鐵碳合金的平衡組織分析

1、.鐵碳合金的平衡組織分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解常用臺式金相顯微鏡的主要構(gòu)造與使用方法，初步掌握利用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析的基本方法。2觀察和識別鐵碳合金（碳鋼和白口鑄鐵）在平衡狀態(tài)下的顯微組織特征。3分析含碳量對鐵碳金平衡組織的影響，加深理解鐵碳合金的成分、組織與性能之間的相互關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)概述研究金屬組織的光學(xué)顯微鏡稱為金相顯微鏡，它是由許多光學(xué)元件按一定要求組合而成的精密光學(xué)儀器。在本實(shí)驗(yàn)中通過講解和實(shí)際操作使學(xué)生了解常用臺式金相顯微鏡的基本原理、結(jié)構(gòu)、使用和維護(hù)方法等。利用金相顯微鏡觀察金屬的內(nèi)部組織和缺陷的方法稱為顯微分析(或金相分析)，在金相顯微鏡下所看到的組織稱為顯微組織，合金在

2、極其緩慢的冷卻條件(如退火狀態(tài))下所得到的組織稱為平衡組織。鐵碳合金的平衡組織可以根據(jù)Fe-Fe3C相圖來進(jìn)行分析。由Fe3C相圖可知，所有的碳鋼和白口鑄鐵在室溫時(shí)的組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成，但由于合金中的含碳量不同，鐵素體和滲碳體的數(shù)量、形狀、大小及分布狀況也不相同，隨著含碳量的增加，滲碳體量不斷增加，鐵素體量不斷減少，而且滲碳體的形態(tài)和分布情況也發(fā)生變化，所以，不同成分的鐵碳合金室溫下具有不同的組織和性能。鋼的組織以鐵素體為基體，滲碳體為強(qiáng)化相，而且主要以珠光體的形式出現(xiàn)，使鋼的強(qiáng)度和硬度提高，故鋼中珠光體量愈多，其強(qiáng)度、硬度愈高，而塑性、韌性相應(yīng)降低。但過共析鋼中當(dāng)滲碳體明顯地以網(wǎng)

3、狀分布在晶界上，特別在白口鐵中滲碳體成為基體或以板條狀分布在萊氏體基體上，將使鐵碳合金的塑性和韌性大大下降，以致合金的強(qiáng)度也隨之降低。這就是高碳鋼和白口鐵脆性高的主要原因。鋼的力學(xué)性能隨含碳量變化的規(guī)律如右圖所示。當(dāng)鋼中碳含量小于0.9%時(shí)，隨含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度直線上升，而塑性、韌性不斷下降；當(dāng)鋼中碳含量大于0.9%時(shí)，因網(wǎng)狀滲碳體的存在，不僅使鋼的塑性、韌性進(jìn)一步降低，而且強(qiáng)度也明顯下降。為了保證工業(yè)上使用的鋼具有足夠的強(qiáng)度，并具有一定的塑性和韌性，鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都不超過1.4%。至于碳含量大于2.11%的白口鐵，由于組織中出現(xiàn)大量的滲碳體，使性能硬而脆，難以切削加工，因此在

4、一般機(jī)械制造中應(yīng)用很少。1室溫下鐵碳合金中的幾種基本相和組織（1）鐵素體（F）鐵素體是碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體。經(jīng)3%5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下為白亮色多邊形晶粒。在亞共析鋼中，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(Fe3C) 滲碳體是鐵與碳形成的一種化合物。經(jīng)3%5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，滲碳體呈亮白色；若用苦味酸鈉溶液浸蝕，則滲碳體呈黑色，而鐵素體仍為白色，由此可以區(qū)別鐵素體與滲碳體。由于鐵碳合金中的成分和形成條件不同，滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形狀：一次滲碳體是由液相中直接析出，可以自由長大，呈粗大的片狀；二次滲碳體是從

5、奧氏體中析出的，呈網(wǎng)狀分布。（3）珠光體（P） 珠光體是鐵素體和滲碳體的多相混合物。在平衡狀態(tài)下，它是由鐵素體和滲碳體相間排列的層片狀組織。經(jīng)3%5%硝酸酒精溶液浸蝕后，鐵素體和滲碳體皆呈亮白色，但其邊界被浸蝕而成黑色線條。在不同的放大倍數(shù)下觀察時(shí)，組織特征則有所區(qū)別。在高倍(600×以上)下觀察時(shí)，珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細(xì)條滲碳體都呈亮白色，而其邊界呈黑色；在中倍(400×左右)下觀察時(shí)，白亮色的滲碳體被黑色邊界所“吞食”，而成為細(xì)黑條，這時(shí)看到珠光體是寬白條鐵素體和細(xì)黑條滲碳體的相間混合物；在低倍(200×以下)下觀察時(shí)，連寬白條的鐵素體和細(xì)黑條的滲碳

6、體也很難分辨，這時(shí)珠光體為黑色塊狀組織。（4）變態(tài)萊氏體(Ld) 變態(tài)萊氏體是珠光體和滲碳體所組成的多相混合物。經(jīng)3%5%硝酸酒精溶液浸蝕后，變態(tài)萊氏體的組織特征是，在白亮色的滲碳體基體上相間分布著黑色點(diǎn)(塊)狀或條狀珠光體。2室溫下鐵碳合金的平衡組織（1）工業(yè)純鐵 工業(yè)純鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0218%，其組織為單相鐵素體，呈白亮色的多邊形晶粒，晶界呈黑色的網(wǎng)絡(luò)，晶界上有時(shí)分布著微量的三次滲碳體(Fe3C)。工業(yè)純鐵的顯微組織如圖1-1所示。材料名稱：工業(yè)純鐵處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：500×顯微組織：全部為F圖1-1 工業(yè)純鐵的顯微組織(2) 亞共析鋼

7、亞共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%0.77%，其組織為鐵素體和珠光體。隨著鋼中含碳量的增加，珠光體的相對量逐漸增加，而鐵素體的相對量逐漸減少。20鋼、45鋼、60鋼的顯微組織如圖1-2所示。材料名稱：20鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：F（白塊）P（黑塊）材料名稱：45鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：F（白塊）P（黑塊）材料名稱：60鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：F（白塊）P（黑塊）圖1-2 亞共析鋼的顯微組織(3)共析鋼 共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

8、0.77%，其室溫組織為單一的珠光體。共析鋼(T8鋼)的顯微組織如圖1-3所示。(4) 過共析鋼 過共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%2.11%，在室溫下的平衡組織為珠光體和二次滲碳體。其中，二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布在珠光體的邊界上。T12鋼的顯微組織如圖1-4所示。材料名稱：T8鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：500×顯微組織：P（層片狀）圖1-3 T8鋼的顯微組織材料名稱：T12鋼處理方法：退火浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：400×顯微組織：P（層片狀）Fe3C（網(wǎng)狀）圖1-4 T12鋼的顯微組織(5) 亞共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

9、2.11%4.3%，室溫下的顯微組織為珠光體、二次滲碳體和變態(tài)萊氏體。其中，變態(tài)萊氏體為基體，在基體上呈較大的黑色塊狀或樹枝狀分布的為珠光體，在珠光體枝晶邊緣有一層白色組織為二次滲碳體。亞共晶白口鑄鐵的組織如圖1-5所示。(6) 共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%，其室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體，其中，滲碳體為白亮色基體，而珠光體呈黑色細(xì)條及斑點(diǎn)狀分布在基體上。共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1-6所示。(7) 過共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%6.69%，室溫下的顯微組織為變態(tài)萊氏體和一次滲碳體。一次滲碳體呈白亮色條狀分布在變態(tài)萊氏體的基體上。過共晶白口鑄鐵的顯

10、微組織如圖1-7所示。材料名稱：亞共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態(tài)浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：400×顯微組織：P（黑色塊狀或枝狀）Fe3CLd圖1-5 亞共晶白口鑄鐵的顯微組織材料名稱：共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態(tài)浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：400×顯微組織：Ld（黑色塊、點(diǎn)狀為P+白色為Fe3C基體）圖1-6 共晶白口鑄鐵的顯微組織材料名稱：過共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態(tài)浸濕劑： 4%硝酸酒精溶液放大倍數(shù)：200×顯微組織：Fe3C（白色寬長條）+ Ld圖1-7 過共晶白口鑄鐵的顯微組織三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材1金相顯微鏡2實(shí)驗(yàn)觀察用的各種鐵碳合金的顯微樣品如

11、表1-2所列。表1-2實(shí)驗(yàn)用各種鐵碳合金的顯微樣品編號材料名稱處理方法顯微組織浸蝕劑1工業(yè)純鐵退火F4%硝酸酒精溶液220鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液345鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液460鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液5T8鋼退火P4%硝酸酒精溶液6T12鋼退火P+Fe3C4%硝酸酒精溶液7亞共晶白口鐵鑄態(tài)P+Fe3C+ Ld4%硝酸酒精溶液8共晶白口鐵鑄態(tài)Ld4%硝酸酒精溶液9過共晶白口鐵鑄態(tài)Ld+Fe3C4%硝酸酒精溶液3金相照片表1-2中所列鐵碳合金樣品的顯微組織放大照片一套。四、實(shí)驗(yàn)任務(wù)及步驟1了解金相顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)，工作原理及操作使用。 2在顯微鏡下認(rèn)真觀察表1-2中所列樣品的顯微

12、組織，識別各種顯微組織特征，并觀察分析含碳量對組織的影響。 3在金相顯微鏡下選擇各試樣顯微組織的典型區(qū)域，并根據(jù)組織特征描繪出其顯微組織示意圖。并記錄所觀察的各試樣名稱、顯微組織、浸蝕劑、放大倍數(shù)及組織特征，并用引線標(biāo)出各顯微組織示意圖中組織組成物的名稱。4估算所觀察的各亞共析碳鋼顯微組織中各組織組成物的相對量，并利用所學(xué)的杠桿原理加以驗(yàn)證。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1在觀察顯微組織時(shí)，可先用低倍全面地進(jìn)行觀察，找出典型組織，然后再用高倍放大，對部分區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)觀察。 2在移動(dòng)金相試樣時(shí)，不得用手指觸摸試樣表面或?qū)⒃嚇颖砻嬖谳d物臺上滑動(dòng)，以免引起顯微組織模糊不清，影響觀察效果。 3畫組織示意圖時(shí)，應(yīng)抓住組織形態(tài)的特點(diǎn)，畫出典型區(qū)域的組織。注意不要將磨痕或雜質(zhì)畫在圖上。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.用