实验三：碳钢和铸铁的平衡组织的观察

实验四：碳钢和铸铁的平衡组织的观察

一、实验目的：

1．识别不同成分的碳钢和各种铸铁平衡组织的特征；

2．建立铁碳合金成分、组织和性能之间的变化规律；

3．应用杠杆定律估算钢中的含碳量。

二、实验说明：

根据铁碳合金状态图，铁碳合金随着含碳量的不同，碳钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；白口铸铁可分为亚共晶、共晶和过共晶白口铸铁。

1．铁碳合金在平衡状态下的基本组织特征：

铁碳合金在平衡状态下的基本组织为铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体。它们在金相显微镜下（使用3～4%硝酸酒精溶液的浸蚀后）其组织的特征为：

(1) 铁素体（F）呈白点的，其分布呈块状（当钢中含碳量较少时）或呈网状（当钢中含碳量接近共析成分时），铁素体的硬度很低，一般为HB80～120。强度也较低，但塑性、韧性好。

(2) 渗碳体（Fe3C）呈亮白色（但苦味酸溶液浸蚀后呈暗色），其分布一般呈网状分布在珠光体的周围（过共析钢中为Fe3CⅡ）。或呈长条状分布在莱氏体中（过共晶白口铸铁中的Fe3CⅠ）。渗碳体的硬度很高。HB达800，是一种硬而脆的相，所以强度、塑性却较差。

(3) 珠光体（P）是铁素体和渗碳体的混合物，它在低倍显微镜下观察无法分辨，呈暗色；而在高倍显微镜下观察呈黑白相间的片状分布。

片状珠光体硬度为HB190～230，随着间距的变小硬度升高。

(4) 莱氏体（Ld）是一种共晶组织，它是在亮色渗碳体的基底上分布着暗黑色点状或条状的珠光体。

莱氏体和珠光体不同，前者是在渗碳体的基体上分布着珠光体，后者是在铁素体的基体上分布着渗碳体。莱氏体的硬度很高，达HB700，性脆。它一般在含碳量大于2.11%的白口铁中存在，在某些高碳合金钢的铸造组织中也会出现。

2．亚共析钢的含碳量的估算：

了解了这些组织的特性后，就可以结合现实合金状态图，根据不同含碳量的碳钢和铸铁分析其在室温下的平衡组织（见表4-1）。

亚共析钢的平衡组织为铁素体+珠光体。已知珠光体的平均含碳量为0.8%，由于铁素体中含碳量极少，可以忽略，因而根据杠杆定律，从显微镜下观察到珠光体含量面积百分数乘上0.8%，即为碳钢的含碳量。例如显微组织中珠光体面积百分数约占75%，则该试样含碳量约为：75%×0.8＝0.6%

3. 铸铁的显微组织

铸铁是含碳量大于2%（一般为2.8～3.5%）的铁碳合金。碳在铸铁中有两种存在状态：一种为化合状态（渗碳体），一种为游离状态（石墨）。当碳全部以化合物形式存在，则得到白口铸铁，当碳大部分或全部处于游离状态，以石墨形式存在，则得到灰口铸铁。灰口铸铁中的石墨以片状形式存在。当碳大部或全部以团絮状石墨存在时，则得到可锻铸铁，当碳大部分或全部以球状石墨存在时，则得到球墨铸铁。

灰口铸铁按其基体组织不同可分为三种，即珠光体灰口铸铁、珠光体+铁素体灰口铸铁、铁素体灰口铸铁。由上可知，灰口铸铁的组织是钢的基体加上石墨。钢的基体决定其硬度。石墨性能极软，因此石墨存在对铸铁是起着不利的作用，特别是石墨的尖端，容易引起应力集中而形成裂纹，因此要求石墨形状细小、均匀分布，机械性能就可以得到改善。但石墨的存在可增加铸铁的切削性能、润滑性能和消震性。

可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间的石墨化退火得到的具有团絮状石墨的一种铸铁。由于石墨呈团絮状，大大减轻了石墨对基体的割裂程度，故强度、塑性和韧性较灰口铸铁高，可锻铸铁按基体组织不同可分为为珠光体可锻铸铁和铁素体可锻铸铁。

球墨铸铁的显微组织与灰口铸铁的显微组织中的基体是一样的，只是石墨呈球状。石墨呈球状，使割裂基体的作用减至最低，使铸铁的强度大大提高，获得了与铸铁相近的机械性能。

灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁的基体既然是铁素体和珠光体所组成，就可以和钢一样通过热处理来改变基体组织，从而改善机械性能，特别是球墨铸铁常常用正火、调质或等温淬火来提高机械性能。

三、实验方法：

1．对表4-1中所列举的一系列样品进行细致观察并与典型组织图片进行比较，研究每一个样品的组织特征。联系铁碳合金状态图了解其组织的形成过程。注意含碳量与金相组织之间的关系。

2．认识组织之后，抓住其特征，描绘每个样品的显微组织示意图。3．仔细阅览各种铁碳合金的金相图谱。

4．选择一个亚共析钢样品进行含碳量的估算。

表 4-1

注：腐蚀剂除序号7外，均为3～5%硝酸酒精溶液。

四、实验报告要求：

实验目的、实验结果（绘20、45、T8、T12试样的组织图，并注明材料、状态、浸蚀剂、组织及放大倍数），并分析：

①含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响；

②根据杠杆定律确定一个未知样品（亚共析钢）的含碳量；

③珠光体在低倍和高倍观察时组织有何不同？为什么？

④如何鉴别0.7%碳钢中的网状铁素体何1.3%碳钢中的网状渗碳体？