铁碳合金平衡组织观察.pdf

实验二 铁碳合金 平衡组织 观察 一 、 实验目的 1. 了解金相样品的制备及腐蚀过程 ； 2. 了解金相显微镜的构造 、 成像原理 ， 学习金相显微镜的使用方法 ； 3. 了解铁碳合金在平衡状态下高温到室温的组织转变过程 ； 4. 分析铁碳合金平衡状态室温下的组织形貌 ； 5 ． 加深对铁碳合金的成分 、 组织和性能之间关系的理解 6 ． 画出常用铁碳合金的组织形貌 二 、 实验设备及材料 1. 光学金相显微镜 ； 2. 工业纯铁铁素体 、 T 8 钢珠光体显微组织试样 ； 3. 试样切割机 、 砂轮机 、 预磨机 ， 抛光机 、 抛光粉 ； 不 同型号的金相砂纸 ； 低碳钢 、 45 钢试样等 ； 4. 3% 硝酸酒精溶液 ， 苦味酸酒精溶液 ， 酒精 ， 棉花 ， 吹风机等 三 、 原理 碳钢合金的显微组 织是研究钢铁材料性能的基础 碳钢合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下 （ 如退火状态 ） 所得到的组织 ， 其相变过程均按 相图进行 ， 因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织 如图 1 所示 ， 含碳量小于 2.11 ％ 的合金为碳钢 ， 含碳量大于 2.11 ％ 的合金为白口铸铁 。

所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体 （ Fe ） 和渗碳体 （ Fe3C ）这两个基 本相所组成 只是因含碳量不同 ， 铁素体和渗碳体的相对数量及分布形态有所不同 ， 因而呈不同的组织形态 图 1 简化 后的 F e - F e 3 C 状 态图 1 、 碳钢和白口的基本 组织 （ 1 ） 铁素体 (F) 是 碳在铁中的固溶体 铁素体为体心立方格 具有磁性及良好的塑 性 ， 硬 度较 低 用 3 ％ ～ 4 ％ 硝酸 酒 精溶 液浸蚀 后 ， 在 显微镜 下 呈现明 亮色的多边形晶粒 （ 2 ） 渗碳体 （ Fe3C ） 是铁与碳形成的一种化合物 ， 含碳量为 6.69 ％ 用 3 ％～4 ％ 硝酸酒精溶液浸蚀后 ， 渗碳体呈亮白色 ， 若用苦味酸钠溶液浸蚀 ， 则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色 （ 3 ） 珠光体 (P) 是铁素体和渗碳体的机械混合物 ， 其组织是共析转变的产物 由杠杆 定律可 以求 得铁 素体与 渗碳体 的含量 比 为 8 ︰ 1 因 此 ， 铁 素体 厚 ， 渗 碳体薄 （ 4 ） 莱氏体 （ Ld ） 奥氏体和渗碳体的共晶混合物 ， 其中奥氏体在继续冷却时析出二次渗碳体 ， 在 727℃ 以下分解为珠光 体 。

2 、 铁碳体合 金室温下 显微组织 （ 1 ） 工业纯铁 含 碳量 ﹤ 0.0218 ％， 其显微组织为铁素体 （ 2 ） 碳钢 ① 共析钢 含钢量为 0.77 ％ 其显微组织由单一地珠光体组成 如图 2 所示 ② 亚共 析钢 含 钢 量在 0.0218 ％～ 0.7 7 ％ 范围内 的碳 钢合 金其 组 织由先 共析铁素体 和珠光 体所 组成 ， 随着 含碳量 的增 加 ， 铁素体 的数量 逐渐 减少 ， 而珠 光体的数量则相应地增多 ， 图 3 、 图 4 为亚共析钢的显微组织 ， 其中亮白色为铁素体 ，暗黑色为珠光体 ③ 过共 析钢 含 碳 量在 0.77 ％ 与 2.1 1 ％ 之 间 其 组织 由珠 光体 和 先共析 渗 碳体 （ 即二次渗碳体 ） 组 成 钢中含碳量越多 ， 二次渗碳体数量就越多 图 5 为含碳量 1.2 ％ 的过共析钢的显微组织 组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体 ， 经浸蚀后珠光体成暗黑色 ， 而二次渗碳体则呈白色网络状 图 2 共析钢室温显微组织（ 500× ） 图 3 20 钢室温显微组织 （ 250× ） 图 4 60 钢室温显微组织（ 250× ） 图 5 过共析钢 ( 1.2 ％ C ) 室温显微组织 （ 3 ） 白口铸铁含碳量大于 2.11 ％ 的铁碳合金 。

其中的碳以渗碳体的形式存在 ，断口成亮白色而得此名 ① 亚共晶白口铸铁 含碳量 ﹤ 4.3 ％， 在室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体 、 二次渗碳体和莱氏体 ， 如图 6 所示 用硝酸酒精溶液浸蚀后 ， 在显微镜下呈现黑色枝 晶状的 珠光 体 和 斑点状 莱氏体 ， 其 中二 次渗碳 体与共 晶渗 碳体 混在一 起 ，不易分辨 ② 共 晶 白 口 铸 铁 含 碳 量 为 4.3 ％ ， 其 室 温 下 的 组 织 由 单 一 的 共 晶 莱 氏 体 组成 经 浸蚀后 ， 在 显微 镜下 ， 珠光体 呈暗 黑色 细条或 斑点状 ， 共 晶渗 碳体呈 亮白色 ， 如图 7 所示 ③ 过共晶白口铸铁 含碳量 ﹥ 4.3 ％， 在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成 用硝酸 酒精 溶液 浸蚀后 ， 在显 微镜 下可 观察到 在暗色 斑点 状的 莱氏体 基本上分布着亮白色的粗大条片状的一次渗碳体 ， 其显微组织如图 8 所示 图 6 亚共晶白口铁室温 显微组织 （ 250× ） 图 7 共晶白口铁室温 显微组织 （ 250× ） 图 8 过共晶白口铁室温 显微组织 250× ） （ 一 ） 组织 特征 显微组织 特征是 指 晶粒 、 相 、 组织 的形状 、 大小 、 数量和 分布 。

对于纯金属来说 ， 指的是晶粒的形态 、 大小和分布 ， 对于合金来说还要研究相和组织特征 铁碳合金 的平衡 组 织是研究 和分析 钢铁材 料的基础 ， 所谓 平衡状 态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下 （ 如退火状态即 接近平衡状态 ） 所得到的组织 铁碳合金的平衡组织主要指碳钢和白口铸铁组织 所有碳钢 和白 口铸 铁的室温 组织 均由铁 素 体 （ F ） 和渗碳 体 （ Fe3 C ） 这两个基本相所 组织 但由于 含碳量不 同 ， 铁 素体 （ F ） 和渗 碳体 （ Fe2 C ） 相对数量 、析出条件以及分布情况均有所不同 ， 因为呈现各种不同的组织形态 在金相显微镜下平衡组织一般有下面几种基本组成物 （ 1 ） 铁素体 （ F ） —— 是碳 α — F e 中的固溶体 铁素体为体心立方晶格 、 具有磁性 及良 好塑 性 ， 硬度 低 用 4 % 硝 酸 酒精 溶液 浸蚀 后 ， 在显 微镜 下呈 现明亮的等轴晶粒 ， 亚共折钢中铁素体呈块状分布 ， 当含碳量接近于共折成分时 ， 铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围 （ 2 ） 渗碳体 （ F e3C ） —— 是铁与碳形成的一种化合物 ， 其碳含量为 6 . 6 9 % ， 质硬而脆 。

耐腐蚀性强 ， 经 4 % 硝酸酒清溶液浸蚀后 ， 渗碳体呈亮白色 ， 若用苦味酸钢深液浸蚀 则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色 ， 而铁素体仍为白色 由此可区别铁素体与渗碳体 按照成分和形成条件的不同 ， 渗碳体可以呈现不同的形态 一次渗碳体 （ 初生相 ） 是直接由液体中析出的 ， 故在白口铸铁中呈粗大的条片状 ：二次渗碳体 （ 次生相 ） 是从奥氏体中析出物 ， 往往呈网络状沿奥氏体晶界分布 ；共晶渗碳体是 由液体在发生共晶反应时得到的 ， 呈层片状结构 ， 与铁 素体共同构成珠光体 三次渗碳体是由铁素体中析出的 ， 通常呈不连续薄片状或粒状存在于铁素体晶界处 ， 数量极微 ， 可忽略不计 （ 3 ） 珠 光 体 （ P ） — — 是 铁 素 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 ， 在 一 般 退 火 处 理 情 况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片组织 经硝酸酒精溶液浸蚀后 ， 在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织 在高倍放大进能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体 ； 当放大倍数较低时 ， 由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度而无法分辩 ， 因此 ， 当组织 较细而放大倍数低时 ， 珠光体的片层不能分辩 ， 而呈黑色 。

（ 4 ） 莱氏体 （ L d ′ ） —— 是在室温时珠光体及二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物 含碳量 为 4 . 3 % 的共晶白口铸 铁在 1 1 4 8 ℃ 时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体 ， 其中 奥氏体冷却时析出二次渗碳体 ， 并在 7 2 7 ℃ 以 下分解为珠光体 菜氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基体上相间地分布着暗黑色班的点状或细条状的珠光体 二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起 ， 从形态上难以区分 （ 二 ） 分类 1 . 工业纯铁 （ 含碳量 ＜ 0 . 0 2 1 8 ） 室温下它为两相组织 ， 由等轴晶粒状铁素 体和少量颗粒状三次渗碳体组成 2 . 碳钢 （ 含碳量 0 . 0 2 1 8 - 2 . 1 1 % ） （ 1 ） 共折钢 （ 含碳量为 0 . 7 7 % ） 室温下它由单一的珠光体组成 珠光体可以是层片状的 ， 也可以是粒状的 其中铁互体均为连续相 层片状珠光体中渗碳体是层片状的 而粒状珠光体中渗碳体是粒状的 在硝酸酒精腐蚀下 ， 铁素体和渗碳体均不易腐蚀 ， 而在铁素体和渗碳体交界处 易腐蚀 下凹 ， 我们在显 微锏 上看到 的层片状 珠光体 是黑白 相间的平行条纹 ， 实则难以分辩铁素体和渗碳体 ， 黑的条纹是两相交界 。

粒状珠光体要经过珠化退火才能形成 （ 2 ） 亚共折钢 （ 含碳量为 ＜ 0 . 7 7 % ） 在室温下的组织为珠光体和二次渗碳体 钢中含碳量越多 ， 二次渗碳体数量就越多 二次渗碳体是先共折转变由奥氏体中析出的 ， 在奥氏体转变成珠光体后 ， 它呈网状分布在珠光体的边界上 （ 3 ） 过共折钢 （ 含碳量 ＞ 2 . 1 1 % ） 在室温下的组织为珠光体和二次渗碳体 钢中含碳量越多 ， 二次渗碳体数量就越多 二次渗碳体是先共折转为由奥氏中析出的 ， 在奥氏体转变成珠光体后 ， 它呈网状分布在珠光体的边界上 3 、 白口铸铁 （ 含碳量为 ＞ 2 . 1 1 % ） （ 1 ） 共晶白口铁 （ 含碳量为 4 . 3 % ） 在室温下为单一的共晶菜氏体 菜氏体是由珠光体以粒 状或条状均匀分布在渗碳体的连续相中 （ 2 ） 亚共晶白口铁 （ 含碳量为 4 . 3 % ） 在室温下的组织为珠光体 ， 二次渗碳体和菜氏体构成 珠光体是在共晶反应之前由液体中首先结晶出来的部分奥氏体转为来的 ， 故形状粗大 ， 呈枝晶状 或蚕卵状 （ 3 ） 过共晶白口铁 （ 含碳量 ＞ 4 . 3 % ） 在室温下的组织为一次渗碳体和菜氏体 。

一次渗碳体是直接由液体中析出的 ， 形状为粗大条片状 预 习 内容 1. 金相试样的制备过程 （ 见附录一 ） 2. 金相显微镜的成像原理 （ 见附录二 ） 3. 工 业 纯 铁 、 亚 共 析 钢 、 共 析 钢 、 过 共 析 钢 、 亚 共 晶 白 口 铸 铁 、 共 晶 白 口 铸铁和过共晶白口铸铁的平衡结晶过程 4. 铁 素 体 、 珠 光 体 、 渗 碳 体 、 莱 氏 体 组 织 的 相 组 成 、 组 织 特 征 、 性 能 特 点 以及成分范围 表 1 F e - C 合 金平衡组织 观察样品状态 序号 材料 热处理状态 放大倍数 浸蚀剂 组织及特征 1 工业纯铁 退火 400 × 3% 硝酸酒精 F （ 少量夹杂 ） ， 在显 微镜中只能见 F晶界及夹杂 2 20#退火 400 × 同上 F ( 白色晶粒 ) + P ( 黑色晶 粒 ) 3 45#退火 4 00 ×。