鐵碳合金平衡組織觀察與分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實驗四 鐵碳合金平衡組織觀察與分析一、實驗?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。二、實驗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)以組織組成物標注的Fe-Fe3C合金相圖來分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織，如圖4所示。圖41以組織組成物標注的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

2、屬材料，它們的性能與其顯微組織密切相關(guān)。此外，對碳鋼和白口鑄鐵顯微組織的觀察和分析，有助于加深對Fe-Fe3C相圖的理解。從Fe-Fe3C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（Fe3C）這兩個基本相所組成。但是由于含碳量不同，鐵素體和滲碳體的相對數(shù)量、析出條件以及分布情況均有所不同，因而呈現(xiàn)各種不同的組織形態(tài)。在Fe-Fe3C相圖中，ABCD為液相線，AHJECF為固相線。相圖中各特征點的溫度、成分及其含義見表4。表4 鐵碳相圖中各特征點的說明點的符號溫度/含碳量/%說 明A15380純鐵熔點B14950.53包晶反應(yīng)時液態(tài)金屬的成分點C11484.3共晶點LC

3、 AE+ Fe3C，共晶產(chǎn)物稱萊氏體D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在Fe中的最大溶解度F11486.69共晶反應(yīng)滲碳體的成分點G9120Fe Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點H14950.09碳在Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點LB + HAJK7276.69共析反應(yīng)時滲碳體成分點N13940Fe Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點P7270.0218碳在Fe中的最大溶解度S7270.77共析點AS FP體+ Fe3C，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

4、該線溫度下將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：L4.3 ® A2.11 + Fe3C 。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體的機械混合物，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：A0.77 ® F0.0218 + Fe3C 。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體的機械混合物，稱珠光體（P）。共析線又稱為A1線。Fe- Fe3C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A3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Fe3C（由液相直接析出的滲碳體）、

5、二次滲碳體Fe3C、三次滲碳體Fe3CIII、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，但都同屬于一個相。由于它們的形態(tài)和分布不同，所以對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41 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0.020.77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0.772.11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2.114.3珠光體+

6、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4.36.69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Fe中的固容體。鐵素體為體心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度較低。用34%硝酸酒精溶液浸蝕后，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；當含碳量接近于共析成分時，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）：經(jīng)34%硝酸酒精溶液浸蝕后，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（

7、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械混合物。 片狀珠光體，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。高倍放大時能清楚看到珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體；放大倍數(shù)較低時，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，當組織較細而放大倍數(shù)低時，珠光體的片層就不能分辨，而呈黑色。 球狀

8、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）：是在室溫時珠光體與二次滲碳體和共晶滲碳體所組成的機械混合物。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及細條狀的珠光體。 根據(jù)組織特點及碳含量的不同，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42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。專心-專注-專業(yè)材料：工業(yè)純鐵 100×浸蝕劑：4%硝酸酒精溶

9、液金相組織：鐵素體圖42 工業(yè)純鐵退火顯微組織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)量逐漸減少，而珠光體的數(shù)量則相應(yīng)地增多。如圖43 (a) (b)所示。 材料：20鋼 500× 材料：45鋼 500×浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液 浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織；塊狀鐵素體+片狀珠光體 金相組織：塊狀鐵素體+片狀珠光體（a）20鋼退火顯微組織 （b） 45鋼退火顯微組織圖43 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)二者所占面積百分數(shù)，近似計算出鋼的含碳量。首先在顯微鏡下觀察珠光體

10、和鐵素體各自所占面積的百分數(shù)，然后近似地計算出鋼的含碳量，即碳含量P×0.8%，其中P為珠光體所占面積百分數(shù)。例如：在顯微鏡下觀察到50%的面積為珠光體，50%為鐵素體，則此鋼C = = 0.4% 即相當于40鋼。（2）共析鋼含碳量為0.77%，組織為單一的珠光體，其顯微組織如圖44所示。在不同方向的片層集團交界處，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45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小的網(wǎng)絡(luò)狀滲碳體，經(jīng)硝酸酒精

11、浸蝕后珠光體呈暗黑色，而二次滲碳體呈白色細網(wǎng)狀。 材料：T8鋼（共析鋼） 500× 材料：T12鋼（過共析鋼） 500×浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液 浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織：片狀珠光體 金相組織：層片狀珠光體和二次滲碳體（白色網(wǎng)狀）圖44 共析鋼退火顯微組織 圖45 T12鋼退火顯微組織；3、白口鑄鐵（1）亞共晶白口鑄鐵含碳量小于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狀萊氏體，如圖46所示。 材料：亞共晶白口鑄鐵 500× 100×浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液金相組織：珠光體（黑

12、色枝晶狀）+低溫共晶萊氏體（基體）+二次滲碳體 圖46 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條及斑點狀，滲碳體呈亮白色，如圖47所示。材料：共晶白口鑄鐵 500×浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液顯微組織：低溫共晶萊氏體圖47 共晶白口鑄鐵鑄態(tài)顯微組織（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48所示。 材料：過共晶白口鑄鐵 100×

13、500×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48 過共晶白口鑄鐵鑄態(tài)顯微組織 三、注意事項1、觀察顯微組織時，可先用低倍全面觀察，找出典型組織，再用高倍放大，對部分地區(qū)進行詳細的觀察；2、試樣表面不得用手指接觸或?qū)⒃嚇又氐饋?，以免引起顯微組織模糊不清，影響觀察；3、畫顯微組織圖時應(yīng)抓住組織形態(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、實驗方法指導(dǎo)1、實驗設(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、實驗內(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)上來觀察和研究鐵碳合金的平衡組織；（2）在本實驗中，學生應(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）在顯微鏡下對各種試樣進行觀察和分析，并確定其所屬類型；（4）根據(jù)