已無法分辨，而呈黑色條狀圖9-5所示。將放大倍數(shù)降到更低時(shí)，那么滲碳體片都無法分辨，整個(gè)珠光體組織無法分辨而呈暗黑色一片。3．過共析鋼圖含碳量在0.77~2.11%之間的鐵碳合金稱為過共析鋼，其組織為先共析滲碳體和珠光體。先共析滲碳體由奧氏體中沿晶界析出，故呈網(wǎng)狀分布在隨后發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成的珠光體周圍。其室溫組織為網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體。隨著含碳量增加，先共析滲碳體的量也增加，網(wǎng)狀略有加寬。圖9-6為T12鋼(含碳量約1.2%)退火后的顯微組織，這種組織有時(shí)較難與接近共析成分的亞共析鋼區(qū)別。如果用煮沸的堿性苦味酸鈉溶液腐蝕，會(huì)使?jié)B碳體呈暗黑色而鐵素體仍保持白色如圖9-7所示。三、白口鑄鐵的顯微組織鑄鐵在鑄造時(shí)，如果冷卻速度快，或者含碳量較低時(shí)那么生成白口鐵，白口鐵中碳均以Fe3C存在，并具有萊氏體組織，所以白口鑄鐵只含有滲碳體而不含石墨，斷口呈白亮色而得名。白口鑄鐵根據(jù)其含碳量的不同可分為亞共晶、共晶、過共晶三種。由于白口鑄鐵硬而脆，在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用很少。其中亞共晶白口鑄鐵有使用價(jià)值。1．共晶白口鑄鐵

含碳量為4.3%的白口鑄鐵稱為共晶白口鐵。其顯微組織為共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，最后得到的平衡組織為樹枝狀珠光體分布在共晶的滲碳體的基體上，通常稱為萊氏體。這是為了紀(jì)念德國金相學(xué)家萊德堡(Ledebur)而命名的，萊氏體在剛形成時(shí)由細(xì)小的奧氏體與滲碳體兩相混合物組成，繼續(xù)冷卻時(shí)，奧氏體將不斷析出二次滲碳體，即先共析滲碳體，這局部滲碳體與原萊氏體中的滲碳體連在一起，無法分辨。冷到727℃時(shí)，奧氏體的含碳量改變到0.77%，通過共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體。因此室溫下看到的萊氏體組織是由珠光體和滲碳體組成的，如圖9-8所示。圖中黑色的細(xì)小顆?；驐l狀組織為珠光體，白亮的基體仍為滲碳體。從圖中可以看出，雖然共晶白口鑄鐵凝固后還要經(jīng)歷一系列的固態(tài)轉(zhuǎn)變，但是它的顯微組織仍具有典型的共晶體特征。2．亞共晶白口鑄鐵

含碳量在2.11~4.3%之間的白口鑄鐵稱為亞共晶白口鑄鐵。在剛凝固后其組織為先共晶奧氏體和萊氏體，在隨后的冷卻過程中，先共晶奧氏體要不斷析出二次滲碳體，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，萊氏體中的奧氏體也要析出二次滲碳體，再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。在亞共晶白口鑄鐵的顯微組織中，由先共晶奧氏體轉(zhuǎn)變而成的珠光體仍保持其樹枝狀特征圖9-9為共晶白口鑄鐵的顯微組織。圖9-9亞共晶白口鑄鐵的光學(xué)顯微組織照片（黑色樹枝狀組織為珠光體，其余為萊氏體）3．過共晶白口鑄鐵

含碳量大于4.3%而又小于6.69%的白口鑄鐵稱為過共晶白口鑄鐵，其顯微組織為一次滲碳體和萊氏體，如圖9-10所示，圖中白色長條狀(空間為片狀)為一次滲碳體，其余為萊氏體。四.灰口鑄鐵、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵

灰口鑄鐵、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵中，局部或絕大局部碳以石墨形式存在。

1．灰口鑄鐵

石墨呈片狀，基體有鐵素體〔圖9-11a〕、鐵素體—珠光體〔圖9-11b〕及珠光體〔圖9-11c〕三種。在鐵水中參加少量孕育劑，使石墨結(jié)晶成細(xì)小片狀，均勻分布，基體為珠光體的灰口鑄鐵稱為孕育鑄鐵。2．球墨鑄鐵

在鐵水中參加球化劑與孕育劑，使石墨呈球狀析出。球墨鑄鐵通過不同的熱處理后，基體有鐵素體〔圖9-12a〕、鐵素體—珠光體〔圖9-12b〕、珠光體〔圖9-12c〕及下貝氏體〔圖9-12d〕等四種。3．可鍛鑄鐵

將白口鑄鐵進(jìn)行高溫長時(shí)間退火，使石墨呈團(tuán)絮狀析出?；w有鐵素體〔圖9-13a〕及珠光體〔圖9-13b〕兩種，生產(chǎn)中以鐵素體基體的可鍛鑄鐵應(yīng)用較廣。影響因素上述三種鑄鐵組織都是以鋼為基體加上石墨所組成的。因此，影響其機(jī)械性能的主要因素是：1．石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布由于石墨本身的硬度、強(qiáng)度與塑性都極低〔幾乎為零〕，所以它的存在就象是在鋼的基體上分布著大量細(xì)小的空洞或裂紋。當(dāng)石墨呈片狀時(shí)，應(yīng)力集中、割裂基體、減少承載面積的現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，因而鑄鐵抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性大為降低；反之，如石墨呈球狀，那么鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性均較好。當(dāng)石墨形態(tài)一定時(shí)，石墨愈粗大、數(shù)量愈多以及分布愈不均勻時(shí)，鑄鐵的機(jī)械性能就愈低。2．金屬基體基體對(duì)鑄鐵的強(qiáng)度、塑性與韌性也有影響。珠光體基體可提高鑄鐵強(qiáng)度，鐵素體基體可提高鑄鐵的塑性與韌性。但這種影響相對(duì)石墨對(duì)鑄鐵機(jī)械性能的影響是較小的。只有當(dāng)石墨呈球狀時(shí)，改變基體組織，才能顯著地改變鑄鐵的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉碳鋼和白口鑄鐵在平衡狀態(tài)下的顯微組織。2、觀察與分析各種鑄鐵的顯微組織特征，識(shí)別石墨形態(tài)與基體類型，從而了解鑄鐵機(jī)械性能與組織的關(guān)系。3、觀察的金相試樣。包括：灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

觀察下表中所列試樣的顯微組織，畫下所觀察組織的示意圖試樣編號(hào)材料顯微組織腐蝕劑1工業(yè)純鐵鐵素體(F)4%硝酸酒精溶液2亞共析鋼(0.45%C)鐵素體(F)+珠光體(P)4%硝酸酒精溶液3共析鋼(0.77%C)珠光體(P)4%硝酸酒精溶液4過共析鋼(1.2%C)珠光體(P)+二次滲碳體(CmII)4%硝酸酒精溶液5過共析鋼(1.2%C)珠光體(P)+二次滲碳體(CmII)堿性苦味酸鈉溶液6亞共晶白口鑄鐵萊氏體(Lé)+珠光體(P)+二次滲碳體(CmII)4%硝酸酒精溶液7共晶白口鑄鐵萊氏體(Lé)4%硝酸酒精溶液8過共晶白口鑄鐵萊氏體(Lé)+一次滲碳體(CmI)4%硝酸酒精溶液三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1．寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．畫出所觀察樣品的顯微組織示意圖，注明合金成分、狀態(tài)、放大倍數(shù)及各組織組成物的名稱，說明其特征，并分析其形成過程。3.在金相顯微鏡下觀察鑄鐵的顯微組織，注意分辨各種鑄鐵的基體類型及石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布，并繪制各種鑄鐵的顯微組織示意圖。思考題

1．