实验十 铁碳合金显微组织的观察与分析

实验十铁碳合金显微组织得观察与分析前言铁碳合金就是以铁为主,加入少量碳而形成得合金,具有多种相结构与组织。

其价格低,易加工,在实际生产中得到了广泛得应用。

而铁碳合金得显微组织就是研究与分析贴碳材料性能得基础。

本次试验在进一步熟悉铁碳相图得基础上,达到掌握珠光体、铁素体、莱氏体、渗碳体等相与组织得成分、形貌特征得目得，同时学分分析各组织得形成过程，了解碳含量对各相及组成物得形貌与相对量得影响。

摘要C相图得基础上，对不同成分铁碳合金得显微组织进在充分理解Ｆe－Ｆｅ3行观察,并全面得分析了碳钢、白口铸铁不同显微组织得形成过程及铁碳合金得进本组织得形貌特征,对铁碳合金与Fe－Fe3C进行了概括性得分析与总结。

关键词C相图钢白口铸铁铁碳合金 Fe－Fｅ３一、实验设备与材料实验设备:光学显微镜实验材料汇总于下表中:11 共晶白口铁4、3 4%硝酸酒精12 过共晶白口铁4、3~６、67 4%硝酸酒精二、 Fe-Fe3C相图及典型铁碳合概述铁碳合金相图就是研究铁碳合金得基础,由于碳含量高于6、69%得铁碳合金脆性大,因而只研究Fe-Fｅ3C部分。

如下图所示得Ｆｅ－FeC体系相图中,存在液相、固溶体相δ（Ｆe),α(Fe），γ（Fe)及θ～Fｅ3C相。

根据组织特征则有奥氏体(A),铁素体(F)，δ铁素体、渗碳体或夜析渗碳体（Ｆｅ3CⅠ)、二次渗碳体(Fe３ＣⅡ)、三次渗碳体（Fe3CⅢ)、珠光体(P)、莱氏（Lｄ)、变态莱氏体（Ld’)与液体（L）。

相图中三条平衡线表示三个恒温反应。

1４93℃发生包晶反应，此次试验不做研究。

11４8℃发生共晶反应：Ｌ↔A＋Fe３C共晶反应形成奥氏体与渗碳体得共晶混合物,称为莱氏体(Ｌd)。

冷却至室温后莱氏体中得奥氏体转变为珠光体,此时莱氏体为变态莱氏体(Ld’)。

共晶反应发生于所有碳含量处于2、1４％~6、67%得铁碳合金中。

７27℃发生共析反应:Ａ↔F+Ｆe３Ｃ,共析反应生成铁素体与渗碳体得共析混合物即珠光体(P)。

含碳量超过0、022%得铁碳合金可发生共析反应。

铁碳合金相图上得各种合金可以根据其含碳量与组织得不同分为三类:工业纯铁(C<0、022%);钢（０、022%～2、1４%)包括亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。

三、铁碳合金基本组织用浸蚀蚀剂显露得碳钢与白口铸铁,在金相显微镜下有如下几种金相组织：铁素体（F)，即碳在α-Fｅ中形成得固溶体。

铁素体为体心立方晶体,用４% 得硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮得等轴晶粒,黑色网就是晶界,这就是因为晶粒界面耐腐蚀性不同,而且各晶粒得位向呈现不同得颜色；亚共析钢中铁素体成块状分布；当含碳量接近共析成分时,铁素体呈现断续得网状分布于珠光体周围。

C)就是铁与碳形成得化合物,经4%硝酸酒精溶浸液蚀后,渗碳渗碳体(Ｆe3体呈现亮白色。

按照成分与形成条件得不同,渗碳体呈不同形态。

珠光体(P)就是铁素体与渗碳体得机械混合物，在一般得退火处理情况下,就是由铁素体与渗碳体相互混合交替形成得层片状组织。

经硝酸酒精浸蚀后,在高倍放大时能瞧到珠光体平行相间得宽条铁素体与细条渗碳体:当放大倍数较低时,珠光体中得渗碳体就只只能瞧到一条黑线。

莱氏体（Ld)就是在室温时珠光体、二次渗碳体与渗碳体所组成得机械混合物,含碳量为4、3%共晶白口铁在1148℃对形成由奥氏体与渗碳体组成得共晶得机械混合物称为莱氏体。

奥氏体冷却时析出二次渗碳体,并在723℃下分解为珠光体,称为低温莱氏体。

四、纯铁、钢与白口铸铁结晶过程分析1、纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组织。

碳得质量分数小于0、0２18%得铁碳合金称为工业纯铁,其光学显微组织如下图所示。

当其冷到碳a-Fe中得固溶度线PQ以下时,将沿Fｉgｕrｅ 1 工业纯铁得显微组织１00X铁素体晶界析出少量三次渗碳体,铁素体得硬度在80HBS左右,而渗碳体得硬度高达8０0HＢS，因工业纯铁中得渗碳体量很少、故硬度、强度不高而塑性、韧性较好。

2、刚共析钢得结晶过程分析:碳得质量分数w C在0、0218～2、11％之间得铁碳合金称为碳素钢、碳钢。

根据合金在相图中得位置可分为亚共析钢、共析钢与过共析钢。

共析钢w C=0、７7％,在７２７℃以上得组织为奥氏体，冷至727C时发生共析反应:将铁素体与渗碳体得混合物称珠光体P。

室温下珠光体中渗碳体得质量分数约为１2％。

慢冷所得珠光体呈片状。

在普通光学显微镜下观察时、只能瞧到F片成条条细黑线｀分布在铁素体上,见图Figｕrｅ 2。

位向相同得一组铁素体加渗碳体片层称为一个共析领域。

当放大倍数低,珠光体组织细密或浸蚀过深时,珠光体中得片层难以分辨，呈一片暗色区域。

采用电子显微镜高倍放大能瞧出Fe3C薄层得厚度,见图Ｆiｇurｅ 2,图中窄条为Fe3Ｃ,宽条为F基体,两者有明显得分界线。

Ｆiｇure 2 光学显微镜下得珠光组织与珠光体得电镜组织亚共析钢成分为0、0２1８％<w C＜０、７7％,组织为铁素体F加珠光体P。

在显微镜下铁素体呈亮色,珠光体为暗色。

铁素体得形态随合金所含碳量即铁素体量得多少而变,如wＣ=０、2%时,其组织为等轴铁素体基体与少量主观体分布在铁素体晶界上或三叉晶界上呈不规则岛状。

当含碳量增加,组织中珠光体得量增多,至ｗC=0、4％，珠光体与铁素体得量各占一半;wＣ＞０、5％珠光体成为钢得基体,铁素体呈连续或断续得网络状围绕着珠光体分布。

这就是由于先共析铁素体就是沿原奥氏体边界优先析出,至一定量后,剩余奥氏体才转变为珠光体。

不同含碳量得亚共析钢得显微组织见Figure 3。

Figure 3 亚共析钢得显微组织5０0X (ａ-2０钢,b－40钢,c-６0钢)过共析钢成分为0、７7%<w C<2、11%，但实用钢得含碳量只到1、3%,因碳量再高,二次渗碳体量增多,使钢得性能变脆。

过共析钢得组织由珠光体及二次渗碳体所组成,二次渗碳体呈网状。

碳量愈高,渗碳体网愈多、愈完整。

与先共析铁素体网很容易区别,若经硝酸酒精溶液浸蚀后,两者虽均为亮色,但二次渗碳体网要细得多;若用碱性苦味酸钠溶液热浸蚀后,渗碳体变成暗色,铁素体仍为亮色。

经不同方法浸蚀后得Ｔ１2钢组织见图Fiｇurｅ 4a、b。

Ｆigure ４不同方法浸蚀后得T1２钢组织(a-4%硝酸酒精溶液浸湿、b-碱性苦味酸钠溶液热浸蚀。

）3、白口铸铁共晶白口铁（w C=4、3%)合金由液态冷却到1148℃,全部发生共晶反应所得产物称莱氏体(Ld),呈豹皮状,其中奥氏体呈短棒或、条状分布在渗碳体基体上。

在以后继续冷却得过程中,只有奥氏体原地发生转变，先析出二次渗碳休，后在727℃形成珠光体。

沿奥氏体边界析出得二次渗碳体，常与共晶渗碳体连成一片不易分辨。

室温共晶体就是由奥氏体转变来得二次渗碳体、珠光体及原共晶渗碳体所组成。

称为变态菜氏体(Ｌd’）。

所谓变态得实质就是指共晶内部组成物(合金相)改变,并非形貌改观,在显微镜下观察变态莱氏体仍呈豹皮状。

见图７－7ａ。

亚共晶白口铁（w C=2、1１%～4、3%)合金凝固时先析出初生奥氏体，呈树枝状，剩余液体在11４8℃发生共晶反应得到莱氏体。

继续冷却时初生奥氏体及共晶体中得奥氏体各在原地发生相同得转变,即先析出二次渗碳体,后形成珠光体,室温组织就是由初生奥氏体转变所得二次渗碳体加珠光体(Fe3C Ⅱ＋P)及变态莱氏体Ld’所组成;见图7-７b。

过共晶白口铁（w C=４、3%~６、6９％)得组织为粗大片状得一次渗碳体加变态莱氏体(Fe3ＣⅠ＋Ld’),见图Fｉｇure ５。

Ｆigure 5 白口铸铁得显微组织(a-共晶,b-亚共晶,c-过共晶)五、实验分析与思考１、网状铁素体及网状渗碳体得形态比较６0钢与T1２钢含网状铁素体与网状渗碳体,二者较难区分,若用煮沸得碱性苦味酸钠溶液做浸蚀剂,则可将渗碳体网染成黑色,而铁素体仍为亮白色。

因此这种实际可以将接近共析成分得亚共析钢与过共析钢区别开来。

2、共析组织与共晶组织得比较共析组织就是宽条状得铁素体及细条状得渗碳体相互交错排列而成;共晶组织为莱氏体,即黑白细条状及斑点状得珠光体与亮白色得渗碳体组成。

４、冷却速度对组织形貌与相对量得影响错误!冷却速度对工业纯铁得影响:冷却速度越慢,析出得渗碳体就越细小弥散。

当冷却速度不够缓慢时，渗碳体析出得过程往往进行得不充分,因而室温下铁素体得含碳量往往就是过饱与得。

错误!在亚共析钢进行奥氏体共析分解时,若冷却很慢,恭喜分解产生得铁素体就附加到已经存在得先共析铁素体上生长，最后把渗碳体留在晶界处,冷却越缓慢,这种晶界渗碳体越容易产生。

继续冷却时，一铁素体析出得三次渗碳体又会在附加到已经存在得工析渗碳体上。

渗碳体分布在晶界将引起晶界脆性，使低碳钢得工艺性能变坏,也使钢得综合力学性能降低,应避免这种情况。

六、实验总结铁碳合金中含碳量对显微组织形貌以及合金得机械性能有较大得影响。

因此通过本次试验对不同成分得铁碳合金得显微组织得观察及分析，有助于理解组织性能及不同得含碳量对组织性能得影响。

铁碳合金应用广泛,了解其内部特征就是为必然。

参考文献ﻩ【1】宋维锡,《金属学》(修订版）,冶金工业出版社，北京,198９【2】任怀亮，《金相实验技术》,冶金工业出版社，北京,198６【3】史文，金属材料及热处理［M],上海，上海科学技术出版社,201１。