实验三 铁碳合金平衡组织观察3

实验三 铁碳合金平衡组织观察

一、实验目的

1、识别和研究铁碳合金(碳钢和白口铸铁)在平衡状态下的显微组 织； 2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组 织与性能之间的相互关系。

二、概 述铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。铁碳合金平衡 状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下(如退火状态)所得到的 组织，其相变过程均按Fe—Fe3C相图进行，所以我们可以根据该相 图来分析铁碳合金的平衡组织。

图3—1 Fe—Fe3C相图

如图3—1所示，所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均由铁素 体(F)和渗碳体(FeC)这两个基本相所组成。只是因含碳量不同， 铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况各有所不同， 因而呈各种不同的组织形态，见表4—1。 碳钢和白口铸铁在金相显微镜下具有下面几种基本组织：

表4—1 各种铁碳合金在室温下的显微组织类 型纯铁 碳 钢 亚共析钢 共析钢 过共析钢 白 口 铸 铁 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁

含碳量(C%)<0.02 0.02—0.77 0.8 0.8~2.06 2.06~4.3 4.3 4.3—6.67

显微组织铁素体 铁素体+珠光体 珠光体 珠光体十二次渗碳体 珠光体十二次渗碳体+莱氏体 莱氏体 莱氏体+一次渗碳体

浸蚀剂4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液

(1)铁素体(F) 是碳在—Fe中的固溶体，铁素体为体心立方晶 格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低。用3—4%硝酸酒精熔液浸蚀 后，在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒：亚共析钢中，铁素体呈块 状分析；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(FeC) 是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为 6.67%。当用3~4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用 苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。由此可区别 铁素体与渗碳体。此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈 观不同的形态：一次渗碳体(初生相)直接由液体中析出，在白口铸铁 中呈粗大的条片状；二次渗碳体(次生相)从奥氏体巾析出，呈网络状 沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈颗粒状。

(3)珠光休(P) 是铁素体和渗碳体的机械混合物，浸蚀后可观 察到两种不同的组织形态：

1)片状珠光体 它是由铁素休与渗碳体交替排列形成的层片状组 织，经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下，可以看到 具存不同特征的层片状组织。在高倍放大时 (照片4—1

),能清楚 地看到珠光体中平行相间的宽条铁素休和细条渗碳体。当放大倍数低 时(照片4—2),由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时就 只能看到一条黑线，它实际上就表示渗碳体。当组织较细而放大倍数 更低时，珠光体片层就不能分辨，而呈黑色。 2)球状珠光体 球状珠光休组织的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，其边界呈暗黑色，如照片4—3。 上述各类组织组成物的机械性能见表4—2。

(4)莱氏体(L) 室温时是珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体 所组成的机械混合物。它是由含碳量为4.3%的液态共晶白口铸铁在 1147℃共晶反应所形成的共晶体(奥氏体和共晶渗碳体)其中奥氏 体在继续冷却时析出二次渗碳体，在723℃以下分解为珠光体。因此， 莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗 黑色斑点及细条状的珠光体。表4—2硬 度 性能 组成物 铁素体 渗碳体 片状珠光体 球状珠光体 HB 60~90 750~820 190~230 160~190

各类组织组成物的机械性能抗拉强度b(MN/㎡)

断面收缩率 (%) 60~75 — 10~15 18~25

相对延伸率 (%) 40~50 — 9~12 18~25

冲击韧性 Ak(J) 160 0 24~32 32~27

120~230 30~35 860~900 650~750

根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分：工业纯铁、钢和 铸铁三大类。 (一)工业纯铁

含碳量<0.02%的铁碳合金通常称称为业纯铁，它分为两相组织， 即由铁素体和三次渗碳体组成。照片4—4所示为工业纯铁的显微组织。 其中黑色线条是铁素体的晶界、而亮白色基体是铁素体的不规则等轴 晶粒。在晶界上存在少量三次渗碳，呈现出白色的不连续的网状，由 于量少，有时看不出。

(二)钢的部份

1、亚共析钢 亚共析钢的含碳量在0.02~0.8%范围内，其组织由铁素体和珠光 体所组成，随着含量的加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量 则相应地增多，照片4—5、4—6为亚共析钢的显微组织，其中亮白色 为铁素体，暗黑色为珠光体。两者的相对量可由杠杆定律求得，例如： 含碳量为0.45%的钢(45钢)其珠光体的相对含量为P (%)==56 %,铁素体的相对含量为F(%)=100%=44%。另外，直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分 数，可近似地计算出钢的含碳量。例如：在显微镜下观察到有50%的 面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢的含碳量C%==0.4% (室温下铁素体含碳量极微，约为0.0008%,可忽略不计)即相当于 40钢。

2、共析钢

含碳量力0.8%碳钢，称为共析钢，由

单一的珠光体组成，其显微组 织如图所示。 3、过共析钢

含碳量超过0.8%碳钢称为过共析钢。它在室温下的组织由珠光体 和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。照 片 —的含碳量1.2%的过共析钢的显微组织。组织中存在片状珠光体 和网络状二次渗碳体。经侵蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体则呈 现白色网状。 若要根据显微组织来区分过共析钢的网状二次渗碳体和亚共析钢 的网状铁素体，可采用苦味酸钠溶液来浸蚀，这样，是二次渗碳体就 被染色呈黑色网状，而铁素体和珠光体仍保留白色晶粒，照片4—7b 所示。

(三)铸铁

1、亚共晶白口铸铁 含碳量<4.3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口 铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体，如照片4—8所示。用硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑，点状 莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。 2、共晶白口铁 共晶白口铸铁的含碳量为4.3%,它在室温下的组织由单一的共晶莱 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， 共晶渗碳体呈亮白色，如照片4—9所示。 3、过共晶白口铸铁 含碳量>4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁， 在室温时的组织由 一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观 察到在暗色斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色的粗大条片状的一次 渗碳体，其显微组织如照片4—10所示。

三、实验方法指导1、实验设备和材料 (1)金相显微镜； (2)金相图册； (3)各种铁碳合金的显微样品(表4—3)

表4—3材料 编号 处理过程 浸蚀剂 放大倍数

12 3 4 5 6 7 8 9

工业纯铁20钢 45钢 ??钢 T8钢 T12钢 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁

退火状态退火状态 退火状态 退火状态 退火状态 退火状态 铸造状态 铸造状态 铸造状态

3~4%硝酸酒精溶液3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液 3~4%硝酸酒精溶液

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