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1、1四 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1观察和识别铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织特征；2牢固建立铁碳合金中成分、组织和性能之间的变化规律；3应用杠杆定律计算碳钢中的含碳量。二、概述1碳钢和白口铸铁的平衡组织合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可以根据 Fe-C 状态图来分析。从状态图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素体相和渗碳体相组成。但由于含碳量的不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不一样，因而将组成各种不同特征的组织。碳钢和白口铸铁的显微组2织见表 1 所示。表 1 碳钢和白口铸铁的显微组
2、织铁碳合金含碳量 /% 显微组织亚共析钢0.0280.77铁素体（F）+珠光体（P）共析钢 0.77 珠光体（P）过共析钢0.772.11珠光体（P）+ 二次渗碳体（Fe 3C）亚共晶白口铁2.114.30珠光体（P）+ 二次渗碳体（Fe 3C）+莱氏体（Ld）共晶白口铁 4.30 莱氏体（Ld）过共晶白口铁4.306.69莱氏体（Ld）+ 一次渗碳体（Fe 3C）2各种基本组织特征1）铁素体（F）：是碳溶入 -Fe 中的间隙固溶体，有良好的塑性，硬度低（HB80120） ，3经 3%5%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜呈白色大颗粒状或块状（如图 1） 。随着钢中含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体
3、量较多时呈块状分布（如图 2、3） ；当含碳量接近共析成分时，往往呈断续网状，分布在珠光体的周围（如图4） 。2）渗碳体（Fe 3C 或 Cm）：是铁与碳的化合物，含碳量为 6.69%，抗侵蚀能力较强。经3%5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色（如图5、6 所示） ；若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色（如图 7 所示） ，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到 HB800 以上，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。25图 2 20 钢的显微组织 400组织：F(白块)+P （黑块）图 1 工业纯铁的显微组织 200组织：全部
4、为 F4图 3 40 钢的显微组织 400 图 4 60 钢的显微组织 400组织：F+P 组织：P（黑色）+F （白色网状）53）珠光体（P） 是铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经图 5 T8 钢的显微组织 400组织：P（片状）图 6 T12 钢的显微组织 400组织：P（层片状）+ Fe3C （白色网状）3%硝酸酒精溶液腐蚀图 7 T12 钢的显微组织 400组织：P（白色块状） + Fe3C （黑色网状） （热苦味酸钠溶液腐蚀）63%5%硝酸酒精溶液侵蚀后，铁素体和渗碳体皆成白亮色。在不同放大倍数下观察时，珠光体组织
5、具有不太一样的特性。在高倍（600 倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条为铁素体、突起细条为渗碳体，它们皆为白亮色，而边界为黑色阴影。在中倍（400 倍左右）观察时，白亮色的渗碳体细条被两边黑条阴影所掩盖。而成为黑色细条。这时看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物。在低倍（200 倍以下）观察时，由于显微镜的放大倍率低，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也分辨不清，这时的珠光体是一片模糊的暗色块状组织。74）莱氏体（Ld） 在室温时是珠光体和渗碳体的混合物。此时渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开。经 3%5%硝酸酒精溶液侵蚀后，莱氏体的组织特
6、征是，在白亮色渗碳体基体上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体（如图 9） 。图 8 亚共晶白口铁显微组织 150 图 9 共晶白口铸铁显微组织 400组织：P（黑色团状）+Fe 3CII+Ld 组织：Ld（黑色块、点为 P+白色为Fe3C基体）8莱氏体组织硬度很高，达到 HB700，性脆。一般存在于含碳量大于 2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见到。亚共晶白口铸铁的组织是莱氏体、呈黑色大块树状的珠光体及珠光体周围白亮圈的二次渗碳体（如图 8） 。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连、无界线，无法区分。过共晶白口铁的组织：莱氏体和长白条一次渗碳体（如图 10 所示） 。3
7、钢的组织与含碳量计算根据 Fe-Fe3C 状态图，利用杠杆定律可以计算钢的含碳量；也可以计算各组织（或相）的百分量。已知含碳的碳素钢，可计算所含铁素体和珠光体量的百分数（计算时可忽略铁素体中的少图 10 过共晶白口铸铁显微组织 150组织- Fe3C （白色宽长条） + Ld（小黑色条、点和白色基体）9量碳，将其看作纯铁，珠光体含碳量可看成 0.8%） 。例 1：已知含碳量为 0.4%的碳钢，球 P 和 F各占多少？%508.4)(PW %508.4)(FW从显微镜视场中可估测出 P 与 F 各占多少？然后计算钢的含碳量。例 2：观察到显微组织中有 60%的面积为珠光体，40%的是 F 是，求
8、钢的含碳量。%48.048.0%1.60%wtC三、实验内容观察分析表 2 所列碳钢和白口铸铁的组织。然后画出组织示意图。表 2 试样与显微组织序号试样名称 腐蚀剂 显微组织1 工业纯铁4%硝酸酒精溶液 F102 0.20%碳钢4%硝酸酒精溶液 F+P3 0.45%碳钢4%硝酸酒精溶液 F+P4 0.80%碳钢4%硝酸酒精溶液P(用两种放大倍数)5 1.2%碳钢4%硝酸酒精溶液 P+ Fe3C6 1.2%碳钢碱性苦味酸钠溶液P+ Fe3C（呈黑色）7未知含碳量钢4%硝酸酒精溶液 P+F8亚共晶白口铁4%硝酸酒精溶液P+ Fe3C+ Ld9共晶白口铁4%硝酸酒精溶液 Ld10 过共晶白 4%硝酸
9、酒精 Fe3C +Ld11口铁 溶液四、实验方法（1）仔细观察所列试样，研究每个样品组织特征，注意含碳量与金相组织之间的关系；（2）描绘试样显微组织的示意图；（3）仔细阅读碳钢与白口铸铁的金相图谱；（4）估测未知含碳量的亚共析钢试样中组织相对量，计算该试样的含碳量。五、实验报告（1）画出样品组织示意图（画在直径为3040mm 的圆圈内，用箭头标明各组织的名称） ，并在每个试样示意图下面注明：试样成分、处理工艺、腐蚀剂、放大倍数；（2）用杠杆定律计算未知牌号样品的含碳量；（3）根据所观察的组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响12五 钢的热处理组织观察一、实验目的1. 观察碳钢经过不同热处理
10、后的基本组织；2. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响；3. 熟悉几种典型热处理组织M、T、S、M 回火 、T 回火 、S 回火 等组织的形态及特征。二、概述碳钢经退货、回火可得到平衡或接近平衡组织；经淬火得到的是不平衡组织。因此，研究热处理后的组织时，不仅要参考铁碳相图，而且更主要的是参考钢的等温转变曲线（即 C曲线） 。铁碳相图能说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，C 曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下所得到的组织，C 曲线适用于等温冷却条件，而 CCT 曲线（奥氏体连续冷却曲线）适用于连续冷却条件。一13定程度上用 C 曲线，也能够估计连续冷却时的组织变化。1.
11、共析钢等温冷却时的显微组织共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能列于表 1 中。2.共析钢连续冷却时的显微组织为了简便起见，不用 CCT 曲线，而用 C 曲线（图 1）来分析。例如共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图 1 中的 v1）应得到 100的珠光体；当冷却速度增大到 v2 时（相当于空冷） ，得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到 v3 时（相当于油冷） ，得到的是屈氏体或马氏体；当冷却速度冷却到v4、v 5 时（相当于水冷） ，很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点（Ms ）后，瞬时转变成马氏体。其中与 C 曲线鼻部相切的冷却速度（v 4）称为淬火的
12、临界冷却速度。3. 亚共析钢和过共析钢连续冷却时的显微组织14亚共析钢的 C 曲线于共析钢相比，其上部多了一条铁素体先析线，如图 2 所示。当奥氏体缓慢冷却时（相当于炉冷，如图2 中的 v1） ，转变产物接近平衡组织，即珠光体和铁素体。随着冷却速度的增大，即 v3v 2v 1时，奥氏体的过冷度逐渐增大，析出的铁素体越来越少，而珠光体的量逐渐增加，组织变得更细，此时析出的少量铁素体多分布在晶界的边界上。表 1 共析钢等温冷却时的显微组织转变类型组织名称形成温度/显微组织特征硬度（HRC）珠光体型珠光体(P)650在 400500 倍金相显微镜下可以观察到铁素体和渗碳体的片层状组织20 左右HB1
13、8020015索氏体(P)600650在 8001000 倍以上的显微镜下才能分清片层状特征，在低倍下片层模糊不清2535转变屈氏体(P)550600用光学显微镜观察时呈黑色团状组织，只有在电子显微镜（50001500 倍）下才能看出片层状3540上贝氏体（B 上 ）350550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征 4048贝氏体型相变上贝氏体（B 上 ）230350在显微镜下呈黑色针状特征 4858马 马氏 23 在正常淬火温度下呈细 606516氏体型相变体（M）0 针状马氏体（隐晶马氏体） ，过热淬火时则呈粗大片状马氏体。因此，v 1 的组织为铁素体+珠光体，v 2 的组织为铁素体+索氏体
14、；v 3 的组织为铁素体+屈氏体。当冷却速度为 v4 时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体（有时可见少量贝氏体） ，奥氏体则主要转变为马氏体和屈氏体；当冷却速度 v5超过临界冷却速度时，钢全部转变为马氏体组织。过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是后者先析出的是铁素体，而前者先析出的是渗碳体。图 2 亚共析钢的 C 曲线图 1 共析钢的 C 曲线174.各组织的显微组织（1）索氏体（S） 索氏体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在高倍（700 倍以上）显微放大时才能分辨。（2）屈氏体（T） 屈氏体也是铁素体和渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下也无法分辨
15、，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状，包围着马氏体；当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。18（3）贝氏体（B） 贝氏体是奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与碳化物的两相混合物。在显微形态上，主要有三种形态：1)上贝氏体是由成束平行排列的条形铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体晶内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下，铁素体以几度到十几度的小位向差相互平行，渗碳体则沿条的长轴方向排列成行。2)下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织，它比淬火马氏体易受浸蚀，在显微镜下呈黑色针状。在电子显微镜下可以看到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体的长轴成5560的角度。3）粒状贝氏体是最近十几年才被确认的组织。在地、中碳合金钢中，特别是连续冷却时19（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往容易出现，在等温冷却时也可能形成。它的形成温度范围大致在上贝氏体转变温度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。（4）马氏体（M） 马氏体是碳在 -Fe中的过饱和固溶体，其形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状。1）板条状马氏体一般为低碳钢或低碳合金钢的淬
