铁碳合金平衡组织分析

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1、1铁碳合金平衡组织分析一、实验目的1. 熟练运用铁碳合金相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。2. 分析和研究碳的质量分数，在相形成过程中的影响，研究组织组成物的本质和特征。3. 学会使用金相显微镜。二、原理概述铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热加工工艺的重要依据。按组织标注的铁碳相图见图。铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe 3C）两相按不同数量、大小、形态和分布所组成。高温下还有奥氏体（A）和 固溶体相。利用铁碳合金相图分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应及反应产物的本质和形态，并能做出不同合金的

2、冷却曲线，从而得知其凝固过程中组织的变化及最后的室温组织。根据含碳量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁三大类，现分别说明其组织形成过程及特征。1. 工业纯铁碳的质量分数小于 0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。见图 1-1。当其冷到碳在 -Fe 中的固溶度线 PQ 以下时，将沿铁素体晶界析出少量三次渗碳体，铁素体的硬度在 80HB 左右，而渗碳的硬度高达 800HB，因工业纯铁中的渗碳体量很少，故硬度、强度不高而塑性、韧性较好。2图 1-1 工业纯铁组织2. 碳钢碳的质量分数 在（0.02182.11）%之间的铁碳合金称为碳钢，根据合金Cw在相图中的位置可分为亚共析、共析和过共析

3、钢。（1）共析钢 成分为 ，在 727以上的组织为奥氏体，冷至7.0727时发生共析反应：CFeAC3%0218.7.0将铁素体与渗碳体的机械混合物称珠光体（P） 。室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为 12%，慢冷所得的珠光体呈层片状。图 1-2 珠光体电镜组织 图 1-3 珠光体光镜组织采用电子显微镜高倍放大能看出 Fe3C 薄层的厚度，图 1-2 中窄条为 Fe3C，3宽条为 F 基体，两者有明显的分界线。在普通光学显微镜下观察时，只能看到Fe3C 成条条细黑线分布在铁素体上，见图 1-3。位向相同的一组铁素体加渗碳体片层，称一个共析领域。当放大倍数低，珠光体组织细密或浸蚀过深时，珠光体中

4、的片层难以分辨，呈一片暗色区域。（2）亚共析钢 成分为 0.0218%0.5%，珠光体成为钢的基体，铁素体呈连续或断续的网络状围绕着珠光体Cw分布，这是由于先共析铁素体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，不同含碳量的亚共析钢的显微组织见图 1-4。（a ） 20 钢 （b）40 钢4图 1-4 亚共析钢显微组织（3）过共析钢 成分为 0.77% 2.11%，但实用钢的最大含碳量只到Cw1.3%，因碳量再高，二次渗碳体量增多，使钢变脆。过共析钢的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

5、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。经不同方法浸蚀后的 T12钢组织见图 1-5a.b。图 1-5 过共析钢显微组织（a）共晶白口铁 （b）亚共晶白口铁5（C）过共晶白口铁图 1-6 白口铸铁组织3. 白口铸铁（1）共晶白口铁（ =4.3%）此合金由液态冷却到 1148时，全部发生Cw共晶反应： ，所得产物称莱氏体（Ld） ，呈豹皮状，FeAL3)%1.2()3.4( 其中奥氏体呈短棒或小条状分布在渗碳体基体上，在以后继续冷却的过程中，只有奥氏体原地发生转变，先析出二次渗碳体，后在 727形成珠光体。沿奥氏体边界析出的

6、二次渗碳体，常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。室温组织是由奥氏体转变来的二次渗碳体、珠光体及原共晶渗碳体组成，称变态莱氏体（Ld） 。所谓变态的实质是指共晶内部组成物改变，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 1-6a。（2）亚共晶白口铁（ =2.11%4.3%） 这类合金凝固时先析出初生奥氏Cw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的奥氏体各在原地发生相同的转变，即先析出二次渗碳体，后形成珠光体，室温组织是由初生奥氏体转变所得的二次渗碳体加珠光体（Fe 3CII+P）及变态莱氏体 Ld所组成，见图 1-6b。（3）过共晶白口

7、铁（ =4.3%6.69%）过共晶白口铸铁的组织由粗大片状Cw的一次渗碳体加变态莱氏体组成，见图 1-6c。6三、实验内容及步骤1. 观察表 1-1 所列的金相试样的显微组织。2. 分析各相及组织组成物的本质。3. 分析不同含碳量的铁碳合金的凝固过程、室温组织及其形貌特征。4. 总结铁碳合金的组织、性能与含碳量的关系。5. 描绘出各种合金的显微组织示意图，并标明各组织组成物的名称。四、材料及设备1. 表 1-1 所列的金相试样 2 套，并附金相照片。2. 金相显微镜 20 台。表 1-1 本实验所观察的合金类别合金牌号浸蚀剂显微组织类别合金牌号浸蚀剂 显微组织工业纯铁工业纯铁4%硝酸酒精溶液F

8、+Fe3CII4%硝酸酒精溶液亚共析钢204%硝酸酒精溶液F+P过共析钢T12碱性苦味酸钠溶液P+Fe3CII亚共析钢404%硝酸酒精溶液F+P 亚共晶4%硝酸酒精溶液Fe3CII+P+Ld亚共析钢604%硝酸酒精溶液F+P 共晶4%硝酸酒精溶液Ld共析钢 T84%硝酸酒精溶液P白口铸铁过共晶4%硝酸酒精溶液Ld+Fe3CI五、实验报告要求1. 写出实验目的。2. 在 50mm 园内绘制观察到的金相组织图，需用细实线标明组织组成物名称，注明放大倍数，侵蚀剂名称，试样名称，制备条件及相组成。73. 分析和讨论各类碳素钢组织的特点同时把组织特点同性能和用途联系起来。六、注意事项1. 金相显微镜是精密光学仪器，操作要认真。2. 绘图使用铅笔。不要将试样中杂质及划痕画出。3. 不要触摸试样表面，如有模糊不清试样，可请老师重新制作。