实验一铁碳合金平衡组织的观察与分析

实验一 铁碳合金平衡组织的观察与分析

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。建立起 3. 了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律。

平衡状态是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下完成转变的组织状态。 退火状态下的碳钢组织可以看成是平衡组织。

图1是以组织组成物表示的铁碳合金相图。

在室温下碳钢和白口铸铁的组织都是由铁素

体和渗碳体两种基本相构成。

但是由于含碳量不同、 合金相变规律的差异， 致使铁碳合金在

室温下的显微组织呈现出不同的组织类型。表 1列出各种铁碳合金在室温下的显微组织。

表织

合金分类 含碳量/% 显微组织 工业纯铁

<0.0218 铁素体（F ）

碳钢

亚共析钢

0.0218 〜0.77

F+珠光体（P ）

共析钢 0.77 P 过共析钢 0.77 〜2.11 P+二次渗碳体（C n ） 白口铸铁

亚共晶白口铸铁

2.11 〜4.3

P+ C n +莱氏体（L e ）

共晶白口铸铁 4.3 L e

过共晶白口铸铁

4.3 〜6.69

L e +二次渗碳体（C l ）

铁碳合金显微组织中， 铁素体和渗碳体两种相经硝酸酒精溶液浸蚀后均呈白亮色， 而它 们之间的相界则呈黑色线条。采用煮沸的碱性苦味酸钠溶液浸蚀， 铁素体仍为白色，而渗碳 体则被染成黑色。

图1以组织组成物表示的铁碳合金相图

概述

Fe-Fe 3C 状态图与平衡组织的关系;

在实验条件下,

A+Lc*Fe^C

A*F C ^C B

9000-

“匕

F+

F +FejC ■

铁碳合金的各种基本组织特征如下：

1. 工业纯铁

含碳量小于0.0218 %的铁碳合金称为工业纯铁，其显微组织为单相铁素体或铁素体+极少量三次渗碳体。为单相铁素体时，显微组织由亮白色的呈不规则块状晶粒组成，黑色网状线即为不同位向的铁素体晶界，如图2(a)所示。当显微组织中有三次渗碳体时，则在某

些晶界处看到呈双线的晶界线，表明三次渗碳体以薄片状析出于铁素体晶界处，如图2(b)所示。

(a) 250X (b) 700X

图2工业纯铁的显微组织

2. 碳钢

碳钢按含碳量的不同，将组织类型分为3种：共析钢、亚共析钢和过共析钢。其组织

特征如下：

(1) 共析钢

含碳量为0.77 %的铁碳合金称为共析钢，其显微组织是珠光体。珠光体是层片状铁素

体和渗碳体的机械混合物。两相的相界是黑色的线条，在不同放大倍数条件下观察，则具有不同的组织特征，在高倍数(>500倍)电镜下观察时，能清晰地分辨珠光体中平行相间的宽条铁素体和细片状渗碳体，如图3(a)所示。在300〜400倍光学显微镜下观察时，由于显

微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时所看到的渗碳体片就是一条黑线•如图3(b)所示。珠光体有类似指纹的特征。

(A) SOTx (b) 300 x

图3共析钢的珠光体组织

(2) 亚共析钢

含碳量为0.0218%〜0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，室温下的显微组织是铁素体+珠光体。铁素体呈白色不规则块状晶粒，珠光体在放大倍数较低或浸蚀时间长、浸蚀液浓度加大时，则为黑色块状晶粒，如图4所示。

图4亚共析钢的显微组织(300 X)

在亚共析钢的组织中，随着含碳量的增加，组织中的珠光体量也增加。在平衡状态下，亚共析钢组织中的铁素体和珠光体的相对量可应用杠杆定律计算。通过在显微镜下观察组织

中珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，可以近似估算出钢的含碳量。即钢的含碳量~ P(面积%)X

0.77%

(3) 过共析钢

含碳量为0.77%〜2.11%的铁碳合金称为过共析钢，室温下的显微组织为珠光体+ 二次渗

碳体。二次渗碳体呈网状分布在原奥氏体的晶界上，随着钢的含碳量增加，二次渗碳体网加宽，用硝酸酒精溶液浸蚀时，二次渗碳体网呈亮白色，如图5(a)所示。若用煮沸的碱性苦

味酸钠溶液浸蚀，则二次渗碳体呈黑色，如图5(b)所示。

图5过共析钢的显微组织(300X)

3. 白口铸铁

白口铸铁的含碳量为2.11%〜6.69%。在白口铸铁的组织中含有较多的渗碳体相，其宏观断口呈白亮色，因而得名。按含碳量不同，其组织类型也分为3种：共晶白口铸铁、亚共

晶白口铸铁和过共晶白口铸铁。

(1)共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的含碳量为 4.3%，室温显微组织是低温莱氏体。低温莱氏体是珠光体和

渗碳体的机械混合物，如图6所示。其中白亮的基体是渗碳体，显微组织中的黑色细小颗粒

和黑色条状的组织是珠光体。

图6共晶白口铸铁（100X）图7亚共晶白口铸铁（100X）图8过共晶白口铸铁（200X）

（2）亚共晶白口铸铁

亚共晶白口铸铁的含碳量为2.11%〜4.3%,室温的显微组织是珠光体+二次渗碳体+莱氏体，如图7所示。图中较大块状黑色部分是珠光体，呈树枝状分布，其周边的白亮轮廓为

二次渗碳体，在白色基体上分布有黑色细小颗粒和黑色细条状的组织是莱氏体。通常二次渗

碳体与共晶渗碳体（即莱氏体中的渗碳体）连在一起，又都是白亮色，因此难以明确区分。

（3）过共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁的含碳量为 4.3%〜6.69%，其室温显微组织为莱氏体+ —次渗碳体，

如图8所示。图中呈白亮色的大板条状（立体形态为粗大片状）的是一次渗碳体，其余部分

为莱氏体。

三、实验内容

观察八种试样，根据铁碳合金相图判断各组织组成物，区分显微镜下看到的各种组织。

工业纯铁试样1个，亚共析钢试样2个、共析钢试样1个、过共析钢试样1个、亚共晶白口铸铁试样1个、共晶白口铸铁试样1个、过共晶白口铸铁试样1个。

四、实验报告要求

1、写出实验目的；

2、画出你观察到的试样的组织图，标明各组织组成物名称、材料名称、处理条件、浸

蚀剂、放大倍数等（不要将划痕、夹杂物、锈蚀坑等画到图上）。

3、计算碳钢（亚共析钢试样2个、共析钢试样1个、过共析钢试样1个）室温下各组织组成物的相对重量。

4、讨论铁碳合金含碳量与组织的关系。

五、注意事项

金相显微镜的成像原理可参阅有关书籍。实验课上所用的显微镜已经调整好了，观察时只要转动微调螺旋，看清楚即可。显微镜是精密的光学仪器，使用时一定要当心。制备试样很费时间，所以我们要爱护制好的试样表面，不要用手直接触摸试样表面，更要避免被硬物划伤，在实验过程中不要用手去动试样。