铁碳合金的显微组织及分析实验报告

铁碳合金的显微组织及分析实验 铁碳合金的显微组织及分析实验报告摘要:依据铁碳相图分析了不同成分铁碳合金及其形貌特征解释了如何鉴别细网状铁素体和网状渗碳体， 冷却速度对组织形貌和相对量有无影响，各类铸铁的组织对性能有何影响等问题。关键词:铁碳合金 组织形貌 铁碳相图1 实验设备与材料 的共晶体，其含碳量为 ωc,4.3,。当 光学显微镜， 标准试验样品若干 温度高于 727?时， 莱氏体由奥氏体和2 实验原理 渗碳体组成，用符号 Ld 表示。在低于2.1 铁碳相图 727?时，莱氏体是由珠光体和渗碳体 组成，用符号 Ld’表示，称为变态莱氏 体。 渗碳体:Fe 和 C 形成的 化合物 2.3 含碳量不同情况下的析出相及其 组织形貌。 根据组织特点及含碳量的不同， 铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁 三大类。钢又可根据含碳量分为亚共 析钢、共析钢、过共析钢;铸铁根据2.2 铁碳组织组成物 含碳量也可分为亚共晶白口铁、共晶铁素体:碳在体心立方铁中的固溶体 白口铁、过共晶白口铁。δ–Fe(C)和 α‐Fe(C)，通常也成 δ ?工业纯铁铁素体和 α 铁素体。 纯铁在室温下具有单相铁素体组奥氏体 :碳在面心立方铁的固溶体 织。含碳量,0. 02 的铁碳合金通常γ‐ C) 称为工业纯铁，它为两相组织，即由珠光体:奥氏体从高温缓慢冷却时发生 Fe( 铁素体和极少量的三次渗碳体组成。共析转变所形成的，其立体形态为铁 显微组织中的黑色线条是铁素体的晶素体薄层和碳化物包括渗碳体薄层 界，亮白色的基底是铁素体的不规则交替重叠的层状复相物。广义则包括 等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不过冷奥氏体发生珠光体转变所形成的 连续的薄片状三次渗碳体。层状复相 亚共析钢渗碳体占 12由于铁素体的数量大大 亚 物。 在珠光体中铁素体占 88 ? 共 析 钢 的 含 碳量 在 0.02 ,多于渗碳体所以铁素体层片要比渗碳 0.77范围内， 其显微组织是由铁素体体厚得多.在球化退火条件下珠光体 和珠光体组成。 4的硝酸酒精浸蚀 用中的渗碳体也可呈粒状这样的珠光体 后，铁素体为亮白色，珠光体为暗黑称为粒状珠光体。 色。 随着含碳量的增加，组织中的铁 素体量逐渐减少，而珠光体的量不断 增加;当含碳量大于 0.60时，铁素 体由块状变成网状分布在珠光体的周 围。根据含碳量，可以由杠杆定律求莱氏体:莱氏体是液态铁碳合金发生共 得铁素体和珠光体的相对量。另外，晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成 由显微镜中观察铁素体和珠光体各自所占面积的百分数，可近似地计算出 1.白口铸铁 碳除少数溶于铁素体钢的含碳量，即，碳含量?P×0.77， 外，其余的碳都以渗碳体的形式存在其中 P 为珠光体所占面积百分数。 于铸铁中，其断口呈银白色，故称白?共析钢 口铸铁。目前白口铸铁主要用作炼钢 含碳量为 0.77的碳钢称为共析 原料和生产可锻铸铁的毛坯。钢，它由单一的珠光体组成。 2.灰口铸铁 碳全部或大部分以片?过共析钢 状石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰 过 共 析 钢 的 含 碳量 在 0.77 , 色，故称灰口铸铁。2.11， 它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多， 3.麻口铸铁 碳一部分以石墨形式二次渗碳体数量就越多。经硝酸酒精 存在，类似灰口铸铁;另一部分以自浸蚀后，二次渗碳体呈亮白色网分布 由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。在珠光体的周围。 断口中呈黑白相间的麻点，故称麻口?亚共晶白口铸铁 铸铁。这类铸铁也具有较大硬脆性， 含碳量是 2.11,4.3，在室温 故工业上也很少应用。下的组织由珠光体、 二次渗碳体和变 根据铸铁中石墨形态不同，铸铁态莱氏体所组成。经硝酸酒精浸蚀后， 可分为组织呈现:暗黑色的树枝状的珠光体 1.灰口铸铁 铸铁中石墨呈片状存(枝晶态)和斑点状变态莱氏体，二 在。次渗碳体的空间位置是在珠光体的周围，但形态上与 共晶渗碳体无法区分。 2.可锻铸铁 铸铁中石墨呈团絮状?共晶白口铸铁 存在。它是由一定成分的白口铸铁经 含碳量为 4.3，室温下的组织由 高温长时间退火后获得的。其机械性单一的变态莱氏体组成。经浸蚀后， 能(特别是韧性和塑性)较灰口铸铁显微组织为暗黑色粒状或条状珠光体 高，故习惯上称为可锻铸铁。分布在亮白色的渗碳体的基底上。有 3.球墨铸铁 铸铁中石墨呈球状存时通俗地称为“斑点组织”。 在。它是在铁水浇注前经球化处理后?过共晶白口铁 获得的。这类铸铁不仅机械性能比灰 含碳量为 4.3,6.69， 在室温下 口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可的组织是一次渗碳体和变态莱氏体。 锻铸铁简单，而且还可以通过热处理经浸蚀后，一次渗碳体呈亮白色的粗 进一步提高其机械性能，所以它在生大条片状分布于斑点状的变态莱氏体 产中的应用日益广泛的基底上。2.4 铸铁的分类及分类标准 根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为 铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织 名 称 石 墨 化 程 度 显微组织 第一阶段 第二阶段 第三阶段 充分进行 充分进行 充分进行 F，G 灰口铸铁 充分进行 充分进行 部分进行 F，P，G 充分 不进行 P，G 麻口铸铁 部分进行 部分进行 不进行 Le，P，G 进行 充分进行 白口铸铁 不进行 不进行 不进行 Le，P，Fe3C2.5 金相侵蚀原理及常用侵蚀剂 纯金属及单相合金的腐蚀是一个 电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微化学溶解的过程。由于晶界上原子排 小的局部电池。具有较高负电位的一 相成为阳极，被溶入电解液中而逐渐列不规则，具有较高自由能，所以晶 凹下去;具有较高正电位的另一相为界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出 阴极，保持原来的平面高度。因而在来，在显微镜下可以看到多边形的晶 显微镜下可清楚地显 示出合金的两粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向 相。不同，不同的晶面溶解速率不同，腐 常用侵蚀剂蚀 后 的显微平面与原 磨面的角 度不 硝酸酒精溶液 适用范围:碳钢及低合金钢，能清晰的同，在垂直光线照射下，反射进入物 显示铁素体晶界镜的光线不同，可看到明暗不同的晶 苦味酸酒精溶液:粒。 两相合金的腐蚀主要是一个电化 适用范围:碳钢及低合金钢，能清晰学腐蚀过程。两个组成相具有不同的 的显示珠光体和碳化3 实验过程观察如下合金的显微组织图并画出示意图序号 类别 合金牌号 浸蚀剂 1 工业纯铁 4硝酸酒精溶液 2 20 4硝酸酒精溶液 3 亚共析钢 45 4硝酸酒精溶液 4 60 4硝酸酒精溶液 5 共析钢 T8 4硝酸酒精溶液 T12 4硝酸酒精溶液 6 过共析钢 T12 碱性苦味酸溶液 7 亚共晶白口铸铁 4硝酸酒精溶液 8 共晶白口铸铁 4硝酸酒精溶液 9 过共晶白口铸铁 4硝酸酒精溶液4 实验结果及讨论1 α‐Fe 显微组织图 3 45 钢显微组织图 热处理:退火态 显微组织:α‐固溶体 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液 原放大倍数:400 倍凝固过程:Wc?0. 0218 的奥氏体 缓冷至 GS 线对应的温度时 开始从奥氏体中析出铁素体.随着温度的下降 由于铁素体的不断析出 奥氏体的含碳量逐渐增多.铁素体和奥氏体的 热处理:退火态含碳量分别沿 GP 线和 GS 显微组织:α‐铁素体珠光体线变化冷至 GP 线 奥氏体全部转化 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液为铁素体. 原放大倍数:400 倍2 20 钢显微组织图 说明:黑色部分为珠光体，白色部分 为铁素体。由于放大倍数不够，珠光 体片层结构不明显。 凝固过程:Wc?0.45的奥氏体 缓 冷至 GS 线对应的温度时 开始从奥 氏体中析出铁素体.随着温度的下降 与铁素体的不断析出 奥氏体的含碳 量逐渐增多.铁素体和奥氏体的含碳量 分别沿 GP 线和 GS 线变化 冷至 热处理:退火态 PS K 线对应的温度727 ?时 奥氏 显微组织:α‐铁素体珠光体 体发生共析转变 生成珠光体. 当冷 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液 至 PS K 线对应 温 度 时 发生共 原放大倍数:400 倍 析转变 生成珠光体.。由杠杆原理知， 铁素体含量约为 42.0。说明:黑色部?治 楣馓澹 咨 糠治 靥濉,捎诜糯蟊妒 还唬 楣?4 60 钢显微组织图体片层结构不明显。凝固过程:Wc?0.20的奥氏体 缓冷至 GS 线对应的温度时 开始从奥氏体中析出铁素体.随着温度的下降与铁素体的不断析出 奥氏体的含碳量逐渐增多.铁素体和奥氏体的含碳量分别沿 GP 线和 GS 线变化 冷至PS K 线对应的温度727 ?时 奥氏体发生共析转变 生成珠光体. 当冷至 PS K 线对应 温 度 时 发生共 热处理:退火态析转变 生成珠光体.。由杠杆原理知， 显微组织:α‐铁素体珠光体铁素体含量约为 75.9。 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液 原放大倍数:400 倍说明:黑色部分为珠光体，白色部分为铁素体。由于放大倍数不够，珠光体片层结构不明显。凝固过程:Wc?0.45的奥氏体 缓冷至 GS 线对应的温度时 开始从奥氏体中析出铁素体.随着温度的下降 热处理:退火态与铁素体的不断析出 奥氏体的含碳 显微组织:珠光体量逐渐增多.铁素体和奥氏体的含碳量 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液分 GS 线变化 冷至 原放大倍数:400 倍PS K 线对应的温度727 ?时 别沿 GP 线和 奥氏体发生共析转变 生成珠光体. 当冷 说明:图中片层状结构为珠光体，白至 PS K 线对应 温 度 时 发生共 色线为晶界析转变 生成珠光体.。由杠杆原理知， 凝固过程:Wc?1.2的奥氏体 缓冷铁素体含量约为 25.7。 至 ES 线对应的温度时 奥氏体中的 含碳量达到饱和而开始析出二次渗碳 体.随着温度的下降 二次渗碳体不 致使奥氏体的含碳量逐渐减少 奥氏体的含碳量沿 ES 线变化.当冷5 T8 断 析出 钢 却到 PS K 线对应的温度时奥氏体碳 质量分数减至 0. 77 发生共析转 变 生成珠光体。由于硝酸酒精溶液侵 蚀，显示出白色晶界。 7 T12 钢 热处理:退火态 显微组织:珠光体 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液 原放大倍数:400 倍说明:从图中可以看出珠光体片层结 热处理:退火态构 显微组织:珠光体凝固过程:Wc 0. 76 的奥氏体缓 侵蚀条件:碱性苦味酸溶液冷至 S 点对应的温度727 ? 时奥 原放大倍数:400 倍氏体发生共析转变生成珠光体. 说明:图中黑线为晶界6 T12 钢 凝固过程:Wc?1.2的奥氏体 缓冷 至 ES 线对应的温度时 奥氏体中的 含碳量达到饱和而开始析出二次渗碳 体.随着温度的下降 二次渗碳体不断析出 致使奥氏体的含碳量逐渐减少 体 再 冷 至 PS K 线 对 应 的 温 度奥氏体的含碳量沿 ES 线变化.当冷 727 ?时 高温莱氏体转变为低温却到 PS K 线对应的温度时奥氏体碳 莱氏体.质量分数减至 0. 77 发生共析转变 生成珠光体。由于碱性苦味酸染 9 共晶白口铁色，图中只显示出晶界。8 亚共晶白口铁 热处理:退火态 显微组织:珠光体低温莱氏 体 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液 原放大倍数:400 倍 说明:变态莱氏体中白色基体为渗碳 热处理:退火态 体(共晶渗碳体和二次渗碳体)，黑 显微组织:珠光体低温莱氏 色圆粒及条状为珠光体 体 凝固过程: Wc 4. 3 的液态合金 侵蚀条件:碱性苦味酸溶液 具有从 L 直接结晶出奥氏体 的能 原放大倍数:400 倍 力 又具有从 L 直接结晶出 Fe3C 的 能力 生成高温莱氏体.继续冷却 莱说明:基体为黑白相间分布的变态莱 氏体中的奥氏体将不断析出二次渗碳氏体，黑色树枝状为初晶奥氏体转变 体 奥氏体的成分沿 ES 线变化.冷至成的珠光体，白色为二次渗碳体与共 PS K 线对应的温度727 ?时 奥氏晶渗碳体连在一起，不易分辨。 体的含碳量为 0. 77 发生共析转 11凝固过程: lt Wc lt 4. 3 的液态 变 生成珠光体 高温莱氏体转变为合金 由液体缓冷到 A C 线对应的温 低温莱氏体.度时 从液相 中开始结晶出奥氏体.随 10 过共晶白口铁温度的降低 不断结晶出奥氏体 其成分沿固相线 A E 线变化液相的成分沿液相线 A C 线变化.冷至 ECF线对应的温度1 148 ?时 奥氏体中 Wc 2. 11 在随后的冷却过程中奥氏体析出二次渗碳体 其成分沿ES 线变化.冷至 PS K 线对应的温度727 ?时 发生共析转变 生成珠光体. 液相冷至 ECF 线对应的温度1148 ?时 达到共 晶点 Wc 4. 热处理:退火态3 发生共晶转变 生成高温莱氏 显微组织:一次渗碳体低温 莱氏体 侵蚀条件:4硝酸酒精溶液 原放大倍数:400 倍 织的面积分数低于非磁场热处理试样 中的珠光体组织的面积分数，而且随 冷却速度降低这种差别愈加明显.说明:基体为黑白相间的变态莱氏体，白色板条部分为一次渗碳体凝固过程: Wc gt 4. 3 的铁碳合金 由液体缓冷到 CD 线对应的温度时 从液相中开始结晶出一次渗碳体.冷至ECF 线对应的温度1 148 ?时 剩余液相成分达到共晶点成分 Wc 4.3 发生共晶转变 生成高温莱氏体 再 冷 至 PS K 线 对 应 的 温 度727 ?时 高温莱氏体转变为低温莱氏体.5 思考题5.1 怎样鉴别 0.7wtC 合金的网状铁 5.3 铸铁的组织对性能的影响。素体和 1.3wtC 合金的网状渗碳体。 铸铁各类组织的力学性能如下: 1 化学试剂侵蚀法:在碱性苦味酸 铁素体性能:铁素体的力学性能特点钠水溶液中，将被测试样浸入其中煮 是塑性、韧性好，而强度、硬度低。沸 5min 左右，取出水冲干净并吹干， (δ3050，AKU128160J)若白色网变为黑色或更深的黑色，则 σb180280MPa，5080HBS)。确定为碳化物，若其颜色不变仍呈白 奥氏体性能:具有一定的强度和硬色(不受浸蚀)为铁素体相。 度(σb400 MPa，170220HBS)，塑 2 硬度法:已知铁素体的硬度为 .