铁碳合金相图及平衡组织分析

实验三铁碳合金相图及平衡组织分析

一、实验目的

1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；

2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，建立Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系

3.了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律

4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备

二、实验原理

通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。

按组织分区的Fe-Fe3C相图

（一）铁碳合金中的几种基本相和组织

（1）铁素体（F）。它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。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的多边形晶粒。亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。

（2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量

为6.69%。用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。

（3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。因此，铁素体后，渗碳体薄。硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。

1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。

2）球状珠光体，其组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈现暗黑色。

），室温时是珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合（4）莱氏体（L

d

物，它是碳含量为4.3%的液态共晶白口铁在1148o C发生共晶反应所形成的共晶体（奥氏体和共晶体渗碳体），其中奥氏体在继续冷却时析出二次渗碳体，在727o C以下分解为珠光体。因此，莱氏体的显微组织特征实在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着黑色半点或者细条状的珠光体。

（二）、铁碳合金在室温下的显微组织特征

（1）工业纯铁。碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，它为两相组织，即有铁素体和三次渗碳体组成。图2所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条为铁素体的晶界，亮白色基体是铁素体的多边形状等轴晶粒。

图2 工业纯铁显微组织图3 亚共析（45号）钢的显微组织（2）碳钢

1）亚共析钢，碳含量在0.0218%-0.77%范围内的铁碳合金，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，珠光体的数量则相应的增加，图3所示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。

2）共析钢，碳含量为0.77%的铁碳合金，其显微组织由单一的共析珠光体组成，如图4所示。

图4 共析钢的显微组织

3）过共析钢，碳含量在0.77%-2.11%之间的铁碳合金，其组织由先共析渗碳体（即二次渗碳体）和珠光体组成钢中碳含量越多，二次渗碳体数量就越多，图5所示为碳含量1.2%的过共析钢的显微组织，经4%硝酸酒精浸蚀后珠光体呈现暗黑色，而二次渗碳体则呈现白色网状（图5a），若用煮沸的苦味酸钠溶液来寝蚀，二次渗碳体被染成黑色网状，而铁素体仍为亮白色（图5b）。

图5过共析（T12）钢的显微组织，（a）浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液；（b）浸蚀剂为碱性

苦味酸钠溶液

（3）白口铸铁，碳含量大于 2.11%的铁碳合金称为白口铸铁，其中碳以渗碳体的形式存在，断口呈现亮白色而得名。

1）亚共晶白口铸铁，碳含量小于4.3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁，在室温下亚共晶白口铸铁的组织为：珠光体+二次渗碳体+莱氏体，如图6所示。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现黑色枝晶的珠光体和斑点状莱氏体，其中二次渗碳体与共

晶渗碳体混合在一起，不容易分辨出来。

图6亚共晶白口铁铸铁显微组织

2）共晶白口铸铁，共晶白口铸铁的碳含量为4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成，经4%硝酸酒精浸蚀后，在显微镜下珠光体呈现黑色细条和斑点状，共晶渗碳体呈现亮白色，如图7所示。

图7 共晶白口铸铁显微组织图8 过共晶白口铸铁显微组织

3）过共晶白口铸铁，碳含量大于4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到带有黑色斑点的莱氏体基体上分布着亮白色的粗大条状的一次渗碳体，其显微组织如图8所示。

三、实验设备及材料

（1）金相显微镜

（2）碳钢（亚共析钢、共析钢、过共析钢）试样

（3）白口铸铁（亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）试样

四、实验内容与方法

（1）按照表1的要求制备试样，并观察各试样的纤维组织特征。

（2）根据Fe-C、Fe-FeC双重相图，详细分析各试样的纤维组织。

五、实验数据处理

（1）画出所观察样品的纤维组织示意图，注明合金成分、状态、放大倍数及各组织组成物的名称，并在组织图上用箭头标明组成物和组织组成物的名称。

（2）画出Fe-C相图，并以所观察的任一样品为例，分析其结晶过程。

（3）根据观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能的影响规律。