铁碳合金平衡组织观察与分析

实验四铁碳合金平衡组织的观察与分析一、实验目的1、熟悉铁碳合金(碳钢和白口铸铁)平衡状态下的显微组织。2、分析成分(碳含量)对铁碳合金显微组织的影响，了解成分、组织与性能的相互关系。二、实验原理铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，平衡态的显微组织是合金在极其缓慢的冷却条件下(如退火状态，即接近平衡状态)得到的组织。 从用组织组合物标记的Fe-Fe3C合金相图可以分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。图4-1以组织组合物表示的Fe-Fe3C合金相图铁碳合金的平衡组织主要指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，其性能与显微组织密切相关。 碳钢和白口铸铁的显微组织观察和分析有助于加深对Fe-Fe3C相图的理解。由Fe-Fe3C相图可知，碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体(f )和渗碳体(Fe3C )两个基本相构成。 但是，铁素体与渗碳体的相对数、析出条件及分布状况因碳含量不同而不同，呈现出不同的组织形态。在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。 相图中各特征点的温度、成分及其含义如表4-1所示.表4-1铁碳相图中各特征点的说明点符号温度/碳含量/%说明a.a15380纯铁的熔点乙组联赛14950.53包晶反应时液态金属的成分点c.c11484.3共晶点LC AE Fe3C，共晶生成物称为let体d.d12276.69渗碳体的熔点e11482.11碳在-Fe中的最大溶解度f.f11486.69共晶反应渗碳体成分点g9120-Fe -Fe同位素转变点h14950.09碳在Fe中的最大溶解度日本职业足球联赛14950.17包晶点LB HAJK7276.69共析反应时渗碳体成分点n13940-Fe -Fe同位素转变点p7270.0218碳在Fe中的最大溶解度s7270.77共析点AS FP体Fe3C，称为共析物、珠光体q.q室温0.0008室温下碳在f体中的溶解度Fe- Fe3C相图有两条水平线(此处不介绍包晶线和包晶反应)。ECF水平线(1148C )是共晶线，在该线温度下发生共晶转变： L4.3 A2.11 Fe3C . 相变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，被称为高温光(Ld )。PSK水平线(727C )是共析线，在该线的温度下发生共析转变： A0.77 F0.0218 Fe3C . 相变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，被称为珠光体(p )。 共析线又称A1线。Fe- Fe3C相图中有固体转移线： GS为a体f固溶体转移线，也称A3线； ES线是碳到a体的固溶线。 被称为Acm线的PQ线是碳向f体的固溶线。由此可知，铁碳合金中渗碳体根据形成条件分为一次渗碳体fe3cI (从液相直接析出的渗碳体)、二次渗碳体Fe3CIII、三次渗碳体Fe3CIII、共晶渗碳体和共析渗碳体这5种。 它们属于不同的组织组合物，不同的只是形态和分布不同，属于同一相。 由于它们的形态和分布不同，对铁碳合金性能的影响也不同。各种成分铁碳合金在室温下的显微组织如表4 -1所示。表4-1各种铁碳合金在室温下的显微组织类型碳含量(% )微观组织蚀刻剂工业纯铁0.02铁氧体4%硝酸醇溶液碳钢亚共析钢0.020.77铁氧体珠光体4%硝酸醇溶液共析钢0.77珍珠岩4%硝酸醇溶液过共析钢0.772.11珍珠岩二次渗碳体苦味酸钠溶液渗碳体变黑或变棕色白口铸铁亚共晶白口铁2.11至4.3珠光体二次渗碳体低温赖体4%硝酸醇溶液共晶白口铁4.3低温技术4%硝酸醇溶液过共晶白口铁4.36.69低温莱氏体一次渗碳体4%硝酸醇溶液用浸蚀剂露出的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有以下几种基本组织组合物。(1)铁氧体(f ) :碳在-Fe中的固体。 铁氧体为体心立方晶格，具有磁性和良好塑性，硬度低。 用34%硝酸醇溶液蚀刻后，显微镜下呈明亮的等轴晶粒的亚共析钢中的铁素体呈块状分布的碳含量接近共析成分时，铁素体在珠光体周围呈断续的网状分布。(2)渗碳体(Fe3c ) :用34 %硝酸醇溶液侵蚀后，渗碳体呈明亮的白色。 根据成分和形成条件，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体(初生相)直接从液体析出，因此白口铸铁中呈粗大条纹状的二次渗碳体(二次相)从奥氏体析出，多沿奥氏体晶界呈网络状分布(3)珠光体(p ) :铁素体和渗碳体的机械混合物。板状珠光体是铁素体和渗碳体交替排列而形成的层状组织，蚀刻后，通过不同倍率的显微镜可以看到不同特征的珠光体组织。 高倍放大后珠光体中的平行相间的宽幅铁素体和细渗碳体清晰可见的放大率低时，显微镜的鉴别能力比渗碳体片的厚度小，因此珠光体中的渗碳体只能看到黑线，组织细、放大率低时珠光体的单层不能辨别，黑色。球状珠光体：在明亮的白色铁氧体基体上，白色渗碳体粒子均匀分布，其边界为黑色，是组织特征。(4)低温渗碳体(LD ) :室温下由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体构成的机械混合物。 低温莱氏体显微组织的特点是明亮的白色共晶渗碳体基底分布着暗黑色斑点和细条纹状珠光体。根据组织特点和碳含量，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。1、工业纯铁碳含量低于0.02%，显微组织由铁素体和少量三次渗碳体组成。 如图4-2所示。 其中黑线为铁素体晶界，亮白基质为铁素体不规则等轴晶粒，在某晶界可见不连续的薄片状三次渗碳体。材料：工业纯铁100蚀刻剂：4%硝酸醇溶液金相组织：铁素体图4-2工业纯铁退火显微组织2、钢(1)亚共析钢碳含量为0.020.77%，其组织由铁素体和珠光体组成。 随着碳含量的增加，铁素体数量逐渐减少，珠光体数量相应增加。 如图4-3 (a) (b )所示。材料： 20钢500材料： 45钢500蚀刻剂：4%硝酸醇溶液蚀刻剂：4%硝酸醇溶液金相组织块状铁氧体板状珠光体金相组织：块状铁氧体板状珠光体(a)20钢退火显微组织(b) 45钢退火显微组织图4-3亚共析钢退火显微组织图中亮白色块状为铁素体，暗黑色为珠光体。 根据两者所占面积百分比，近似计算钢的碳含量。 首先，用显微镜观察珠光体和铁素体所占面积的比例，近似计算钢的碳含量，即碳含量P0.8%。 在此，p是珠光体所占面积的比例。 例如，如果用显微镜观察到的面积的50%是珠光体，50%是铁素体，则该钢C=0.4%相当于40钢。(2)共析钢碳含量为0.77%，组织为单一珠光体，其显微组织如图4-4所示。 不同方向的切片群边界构成珠光体晶界。(3)过共析钢碳含量超过0.77%时，室温平衡组织由珠光体和二次渗碳体组成。 其中二次渗碳体沿晶界呈网状分布。 钢中碳含量越多，二次渗碳体的数量越多。 图45表示碳含量1.2%的过共析钢的显微组织。 组织形态为层片间珠光体和细网眼状渗碳体，硝酸醇侵蚀珠光体呈暗黑色，二次渗碳体呈白细网眼。材料： T8钢(共析钢) 500材料： T12钢(过共析钢) 500蚀刻剂：4%硝酸醇溶液蚀刻剂：4%硝酸醇溶液金相组织：板状珠光体金相组织：层状珠光体和二次渗碳体(白色网)图4-4共析钢退火显微组织图4-5 T12钢退火显微组织3、白口铸铁(1)亚共晶白口铸铁碳含量不足4.3%，室温平衡组织为珠光体、二次渗碳体和低温渗碳体。用硝酸醇溶液蚀刻后，显微镜下呈黑色枝晶状珠光体和斑点状珠光体。材料：亚共晶白口铸铁500 100蚀刻剂：4%硝酸醇溶液金相组织：珠光体(黑色枝晶状)低温共晶光体(基质)二次渗碳体图4-6亚共晶白口铸铁模板显微组织(2)共晶白口铸铁碳含量为4.3%，室温平衡组织由单一的共晶低温赖氏体组成。 侵蚀后，显微镜下珠光体呈暗黑色细条和斑点状，渗碳体呈明亮白色。材料：共晶白口铸铁500蚀刻剂：4%硝酸醇溶液显微组织：低温共晶赖体图4-7共晶白口铸铁模板显微组织(3)共晶白口铸铁碳含量超过4.3%，室温平衡组织由一次渗碳体和低温赖氏体组成。 用硝酸醇溶液蚀刻后，在显微镜下观察到明亮的白色粗大片状的一次渗碳体分布在暗斑点状的低温火焰基体上。材料：过共晶白口铸铁100 500蚀刻剂：4%硝酸醇溶液显微组织：低温共晶雷氏体亮白色粗大条片状一次渗碳体图4-8共晶白口铸铁铸造状态微观组织三、注意事项1、观察显微组织时，可以先低倍全面观察，找到典型的组织，高倍放大，详细观察部分地区2、不得用手指触摸样品表面，重叠样品，以免显微组织不明或影响观察3、绘制微观组织图时，要抓住组织形态的特点，描绘典型区域组织，注意不要描绘磨痕和杂质。四、实验方法指导1 .实验设备及材料(1)4X型金相显微镜(2)金照片(3)各种铁碳合金金相显微镜样品：工业纯铁、15钢、45钢、T8钢、T12钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。2 .实验内容和程序(1)在熟悉4 x型金相显微镜结构和使用方法的基础上，观察和研究铁碳合金的平衡组织(2)本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各组分合金的组织形成过程，通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢与铸铁的金相组织和形态特征，进一步建立组分与组织之间相互关系的概念(3)在显微镜下观察、分析各种试样，确定所属种类(4)根据显微组织近似计算亚共析钢