材料科学金相实验

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1、铁碳合金的纤维组织及分析材科 0904 徐飞 40930212一、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. 掌握共晶、亚共晶、过共晶白口铸铁的显微组织特征 （莱氏体、变态莱氏体， 一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体的形成与形貌特点；高温奥氏体转变所得 室温产物等）。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。二、实验内容1. 分析并讨论铁碳合金相图的组成及组织组成物形貌。2. 结合理论知识，观察各金相样品的显微组织，绘制组织特征图。3. 讨论分析实验结果和思考题。三、实验设备与

2、材料1 .光学显微镜2. 标准实验样品若干I L1 U IV VI 一VIIFbb25F3C威刮孑亠匸3兰空-卩L-肖昱匸工业纯铁 0.0218XC）亚共析钢 0218-0一？?犹共析钢（0. 77%C）过共析钢（0- 77-2. 11M：）亚共晶白口持铁（2.11-4. 30XC） 共晶白口铸轶（4 3MO过共晶白口铸铁（4. 30-6 6%C）四、实验过程 1.分析并讨论铁碳合金相图的组成及组织组成物形貌在铁碳合金中，碳有两种存在形式：一是0 -Fe3C相，另一是石墨。0 -Fe3C 实际上是一个亚稳相，在一定条件下可分解为铁固溶体相a （Fe）或y （Fe） 和石墨，因此铁碳相图通常有F

3、e-Fe3C和Fe-石墨两种形式，且Fe-石墨体系是 更稳定的状态。在Fe-Fe3C体系相图中，存在有液相、固溶体相6 （Fe）、a （Fe）和Y（Fe） 及0 -Fe3C相。根据组织特征则有奥氏体（A）、铁素体（F）、6铁素体，渗碳 体或液析渗碳体（Cm）、二次渗碳体（Cmll）、三次渗碳体（Cmlll）、珠光体（P）， 莱氏体（Ld）、变态莱氏体（Ld、和液体（L）。铁素体：碳溶入铁晶格的间隙中形成间隙固溶体，称铁素体。在金相显微镜 下观察为均匀明亮的多边形晶粒。（BCC）奥氏体：碳溶入铁晶格的间隙中形成间隙固溶体，称奥氏体。（FCC）渗碳体： Fe3C 和其他相共存时以片、粒块、网状形态

4、出现，它不受硝酸酒 精侵蚀，在金相显微镜下观察呈白色发亮。 2结合理论知识，观察各金相样品的显微组织，绘制组织特征图。下图a）所示为亚共析钢的退火组织。白亮者为铁素体，黑色的为珠光体。 随着含碳量的提高，珠光体的相对量增加。当含碳量达到 0.6%以上，铁素体沿 着原奥氏体晶粒呈网状分布。下图b）所示为共析钢的退火组织。全为片状珠光体组织，高倍观察时片层 很清楚。下图c）所示为含碳量为1.2%的过共析钢的退火组织，光体加二次渗碳体。 二次渗碳体沿原奥氏体晶粒呈网状分布，呈亮白色。用碱性苦味酸溶液染色侵蚀， 可使网状渗碳体变成黑色。a）亚共析钢b）共析钢c）含碳量为1.2%的过共析钢白口铸铁的组织

5、有亚共晶、共晶和过共晶三种。图a）是亚共晶白口铁，黑色的为原奥氏体枝晶形成的珠光体，枝晶间为莱氏 体共晶，白色的渗碳体为基体。图b）是共晶白口铁，组织是莱氏体共晶，黑色李壮为珠光体，白色基体为渗 碳体。图c）是过共晶白口铁，黑色粗大片状为一次渗碳体，而其余部分则为莱氏体 共晶。a）亚共晶白口铁图b）共晶白口铁图c）过共晶白口铁课堂所绘组织图见附录，并与标准组织图进行对比观察。五、思考题1 怎样鉴别0.7 t%C合金的网状铁素体和1.3w t%C合金的网状渗碳体？答: 网状铁素体或网状渗碳体最简便的方法用化学试剂侵蚀法：碱性苦味酸钠水 溶液，将被测试样浸入其中煮沸 5min 左右，取出水冲干净并

6、吹干，若白色网变 为黑色或更深的黑色，则确定为渗碳体，若其颜色不变仍呈白色（不受浸蚀）为 铁素体相。2冷却速度对组织形貌和相对量有无影响？并举例说明。 答：冷却速度影响铸铁的石墨化,快的冷却速度则为白口化,慢的冷却速度则为石 墨化。铸铁的冷却速度主要决定于铸件的的壁厚和铸型的材料。3讨论各类铸铁在组织上（基体组成，石墨形态）有何不同？组织对性能的影 响。答：根据基本显微组织和力学性能，铸铁可以分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸 铁、球墨铸铁和合金铸铁等。1）白口铸铁 在室温下白口铸铁中的碳呈Fe3C化合物状态存在，其断面为银白 色。性质很脆，不能锻造，不能进行切削加工，可制造承受强烈挤压和磨损的零

7、 件，如拉丝模、球磨机、轧辊等。根据室温下组织的不同，白口铸铁可分为以下 三类：a）亚共晶白口铸铁 碳的质量分数为2.11%-4.3%,其组织是珠光体，二次渗碳 体与莱氏体b）共晶白口铸铁 碳的质量分数为4.3%，其组织是莱氏体c）过共晶白口铸铁 碳的质量分数大于4.3%，其组织为一次渗碳体和莱氏体2） 合金铸铁 所谓合金铸铁是在普通铸铁内有意识地加入一些合金元素，如镍、 铬、锰、钛等配制而成的铸铁。加入的合金元素可改善热处理组织，从而提高基 体强度和耐磨性，因此应用较广。3）球墨铸铁 碳的质量分数为3.5%-3.9%，基体组织为铁素体、珠光体。其主 要特点a.必须经过球化处理，即在铸铁液中，

8、加入球化剂（镁或镁合金），使石 墨成球状存在。b.具有很高的强度，其抗拉强度高达400MPa-600MPa。c.具有 一定的韧性和塑性，经过热处理后，其力学性能可进一步得到改善。d.球墨铸铁 主要用于制造曲轴、轴套、轧辊和齿轮等。4）可锻铸铁 碳的质量分数为 2.2%-2.8%，其基体组织为铁素体、珠光体、少 量渗碳体和微量石墨。a. 必须经过高温长时间退火，即白口铸铁在900C-1000C下经2-9d退火处理而 成b. 具有较高的韧性和塑性，但因含碳和含硅量高，因此并不能锻造c. 可锻铸铁中，石墨呈团絮状存在，综合力学性能较好，可制造形状复杂的零件， 如管子接头、大炮上的零件5）灰铸铁 灰铸

9、铁碳的质量分数为2.7%-3.6%，其基体组织分为铁素体、珠光 体、及珠光体+铁素体，其主要特点如下：a. 铸铁组织中的石墨以片状形式存在，其断面成暗灰色b. 熔点低，流动性好，冷却凝固时收缩量小，具有优良的铸造性能c. 抗拉强度小，容易拉断，塑性差，不宜进行压力加工d. 硬度低，性质娇软，容易切削，主要用于制造机架、床身、轴承盖、减速箱等4. 如何改变灰口铸铁的性能？ 答：（1）消除内应力退火当铸件形状复杂，厚薄不均时，由于浇注后冷却过程中各部位的冷却速度不 同，往往在铸件内部产生很大的应力。它不仅削弱了铸件的强度，而且在随后的 切削加工之后，由于应力的重新分布而引起变形，甚至开裂。因此，对

10、精度要求 较高或大型、复杂的铸件（如机床床身、机架等）在切削加工之前，都要进行一 次消除内应力的退火，有时甚至在粗加工之后还要进行一次。消除内应力退火通 常是将铸件缓慢加热到500-560C,保温一段时间（每10毫米截面保温一小时）， 然后以极缓慢的速度随炉冷至150-200C后出炉。此时，铸件的内应力基本上被 消除。应当指出，若退火温度超过560C或保温时间过长，会引起石墨化，使铸 件的强度与硬度降低，是不适宜的。（2）消除部分白口的软化退火铸件冷凝时，在表面或某些薄壁处，由于冷却速度较快，很容易出现白口组 织，使铸件的硬度和脆性增加，造成切削加工的困难和使用时易剥落。此时就必 须将铸件加热

11、到共析温度以上，进行消除白口的软化退火。消除白口的软化退火， 一般是把铸件加热到850-950C，保温1-3小时，使共晶渗碳体发生分解，即进 行第一阶段石墨化，然后又在随炉缓慢冷却过程中使二次渗碳体及共析渗碳体发 生分解，即进行中间和第二阶段石墨化，待随炉缓冷到500-400C时，再出炉空 冷，这样就可获得铁素体或铁素体+珠光体基体的灰口铸铁，从而降低了铸件的 硬度，改善了切削加工性。若采用较快的冷却速度，使铸件不发生第二阶段石墨 化，则最终就获得珠光体基体的灰口铸铁，增加了铸件的强度和耐磨性。（3）表面淬火表面淬火的目的是提高灰口铸铁件的表面硬度和耐磨性。表面淬火的方法有 高频感应加热表面淬

12、火、火焰加热表面淬火及接触电热表面淬火等。 感应加热表面淬火原理：把工件放入由空心铜管绕成的感应器（线圈）中，感应器中通入一定频率 的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流。 火焰加热表面淬火它是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。常用的火焰为乙炔-氧火焰（最高温 度3200C ）或煤气-氧火焰（最高温度2000C）。高温火焰将工件表面快速加热 到淬火温度，再随即喷水快速冷却。 电热表面淬火原理：用一个电极与欲淬工件表面紧密接触，形成回路，通以低压（2-5V）大电 流（400-750A ）的交流电，以产生的电阻热将工件加热至淬火温度。六、实验总结通过本次实验我进一步熟悉铁碳合金相图中的相关知识，了解了各相和组织组 成以及它们的金相形貌特征，比如珠光体、铁素体、渗碳体、莱氏体等。 同时 还亲自观察到了共晶、亚共晶、过共晶白口铸铁的显微组织特征并了解到碳含量 对各相及组织组成物的形貌和相对量的影响，不仅巩固了课堂上所学到的知识， 而且还锻炼了自己观察并动手画出组织的能力，这对以后的学习和工作也奠定了 一定的基础。通过动手绘制的组织图与标准组织图进行对比，让我明白了绘画组 织图需要一定的技巧，更需要相关的知识，在此基础上才能进一步提高对材料这 一学科的认识。