铁碳合金

实验四铁碳合金显微组织的观察及分析

【摘要】依据铁碳相图分析了不同成分铁碳合金及其形貌特征,解释了如何鉴别细网状铁素体和网状渗碳体，冷却速度对组织形貌和相对量有无影响，各类铸铁的组织对性能有何影响等问题。

【关键字】铁碳合金相图 组织形貌 铁碳相图

1 前言

钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，因此在工业上得到了广泛的应用。钢铁材料的性能是由它的化学成分和内部组织结构所决定的。而组成钢铁材料的两个最基本的组元是铁和碳，所以研究铁碳合金有非常重要的意义。

通过铁碳合金相图的学习，来认识铁和碳的相互作用，从而了解铁碳合金成分、组织与性能三者之间的关系，以便正确地应用铁碳合金相图的知识，合理的选用钢铁材料和制定各种热加工工艺。本实验是基本的对不同铁碳合金进行组织观察并分析成因且与其性能的关系。 1.实验目的

1．进一步熟悉铁碳合金相图（Fe-Fe3C相图）。

2．掌握各相和组织组成以及它们的金相形貌特征（珠光体、铁素体、渗碳体、莱氏体等）。

3．研究钢及白口铸铁显微组织特征。

4．了解碳含量对各相及组织组成物的形貌和相对量的影响。 2.实验原理

2.1铁碳合金相图及分析

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。图1为Fe-Fe3C 相图。

Fe—Fe3C相图看起 来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。 （1）上半部分-------共晶转变

在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:Lc (AE+Fe3C),转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。

（2）下半部分-----共析转变

在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。

图1 Fe-Fe3C 相图

2.2铁碳合金中相 （1）铁素体(ferrite)

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号\或α)表示,体心立方晶格;

虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性。

δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS。

铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。 （2）奥氏体(Austenite )

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号\或γ)表示,面心立方晶格;

虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.

在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为

727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态。另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件。

奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在。 (3)渗碳体(Cementite)

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式

\表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃, 质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.

渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响. (4) 珠光体（pealite）

奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形态为铁素体薄层和碳化物(包括渗碳体)薄层交替重叠的层状复相物。广义则包括过冷奥氏体发生珠光体转变所形成的层状复相物。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。 (5)莱氏体（ledeburite）

莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。 2.3典型铁碳合金的显微组织 1工业纯铁

含碳量低于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。工业纯铁在含碳量小于0.008%时，其显微组织为单相铁素体。在含碳量大于0.008%时，工业纯铁的组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。显微组织中的黑色线条是铁素体的晶界，亮白色的基底是铁素体的不规则等轴晶粒，三次渗碳体由铁素体中析出，沿铁素体晶界呈片状分布。 2 亚共析钢

亚共析钢的含碳量在0.0218%～0.77%范围内，其显微组织是由铁素体和珠光体组成。用4%的硝酸酒精浸蚀后，铁素体为亮白色，珠光体为暗黑色。 随着含碳量的增加，组织中的铁素体量逐渐减少，而珠光体的量不断增加；当含碳量大于0.60%时，铁素体由块状变成网状分布在珠光体的周围。根据含碳量，可以由杠杆定律求得铁素体和珠光体的相对量。另外，由显微镜中观察铁素体和珠光体各自所占面积的百分数，可近似地计算出钢的含碳量，即，碳含量≈P×0.77%，其中P为珠光体所占面积百分数。 3 共析钢

含碳量为0.77%的铁碳合金称为共析钢。其组织为共析转变得到的珠光体，即片状铁素体和渗碳体的机械混合物。由杠杆定理可以求得铁素体与渗碳体的重量比约为7.9:1，因此铁素体厚，渗碳体薄。当放大倍数较高时，铁素体和渗碳体在明视场照明条件下二者都是明亮的。如放大倍数较低时，渗碳体片两侧相界已无法分辨。 4 过共析钢

过共析钢的含碳量在0.77%～2.11%，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。经硝酸酒精浸蚀后，二次渗碳体呈亮白色网分布在珠光体的周围。 5 亚共晶白口铸铁

含碳量是2.11%～4.3%，在室温下的组织由珠光体、 二次渗碳体和变态莱氏体

所组成。经硝酸酒精浸蚀后，组织呈现：暗黑色的树枝状的珠光体（枝晶态）和斑点状变态莱氏体，二次渗碳体的空间位置是在珠光体的周围，但形态上与共晶渗碳体无法区分。 6 共晶白口铸铁

含碳量为4.3%，室温下的组织由单一的变态莱氏体组成。经浸蚀后，显微组织为暗黑色粒状或条状珠光体分布在亮白色的渗碳体的基底上。 7 过共晶白口铁

含碳量为4.3%～6.69%，在室温下的组织是一次渗碳体和变态莱氏体。经浸蚀后，一次渗碳体呈亮白色的粗大条片状分布于斑点状的变态莱氏体的基底上。 3.实验内容 3.1实验设备及样品 1.光学显微镜 2.标准样品 编号 1 3 4 5 6 7 8 9 10 共析钢 过共析钢 亚共析钢 材料 工业纯铁 20钢 45钢 60钢 T8钢 T12钢 组织名称及特热处理 征 退火 退火 退火 退火 退火 退火 铸态 铸态 铸态 建议观察浸蚀剂 使用放大倍数 F+三次渗碳体 4%硝酸酒100× 精 F+P 4%硝酸酒400× 精 F+P 4%硝酸酒400× 精 F+P 4%硝酸酒400× 精 P 4%硝酸酒400× 精 P+二次渗碳体 4%硝酸酒400× 精 Ld’+P 4%硝酸酒100× 精 Ld’ 4%硝酸酒100× 精 Ld’+一次渗碳4%硝酸酒100× 体 精 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 3.2实验方案

1.认真观察各种材料的显微组织,识别各显微组织的特征。

2.在显微镜下选择各种材料的显微组织的典型区域,并根据组织特征,绘出其显微组织示意图。

3.记录所观察的各种材料的牌号或名称,显微组织,放大倍数及侵蚀剂,并把显微组织示意图中组织组成物用箭头标出其名称。

4.实际估算特定照片碳钢的平衡组织及含碳量的影响。 3.3 显微组织及相图分析

1.样品一：亚共析钢（45钢）