第九章鐵碳合金平衡組織的顯微分析

1、第九章 鐵碳合金平衡組織的顯微分析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)下顯微組織的基礎。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基本組成相為鐵素體與滲碳體，不同含碳量的合金，在組織上差異是這兩個基本的相對量、形態(tài)及分布不同。在鐵碳合金中滲碳體的相對量，存在形態(tài)以及分布狀況，對合金的性能影響很大，在碳鋼中滲碳體一般可以認為是一個強化相。見圖9-1。圖9-1 按組織分區(qū)的Fe-Fe3C相圖一、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

2、業(yè)純鐵在含碳量小于0.008%時，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，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0.02182.11%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9-3 含碳量0.4%的亞共析鋼的顯微組織 200x圖9-2 工業(yè)純鐵的顯微組織圖 200x含碳量在0.02180.77%之間的鐵碳合金稱為亞共析鋼，所亞共析鋼冷卻到室溫后顯微組織均

3、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，當增加到0.77時(鐵素體在珠光體周圍呈網(wǎng)狀分布)，整個組織為珠光體。用顯微鏡觀察放大倍數(shù)低于400時，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，若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面積，就可以估算出該鋼的含碳量。例如：當不珠光體和鐵素體的面積各占一半時，鋼的含碳量為，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，而因共析轉(zhuǎn)變時過冷度增大，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

4、增加，此時若仍用上述方法來估算出的結(jié)果其含碳量將會偏高。圖9-5 經(jīng)中倍放大后的珠光體500x圖9-4 經(jīng)高倍放大后的珠光體 3000x2共析鋼含碳量為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方法可以驗證)。而此于鐵素體和滲碳體對光的反射能力相近，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，當放大倍數(shù)較高時，上述情況才能看清楚

5、如圖9-4所示。如放大倍數(shù)較低時，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，則滲碳體片都無法分辨，整個珠光體組織無法分辨而呈暗黑色一片。3過共析鋼圖9-6 T12鋼的顯微組織 圖9-7 T12鋼的顯微組織（ 4%硝酸酒精溶液腐蝕）500X （ 堿性若味酸鈉溶液腐蝕）500X 含碳量在0.772.11%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

6、%)退火后的顯微組織，這種組織有時較難以接近共析成分的亞共析鋼區(qū)別。如果用煮沸的堿性若味酸鈉溶液腐蝕，會使?jié)B碳體呈暗黑色而鐵素體仍保持白色如圖9-7所示。因此有管種腐蝕劑可以將接近共析成分的過共析鋼與亞共析鋼區(qū)分開。三、白口鑄鐵的顯微組織鑄鐵在鑄造時，如果冷卻速度快，或者含碳量較低時則生成白口鐵，白口鐵中碳均以Fe3O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，在機器制造業(yè)中應用很少。其中亞共晶白口鑄鐵有使用價值。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

7、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。這是為了紀念德國金相學家萊德堡(Ledebur)而命名的，萊氏體在剛形成時由細小的奧氏體與滲碳體兩相混合物組成，繼續(xù)冷卻時，奧氏體將不斷析出二次滲碳體，即先共析滲碳體，這部分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，奧氏體的含 圖9-8 共晶白口鑄鐵顯微組織 200x 圖9-9 亞共晶白口鑄鐵顯微組織 200x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。圖中黑色的細小顆粒或條狀組織為珠光體，白亮的基體仍為滲碳體。從

8、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2.114.3%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。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

9、(空間為片狀)為一次滲碳體，其余為萊氏體。圖9-10 過共晶白口鑄鐵顯微組織 200x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，部分或絕大部分碳以石墨形式存在。1灰口鑄鐵圖9-11 灰口鑄鐵的顯微組織圖 200x(a) 鐵素體基體 (b) 鐵素體-珠光體基體 (c) 珠光體基體(a)(c)(b)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。在鐵水中加入少量孕育劑，使石墨結(jié)晶成細小片狀，均勻分布，基體為珠光體的灰口鑄鐵稱為孕育鑄鐵。2球墨鑄鐵在鐵水中加入球化劑與孕育劑，使石墨呈球狀析出。球墨鑄鐵通過不同的熱處理后，基體

10、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行高溫長時間退火，使石墨呈團絮狀析出?；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用較廣。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，影響其機械性能的主要因素是：圖9-12 球墨鑄鐵的顯微組織(a)鐵素體基體（200x） (b)鐵素體-珠光體基體（200x） (c)珠光體基體（200x） (d)下貝氏體基體（500x）(a)(d)(c)(b)1石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布由于石墨本身的硬度、強度與塑性都極

11、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小的空洞或裂紋。當石墨呈片狀時，應力集中、割裂基體、減少承載面積的現(xiàn)象相當嚴重，因而鑄鐵抗拉強度、塑性、韌性大為降低；反之，如石墨呈球狀，則鑄鐵的抗拉強度、塑性、韌性均較好。圖9-13可鍛鑄鐵的顯微組織（a） 鐵素體基體 200x （b) 珠光體基體 100x(a)(b)當石墨形態(tài)一定時，石墨愈粗大、數(shù)量愈多以及分布愈不均勻時，鑄鐵的機械性能就愈低。2金屬基體基體對鑄鐵的強度、塑性與韌性也有影響。珠光體基體可提高鑄鐵強度，鐵素體基體可提高鑄鐵的塑性與韌性。但這種影響相對石墨對鑄鐵機械性能的影響是較小的。只有當石墨呈球狀時，改變基體組織，

12、才能顯著地改變鑄鐵的機械性能。實 驗一、 一、 實驗目的1、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，識別石墨形態(tài)與基體類型，從而了解鑄鐵機械性能與組織的關系。3、觀察的金相試樣。包括：鐵素體灰口鑄鐵、鐵素體珠光體灰口鑄鐵、珠光體灰口鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵、鐵素體珠光體球墨鑄鐵、下貝氏體球墨鑄鐵、鐵素體可鍛鑄鐵及珠光體可鍛鑄鐵。二、實驗內(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)

13、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(L)+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(L)4%硝酸酒精溶液8過共晶白口鑄鐵萊氏體(L)+一次滲碳體(CmI)4%硝酸酒精溶液三、實驗報告要求1寫出實驗目的。2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上述鑄鐵的顯微組織，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填入下表。 .各種鑄鐵的顯微組織及其形態(tài)特征試樣材料處理狀態(tài)顯微組織示意圖（標出組織組成物）組織組成物浸蝕劑放大倍數(shù)鐵素