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1、实验A 铁碳合金平衡组织分析实验二 铁碳合金平衡组织分析 1实验目的 1)通过观察和分析，熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织，熟悉金相显微镜的使用； 2)了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征； 3)分析并掌握平衡状态下铁碳合金的组织和性能之间的关系。 2概述 碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系，因此熟悉掌握它们的组织，对于合理使用钢铁材料具有十分重要的实际指导意义。 1)碳钢和白口铸铁的平衡组织 平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据FeFe3C相图来分析。从相图可知，所有碳钢
2、和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)所组成。但是，由于碳含量的不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表31。 (1)工业纯铁室温时的平衡组织为铁素体(F)，F为白色块状(图3-1)。 (2)亚共析钢室温时的平衡组织为铁素体(F)+珠光体(P)，F呈白色块状，P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状(图3-2)。碳质量分数大于0.6的亚共析钢，室温平衡组织中的F呈白色网状包围在P周围(图3-3)。 (3)共析钢室温时的平衡组织是珠光体(P)，其组成相是F和Fe3C(
3、图3-4、图3-5)。 (4)过共析钢一一室温时的平衡组织为Fe3C+P。在显微镜下，Fe3C呈网状分布在层片状P周围(图36)。 (5)亚共晶白口铸铁室温时的平衡组织为P+ Fe3C+Le。网状分Fe3C布在粗大块状的P的周围，Le则由条状或粒状P和Fe3C基体组成(图3-7)。 1 2 (6)共晶白口铸铁室温时的平衡组织为Le，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成(图3-8)。 (7)过共晶白口铸铁室温时的平衡组织为Fe3CI+Le，Fe3CI呈长条状，Le则由条状或粒状P和Fe3C基体组成(图3-9)。 2)各种组成相或组织组成物的特征 (1)铁素体(F)是碳溶于a-Fe的固溶体。铁
4、素体为体心立方晶格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低，一般为80HB120HB，经35硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白色晶粒，见工业纯铁的组织(图3-1)。亚共析钢中，随着钢中碳质量分数的增加，珠光体量增加而铁素体量减少。铁素体量较多时，呈块状分布(图3-2)。当钢中碳质量分数接近共析成分时，铁素体往往呈断续的网状，分布于珠光体的周围(图3-3)。 (2)渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的化合物(Fe3C)，它的碳质量分数为6.69，抗浸蚀能力较强。经35硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色(图3-4)。 一次渗碳体(Fe3CI)是直接从液体中析出的，呈长白条状，分布在莱氏体中；3 二次渗碳体(Fe3
5、C)是由奥氏体(A)中析出的，数量较少，皆沿奥氏体晶界析出，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。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。 渗碳体的硬度很高，可达800HB以上，它是一种硬而脆的相，强度和塑性都很差。 (3)珠光体(P)是铁素体和渗碳体的共析机械混合物，它是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。经3-5硝酸酒精溶液浸蚀后，试样磨面上的条状铁素体和渗碳体因边界被浸蚀呈黑色线条，在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不太一样的特征。 在600倍以上的高倍显微镜下观察时，每个珠光体团中是平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体，它们都呈白亮色，而其
6、边界呈黑色(图3-5)。 在400倍左右的中倍显微镜下观察时，白亮的渗碳体细条被两边黑色的边界线所“吞食”，而变成为黑条，这时所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(图3-4)。 在200倍以下的低倍显微镜下观察时，由于显微镜的鉴别率较低，宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时的珠光体是一片暗黑，成为黑块的组织。图3-2中的黑块即是珠光体组织。 (4)莱氏体(Le)是一个两相组织。在727C以上是奥氏体和渗碳体的机械混合物在727C时，莱氏体中奥氏体发生共析反应而变成珠光体，所以在室温时莱氏体组织是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种
7、渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨开。经3-5硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基本上分布着许多黑色点(块)状或条状的珠光体(图3-7)。 莱氏体硬度很高，达700HB，性脆。它一般存在于碳质量分数大于2.11的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常有出现。 在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色粗树枝状的珠光体所分割，而且可看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体(图3-8)。在过共晶白口铸铁中，莱氏体被粗大的白色长条状的一次渗碳体所分割(图3-9)。 3)铁素体与渗碳体的区别 铁碳合金平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。F和Fe3C经3-5硝酸酒精溶液浸蚀后均呈白亮色
8、，有时为了区别晶界网状是铁素体还是渗碳体，可用碱性苦味酸钠水溶液(2g苦味酸、25g氢氧化纳、100ml水)煮沸15min，渗碳体被染成黑色，铁素体仍为白色(图3-10)，这样就可区别F和Fe3C。 4)亚共析钢碳的质量分数的估算 亚共析钢的碳的质量分数在0.0218-0.77范围内，平衡状态下组织为铁素体和珠光体，随着碳质量分数的增加，铁素体的数量逐渐减少，珠光体的数量则相应地增多，两者的质量分数可由杠杆定律求得。例如，碳的质量分数为0.45的钢(45钢)，其珠光体、铁素体的质量分数分别为 W(P)=0.45/0.77100%=56% W(F)=(0.77-0.45)/0.77100%=44
9、 反过来，因珠光体、铁素体和渗碳体的密度相近，也可以通过在显微镜下观察到的珠光体和铁素体各自所占面积的百分数近似地计算出钢的碳质量分数。例如，在显微镜下观察到约有50的面积为珠光体，50的面积为铁素体，则此钢的碳的质量分数为w(C)500.770.4，即此钢相当于40钢(铁素体在4 室温下碳含量极微，可忽略不计)。 3实验内容 1)观察表3-2中所列样品的显微组织，研究每一个样品的组织特征，并联系铁碳相图分析其组织形成过程。 2)用铅笔绘出所观察样品的显微组织示意图。画图时要抓住各种组织组成物形态的特征，并用箭头和代表符号标出各组织组成物。 3)分析一个未知试样。指出它是何种钢，是什么组织，用杠杆定律估算出大致的碳质量含量，根据相图形状和性能的对应规律求出大致的硬度(HB)。 4实验报告要求 1)写出实验目的。 2)画出所观察样品的显微组织示意图(用箭头和代表符号标明各组织组成物，并注明样品成分、浸蚀剂和放大倍数)。 3)根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。 4)根据杠杆定律确定(或估算)未知样品的碳的质量分数和大致硬度(HB)。 5思考题 1)珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同?为什么? 2)渗碳体有哪几种?它们的形态有什么差别? 5
