铁碳合金平衡组织观察与分析

1、实睑四铁碳合金平衡组织观察与分析一、实验目的1、熟悉掌握铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。2、分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成 分、组织与性能之间的相互关系。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，所谓平衡状态 的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡 状态）所得到的组织。可根据以组织组成物标注的Fe-Fe3C合金相图来分析 铁碳合金在平衡状态下的显微组织，如图4 - 1所示。9 / 13下载文档可编辑oFe /()030000()0(X)00(X)(X)0000()00000U00000 5 4 3 2

2、o 9 87654321 I 1 1 1 1 1 F 亩建A+Fe3c口 A+Fe3c0 -Lj0.0218727-CP + Fe3cli+ LJ rjP -FesCoFe3cl +La图4 - 1以组织组成物标注的Fe-Fe3C合金相图铁碳合金的平衡组织主要是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，它们的性能与其显微组织密切相关。此外，对碳钢 和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe-Fe3c相图的理解。从Fe-Fe3c相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素 体（F）和渗碳体（FesC）这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁 素体和渗碳体的相对数

3、量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现 各种不同的组织形态。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、成分及其含义见表4 - 1。表4- 1铁碳相图中各特征点的说明点的符号温度/含碳量/%说明A15380纯铁熔点B14950. 53一包晶反应时液态金属的成分 占/、C11484.3Ae+ Fe3C,共晶 产物称来氏体D12276. 69渗碳体的熔点E11482. 11碳在y - Fe中的最大溶解度F11486. 69共晶反应渗碳体的成分点G9120a -Fe。丫 -Fe|可素异构转 变占H14950. 09碳在6 - Fe中的最大溶解度J149

4、50. 17包晶点Lb + 8 lAjK7276. 69共析反应时渗碳体成分点N13940丫 Fe。6 -Fe|可素异构转 变占P7270. 0218碳在a -Fe中的最大溶解度S7270. 77析翻'辘彘稔体+共Q室温0. 0008室温下碳在F体中的溶解度Fe- Fe3c相图中有二条水平线（此处不介绍包晶线及包晶反应）:ECF水平线（1148。C）为共晶线，在该线温度下将发生共晶转变：L.3 ® A:.n + Fe3C o转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称高温莱氏体 （Ld）oPSK水平线（727° C）为共析线，在该线温度下将发生共析转变：Ao.77 &#

5、174;Fo.o2iS + Fe3C o转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称珠光体（P）o 共析线又称为由线。Fe- Fe3c相图中还有固态转变线：GS为A体勺F体固溶体转变线, 又称为A3线；ES线为碳在A体中的固溶线。称为黑线；PQ线为碳在F体 中的固溶线。综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗 碳体Fe3cl (由液相直接析出的渗碳体)、二次渗碳体Fe3Cn三次渗碳体 Fe3Cm共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同的组织组成物，区 别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不 同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。各种不同成分的铁碳合金

6、在室温下的显微组织见表4 -lo表4-1各种铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳量(%)显微组织浸蚀剂工业纯铁< 0. 02铁素体4%硝酸酒精溶液亚共析钢0. 020. 77铁素体+珠光体4%硝酸酒精溶液碳共析钢0. 77珠光体4%硝酸酒精溶液钢过共析钢0. 772. 11珠光体+二次渗碳体苦味酸钠溶液，渗碳体变黑或呈棕红色白口亚共晶白口铁2. 11 -4.3珠光体+二次渗碳体-低温莱氏体4%硝酸酒精溶液铸铁共品白口铁4.3低温莱氏体4%硝酸酒精溶液过共晶白口铁4. 36. 69低温莱氏体+ 一次渗碳体4%硝酸酒精溶液用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组 织组成物

7、。（1）铁素体（F）：碳在a -Fe中的固容体。铁素体为体心立方晶格， 具有磁性及良好塑性，硬度较低。用34%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜 下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于 共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。（2）渗碳体（FesC）：经34%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色。 按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体（初 生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗 碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布； 三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状在于铁素体晶界处, 数量

8、极微。（3）珠光体（P）：是铁素体与渗碳体的机械混合物。片状珠光体，是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层片状组织，经浸蚀 后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到不同特征的珠光体组织。高倍放 大时能清楚看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；放大倍数 较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，珠光体中的渗碳体就 只能看到是一条黑线，当组织较细而放大倍数低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。球状珠光体：它的组织特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白 色的渗碳体颗粒，其边界呈黑色。(4)低温莱氏体(Ld，)：是在室温时珠光体与二次渗碳体和共晶渗碳 体所组成的机械混合物。低温莱氏体显微组织

9、特征是在亮白色共晶渗碳体 基底上分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三 大类。1、工业纯铁图4 - 2工业纯铁退火显微组织材料：工业纯铁100 X浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液金相组织：铁素体含碳量小于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。其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基体则是铁素体的不规 则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。2、钢(1)亚共析钢含碳量为0. 020. 77%,其组织由铁素体和珠光体组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多。如图4 - 3

10、 (a)(b)所示o材料：20钢500 X500 X浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液酸酒精溶液金相组织；块状铁素体+片状珠光体块状铁素体+片状珠光体材料:45钢浸蚀剂：浸硝金相组织：( 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。根据二者所占面积百分 数，近似计算出钢的含碳量。首先在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所 占面积的百分数，然后近似地计算出钢的含碳量，即碳含量gPX0.8%,其 中P为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到50%的面积为珠光 体，50%为铁素体，则此钢C =史业=0. 4%即相当于40钢

11、。100(2)共析钢含碳量为0.77%,组织为单一的珠光体，其显微组织如图4-4所示。在不同方向的片层集团交界处，构成了珠光体的晶界。（3）过共析钢含碳量大于0.77%,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。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。 图4 - 5所示为含碳量1. 2%的过共析钢的显微组织。组织形态为层片相间的 珠光体和细小的网络状渗碳体，经硝酸酒精浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二 次渗碳体呈白色细网状。材料：T12钢浸蚀剂：4%硝金相组织：层材料：T8钢（共析钢）500 X（过共析钢）500 X浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液酸酒精溶液金相组织：片状珠光体 片

12、状珠光体和二次渗碳体（白色网状）图4 - 4共析钢退火显微组织5T12钢退火显微组织;3、白口铸铁（1）亚共晶白口铸铁含碳量小于4. 3%,室温平衡组织为珠光体、二次渗碳体及低温莱 氏体。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现黑色枝晶状珠光体和斑点状 莱氏体,如图4-6所示。材料：亚共晶白 口铸铁500 X100 X浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液金相组织：珠光体（黑色枝晶状）+低温共晶莱氏体（基体）+二次渗碳体图4-6亚共晶白口铸铁铸态显微组织（2）共晶白口铸铁含碳量为4. 3%,室温平衡组织由单一的共晶低温莱氏体组成。经浸蚀后, 在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色，如图4-7所 zj

13、s o材料：共晶白口铸铁 500 X浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液显微组织：低温共晶莱氏体-0- / 13下载文档可编辑图4-7共晶白口铸铁铸态显微组织（3）过共晶白口铸铁含碳量大于4. 3%,在室温平衡组织由一次渗碳体和低温莱氏体组 成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到暗色斑点状的低温 莱氏体基体上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体，如图4 - 8所Zj O材料：过共晶白口铸铁100 X500 X浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液显微组织：低温共晶莱氏体+亮白色粗大条片状的一次渗碳体图4-8过共晶白口铸铁铸态显微组织三、注意事项1、观察显微组织时，可先用低倍全面观察，找出典型组织，再 用高倍放大，对

14、部分地区进行详细的观察；2、试样表面不得用手指接触或将试样重迭起来，以免引起显微 组织模糊不清，影响观察；3、画显微组织图时应抓住组织形态特征，画出典型区域的组织, 注意不要将磨痕或杂质画上。四、实验方法指导1、实验设备及材料（1） 4X型金相显微镜；（2）金相图片；（3）各类铁碳合金的金相显微试样：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、实验内容及步骤（1）在熟悉4X型金相显微镜的构造及使用方法的基础上来观察 和研究铁碳合金的平衡组织；（2）在本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成份合金的 组织形成过程，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和 铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系 的概念；（3）在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定其所属类型;（4）根据显微组织近似地计算亚共析钢的含碳量：Px0.8 F x 0.0008C% =+100100式中：P为珠光体所占面积（%）, F为铁素体所占面积（）。