铁碳合金显微组织的观察与分析.docx
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铁碳合金显微组织的观察与分析
实验十铁碳合金显微组织的观察与分析
前言
铁碳合金是以铁为主，加入少量碳而形成的合金，具有多种相结构和组织。
其价格低，易加工，在实际生产中得到了广泛的应用。
而铁碳合金的显微组织是研究和分析贴碳材料性能的基础。
本次试验在进一步熟悉铁碳相图的基础上，达到掌握珠光体、铁素体、莱氏体、渗碳体等相和组织的成分、形貌特征的目的，同时学分分析各组织的形成过程，了解碳含量对各相及组成物的形貌和相对量的影响。
摘要
在充分理解Fe-Fe3C相图的基础上，对不同成分铁碳合金的显微组织进行观察，并全面的分析了碳钢、白口铸铁不同显微组织的形成过程及铁碳合金的进本组织的形貌特征，对铁碳合金和Fe-Fe3C进行了概括性的分析与总结。
关键词
铁碳合金Fe-Fe3C相图钢白口铸铁
一、实验设备与材料
实验设备：
光学显微镜
实验材料汇总于下表中：
序号
合金类型及状态
含碳量（%）
侵蚀剂
1
纯铁、退火
<0.02
4%硝酸酒精
2
碳钢
亚共析钢
20钢，退火
0.02~0.77
4%硝酸酒精
3
35钢，退火
4%硝酸酒精
4
45钢，退火
4%硝酸酒精
5
60钢，退火
4%硝酸酒精
6
共析钢
T8钢，退火
0.77
4%硝酸酒精
7
过共析钢
T12钢，退火
0.77~2.14
4%硝酸酒精
8
T12钢，退火
碱性苦味酸染色
9
T12钢，退火
4%硝酸酒精
10
白口铸铁
亚共晶白口铁
2.14~4.3
4%硝酸酒精
11
共晶白口铁
4.3
4%硝酸酒精
12
过共晶白口铁
4.3~6.67
4%硝酸酒精
二、Fe-Fe3C相图及典型铁碳合概述
铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础，由于碳含量高于6.69%的铁碳合金脆性大，因而只研究Fe-Fe3C部分。
如下图所示的Fe-FeC体系相图中，存在液相、固溶体相δ（Fe）,α（Fe）,γ（Fe）及θ~Fe3C相。
根据组织特征则有奥氏体（A）,铁素体（F）,δ铁素体、渗碳体或夜析渗碳体（Fe3CⅠ）、二次渗碳体（Fe3CⅡ）、三次渗碳体（Fe3CⅢ）、珠光体（P）、莱氏（Ld）、变态莱氏体（Ld’）和液体（L）。
相图中三条平衡线表示三个恒温反应。
1493℃发生包晶反应，此次试验不做研究。
1148℃发生共晶反应：
L↔A+Fe3C共晶反应形成奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体（Ld）。
冷却至室温后莱氏体中的奥氏体转变为珠光体，此时莱氏体为变态莱氏体（Ld’）。
共晶反应发生于所有碳含量处于2.14%~6.67%的铁碳合金中。
727℃发生共析反应：
A↔F+Fe3C，共析反应生成铁素体与渗碳体的共析混合物即珠光体（P）。
含碳量超过0.022%的铁碳合金可发生共析反应。
铁碳合金相图上的各种合金可以根据其含碳量和组织的不同分为三类：
工业纯铁（C<0.022%）;
钢（0.022%~2.14%）包括亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。
三、铁碳合金基本组织
用浸蚀蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下有如下几种金相组织：
铁素体（F），即碳在α-Fe中形成的固溶体。
铁素体为体心立方晶体，用4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，黑色网是晶界，这是因为晶粒界面耐腐蚀性不同，而且各晶粒的位向呈现不同的颜色；亚共析钢中铁素体成块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体呈现断续的网状分布于珠光体周围。
渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的化合物，经4%硝酸酒精溶浸液蚀后，渗碳体呈现亮白色。
按照成分和形成条件的不同，渗碳体呈不同形态。
珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般的退火处理情况下，是由铁素体和渗碳体相互混合交替形成的层片状组织。
经硝酸酒精浸蚀后，在高倍放大时能看到珠光体平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体：
当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体就只只能看到一条黑线。
莱氏体（Ld）是在室温时珠光体、二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物，含碳量为4.3%共晶白口铁在1148℃对形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶的机械混合物称为莱氏体。
奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723℃下分解为珠光体，称为低温莱氏体。
四、纯铁、钢和白口铸铁结晶过程分析
1、纯铁
纯铁在室温下具有单相铁素体组织。
碳的质量分数小于0.0218％的铁碳合金称为工业纯铁，其光学显微组织如下图所示。
当其冷到碳a-Fe中的固溶度线PQ以下时，将沿
Figure1工业纯铁的显微组织100X
铁素体晶界析出少量三次渗碳体，铁素体的硬度在80HBS左右，而渗碳体的硬度高达800HBS，因工业纯铁中的渗碳体量很少、故硬度、强度不高而塑性、韧性较好。
2、刚
共析钢的结晶过程分析：
碳的质量分数wC在0.0218～2.11％之间的铁碳合金称为碳素钢、碳钢。
根据合金在相图中的位置可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。
共析钢wC＝0.77％，在727℃以上的组织为奥氏体，冷至727C时发生共析反应：
将铁素体与渗碳体的混合物称珠光体P。
室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12％。
慢冷所得珠光体呈片状。
在普通光学显微镜下观察时、只能看到F片成条条细黑线`分布在铁素体上，见图Figure2。
位向相同的一组铁素体加渗碳体片层称为一个共析领域。
当放大倍数低，珠光体组织细密或浸蚀过深时，珠光体中的片层难以分辨，呈一片暗色区域。
采用电子显微镜高倍放大能看出Fe3C薄层的厚度，见图Figure2，图中窄条为Fe3C，宽条为F基体，两者有明显的分界线。
Figure2光学显微镜下的珠光组织和珠光体的电镜组织
亚共析钢成分为0.0218％＜wC＜0.77％，组织为铁素体F加珠光体P。
在显微镜下铁素体呈亮色，珠光体为暗色。
铁素体的形态随合金所含碳量即铁素体量的多少而变，如wC＝0.2%时，其组织为等轴铁素体基体与少量主观体分布在铁素体晶界上或三叉晶界上呈不规则岛状。
当含碳量增加，组织中珠光体的量增多，至wC＝0.4％，珠光体与铁素体的量各占一半；wC＞0.5％珠光体成为钢的基体，铁素体呈连续或断续的网络状围绕着珠光体分布。
这是由于先共析铁素体是沿原奥氏体边界优先析出，至一定量后，剩余奥氏体才转变为珠光体。
不同含碳量的亚共析钢的显微组织见Figure3。
Figure3亚共析钢的显微组织500X（a-20钢,b-40钢,c-60钢）
过共析钢成分为0.77％＜wC＜2.11％，但实用钢的含碳量只到1.3％，因碳量再高，二次渗碳体量增多，使钢的性能变脆。
过共析钢的组织由珠光体及二次渗碳体所组成，二次渗碳体呈网状。
碳量愈高，渗碳体网愈多、愈完整。
与先共析铁素体网很容易区别，若经硝酸酒精溶液浸蚀后，两者虽均为亮色，但二次渗碳体网要细得多；若用碱性苦味酸钠溶液热浸蚀后，渗碳体变成暗色，铁素体仍为亮色。
经不同方法浸蚀后的T12钢组织见图Figure4a、b。
Figure4不同方法浸蚀后的T12钢组织（a-4%硝酸酒精溶液浸湿、b-碱性苦味酸钠溶液热浸蚀。
）
3、白口铸铁
共晶白口铁（wC=4.3％）合金由液态冷却到1148℃，全部发生共晶反应
所得产物称莱氏体（Ld），呈豹皮状，其中奥氏体呈短棒或、条状分布在渗碳体基体上。
在以后继续冷却的过程中，只有奥氏体原地发生转变，先析出二次渗碳休，后在727℃形成珠光体。
沿奥氏体边界析出的二次渗碳体，常与共晶渗碳体连成一片不易分辨。
室温共晶体是由奥氏体转变来的二次渗碳体、珠光体及原共晶渗碳体所组成。
称为变态菜氏体（Ld’）。
所谓变态的实质是指共晶内部组成物（合金相）改变，并非形貌改观，在显微镜下观察变态莱氏体仍呈豹皮状。
见图7-7a。
亚共晶白口铁（wC=2.11%～4.3%）合金凝固时先析出初生奥氏体，呈树枝状，剩余液体在1148℃发生共晶反应得到莱氏体。
继续冷却时初生奥氏体及共晶体中的奥氏体各在原地发生相同的转变，即先析出二次渗碳体，后形成珠光体，室温组织是由初生奥氏体转变所得二次渗碳体加珠光体（Fe3CⅡ＋P）及变态莱氏体Ld’所组成；见图7-7b。
过共晶白口铁（wC=4.3％～6.69％）的组织为粗大片状的一次渗碳体加变态莱氏体（Fe3CⅠ＋Ld’），见图Figure5。
Figure5白口铸铁的显微组织（a-共晶，b-亚共晶，c-过共晶）
五、实验分析与思考
1、网状铁素体及网状渗碳体的形态比较
60钢与T12钢含网状铁素体与网状渗碳体，二者较难区分，若用煮沸的碱性苦味酸钠溶液做浸蚀剂，则可将渗碳体网染成黑色，而铁素体仍为亮白色。
因此这种实际可以将接近共析成分的亚共析钢与过共析钢区别开来。
2、共析组织与共晶组织的比较
共析组织是宽条状的铁素体及细条状的渗碳体相互交错排列而成；共晶组织为莱氏体，即黑白细条状及斑点状的珠光体和亮白色的渗碳体组成。
4、冷却速度对组织形貌和相对量的影响
冷却速度对工业纯铁的影响：
冷却速度越慢，析出的渗碳体就越细小弥散。
当冷却速度不够缓慢时，渗碳体析出的过程往往进行的不充分，因而室温下铁素体的含碳量往往是过饱和的。
在亚共析钢进行奥氏体共析分解时，若冷却很慢，恭喜分解产生的铁素体就附加到已经存在的先共析铁素体上生长，最后把渗碳体留在晶界处，冷却越缓慢，这种晶界渗碳体越容易产生。
继续冷却时，一铁素体析出的三次渗碳体又会在附加到已经存在的工析渗碳体上。
渗碳体分布在晶界将引起晶界脆性，使低碳钢的工艺性能变坏，也使钢的综合力学性能降低，应避免这种情况。
六、实验总结
铁碳合金中含碳量对显微组织形貌以及合金的机械性能有较大的影响。
因此通过本次试验对不同成分的铁碳合金的显微组织的观察及分析，有助于理解组织性能及不同的含碳量对组织性能的影响。
铁碳合金应用广泛，了解其内部特征是为必然。
参考文献
【1】宋维锡，《金属学》（修订版），冶金工业出版社，北京，1989
【2】任怀亮，《金相实验技术》，冶金工业出版社，北京，1986
【3】史文，金属材料及热处理[M]，上海，上海科学技术出版社，2011
（注：
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