实验十铁碳合金显微组织的观察及分析.docx

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实验十铁碳合金显微组织的观察及分析

实验十铁碳合金显微组织的观察及分析

总结报告

班级：

冶金E111

姓名：

杨泽荣

学号：

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

光学显微镜，标准试验样品若干

2实验原理

2.1铁碳相图

2.2铁碳组织组成物

铁素体:

碳在体心立方铁中的固溶体δ–Fe（C）和α-Fe（C），通常也成δ铁素体和α铁素体。

奥氏体:

碳在面心立方铁的固溶体γ-Fe（C）

珠光体:

奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形态为铁素体薄层和碳化物（包括渗碳体）薄层交替重叠的层状复相物。

广义则包括过冷奥氏体发生珠光体转变所形成的层状复相物。

在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗碳体,所以片要比渗碳体厚得多.在条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为。

莱氏体:

莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。

当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。

在低于727℃时，莱氏体是由和渗碳体组成，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；铸铁根据含碳量也可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁。

⑴工业纯铁

纯铁在室温下具有单相铁素体组织。

含碳量＜0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和极少量的三次渗碳体组成。

显微组织中的黑色线条是铁素体的晶界，亮白色的基底是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。

⑵亚共析钢

亚共析钢的含碳量在0.02%～0.77%范围内，其显微组织是由铁素体和珠光体组成。

用4%的硝酸酒精浸蚀后，铁素体为亮白色，珠光体为暗黑色。

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，可以由杠杆定律求得铁素体和珠光体的相对量。

另外，由显微镜中观察铁素体和珠光体各自所占面积的百分数，可近似地计算出钢的含碳量，即，碳含量≈P×0.77%，其中P为珠光体所占面积百分数。

⑶共析钢

含碳量为0.77%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成。

⑷过共析钢

过共析钢的含碳量在0.77%～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，二次渗碳体数量就越多。

经硝酸酒精浸蚀后，二次渗碳体呈亮白色网分布在珠光体的周围。

⑸亚共晶白口铸铁

含碳量是2.11%～4.3%，在室温下的组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体所组成。

经硝酸酒精浸蚀后，组织呈现：

暗黑色的树枝状的珠光体（枝晶态）和斑点状变态莱氏体，二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。

⑹共晶白口铸铁

含碳量为4.3%，室温下的组织由单一的变态莱氏体组成。

经浸蚀后，显微组织为暗黑色粒状或条状珠光体分布在亮白色的渗碳体的基底上。

有时通俗地称为“斑点组织”。

⑺过共晶白口铁

含碳量为4.3%～6.69%，在室温下的组织是一次渗碳体和变态莱氏体。

经浸蚀后，一次渗碳体呈亮白色的粗大条片状分布于斑点状的变态莱氏体的基底上。

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：

1.白口铸铁碳除少数溶于铁素体外，其余的碳都以渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。

目前白口铸铁主要用作炼钢原料和生产可锻铸铁的毛坯。

2.灰口铸铁碳全部或大部分以片状石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。

3.麻口铸铁碳一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。

断口中呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。

这类铸铁也具有较大硬脆性，故工业上也很少应用。

根据铸铁中石墨形态不同，铸铁可分为：

1.灰口铸铁铸铁中石墨呈片状存在。

2.可锻铸铁铸铁中石墨呈团絮状存在。

它是由一定成分的白口铸铁经高温长时间退火后获得的。

其机械性能（特别是韧性和塑性）较灰口铸铁高，故习惯上称为可锻铸铁。

3.球墨铸铁铸铁中石墨呈球状存在。

它是在铁水浇注前经球化处理后获得的。

这类铸铁不仅机械性能比灰口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可锻铸铁简单，而且还可以通过热处理进一步提高其机械性能，所以它在生产中的应用日益广泛

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

灰口铸铁

充分进行

充分进行

充分进行

充分进行

充分进行

充分进行

充分进行

部分进行

不进行

F＋G

F＋P＋G

P＋G

麻口铸铁

部分进行

部分进行

不进行

Le'＋P＋G

白口铸铁

不进行

不进行

不进行

Le'＋P＋Fe3C

2.5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化学溶解的过程。

由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。

若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射进入物镜的光线不同，可看到明暗不同的晶粒。

两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。

两个组成相具有不同的电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微小的局部电池。

具有较高负电位的一相成为阳极，被溶入电解液中而逐渐凹下去；具有较高正电位的另一相为阴极，保持原来的平面高度。

因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相。

常用侵蚀剂：

硝酸酒精溶液适用范围:

碳钢及低合金钢，能清晰的显示铁素体晶界

苦味酸酒精溶液适用范围：

碳钢及低合金钢，能清晰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

1

亚共析钢

20

2

45

3

60

4

过共析钢

T12

5

过共晶白口铸铁

6

灰口铁

7

球墨铸铁

8

灰口铸铁

9

麻口铁

10

展性铸铁

11

变质灰口铁

4实验结果及讨论

4.120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≈0.20%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PSK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PSK线对应温度时,发生共析转变,生成珠光体.。

由杠杆原理知，铁素体含量约为75.9%。

4.245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PSK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PSK线对应温度时,发生共析转变,生成珠光体.。

由杠杆原理知，铁素体含量约为42.0%。

4.360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PSK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PSK线对应温度时,发生共析转变,生成珠光体.。

由杠杆原理知，铁素体含量约为25.7%。

4.4T12钢

说明：

图中片层状结构为珠光体，白色线为晶界

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,奥氏体的含碳量沿ES线变化.当冷却到PSK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。

4.5亚共晶白口铁

说明：

基体为黑白相间分布的变态莱氏体，黑色树枝状为初晶奥氏体转变成的珠光体，白色为二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，不易分辨。

凝固过程：

11%

4.6过共晶白口铁

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>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（1148℃）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PSK线对应的温度（727℃）时,高温莱氏体转变为低温莱氏体.

4.7其他组织样品显微组织图在后附图中有分析

5思考题

5.1为什么石墨会有不同的形态？

化学成分、冷却速度和凝固条件的不同使得石墨在铸铁组织中呈现不同的形态。

5.2如何得到不同形态的石墨？

控制不同的冷却速度就可以得到不同形态的石墨。

5.3什么是球化处理、孕育处理？

球化处理是铸铁在铸造时处理合金液体的一种工艺，用来获得球状石墨，从而提高铸铁的机械性能，形成的铸铁中碳主要以球状石墨形式存在，称为球墨铸铁。

球化处理工艺有多种，冲入法，钟罩法，喂丝法等等

孕育处理是指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长，达到细化晶粒的目的。

5.4石墨的形态不同对力学性能的影响。

石墨数量越多，尺寸越大，石墨对基体的削弱作用也愈大。

如果组织中的石墨呈现无规则的片状，会使铸铁的力学性能下降，这种铸铁叫做灰口铸铁，灰口铸铁的石墨越均匀，越细越好。

如果组织中的石墨呈现团絮状，对基体的割裂作用要比灰口铸铁小的多，韧性和强度都高于灰口铸铁，这样的铸铁叫做展性铸铁。

如果组织中石墨成球状，可减少应力的集中，其强度，韧性更高，叫做球墨铸铁。

5.5石墨化的三阶段

按照铁碳相图可将铸铁的石墨化分为三个温度阶段。

第一阶段：

铸铁的液相中结晶出一次石墨（过共晶合金）和通过共晶反应结晶出共晶石墨。

中间阶段：

奥氏体中直接析出二次石墨，或通过渗碳体在共晶温度和共析温度之间发生分解而形成石墨。

第二阶段：

从铸铁的共析转变中析出石墨。

或者通过渗碳体在共析温度附近及其以下温度发生分解形成石墨。

5.6如何得到不同的基体组织这些组织对性能有何影响

灰口铸铁内基本组织主要有三种，铁素体（F）、铁素体+珠光体（F+P）和珠光体（P）。

铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到。

珠光体是奥氏体（奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体）发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。

随冷却速度的减小，铸铁组织基体依次改变为珠光体、铁素体+珠光体、铁素体。

铁素体相当于工业纯铁，强度低但韧性很好。

珠光体相当于含碳0.7%左右的钢，强度比较高，同时也具有较好的韧性。

渗碳体硬度很高，但非常脆。

通常铸铁中不会只有一种组织，同时存在几种基体组织，其性能也就介于几种单纯组织的性能之间。

5.7麻口铁是如何形成的？

麻口铸铁，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状。

麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在，断口来杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨。

铸铁凝固时增大冷却速度不仅导致第二阶段渗碳体并且中间阶段甚至第一阶段石墨化也未能或未能充分进行，则会得到含有二次渗碳体甚至莱氏体的麻口铁。

5.8碳为什么会出现不同的形态？

碳在铁中形成的固溶体有三种：

α固溶体（铁素体）、γ固溶体（奥氏体）和δ固溶体（8铁素体）。

这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。

碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超过2．11％；碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218％；而在δ6-Fe中不超过0.09％。

当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态（石墨）存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（渗碳体，6．69％C）是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。

石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。

Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。

5.9铸铁的组织对性能的影响。

铸铁各类组织的力学性能如下：

[铁素体性能]：

铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。

（δ=30%~50%，AKU=128~160J）σb=180~280MPa，50~80HBS）。

[奥氏体性能]：

具有一定的强度和硬度（σb=400MPa，170~220HBS），塑性和韧性也好（δ=40%~50%）。

奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（昌粒的平行的直线条），生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。

[渗碳体性能]：

其力学性能特点是硬度高，脆性大，塑性几乎为零。

渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。

[珠光体性能]：

力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好（σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%、AKU=24~32J）

[莱氏体性能]：

莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。

微观组织的不同对铸铁性能造成的如下影响：

1.白口铸铁：

根据室温下组织的不同，白口铸铁可分为以下三类：

a.亚共晶白口铸铁碳的质量分数为.11%-4.3%，其组织是珠光体，二次渗碳体与莱氏体

b.共晶白口铸铁碳的质量分数为4.3%，其组织是莱氏体

c.过共晶白口铸铁碳的质量分数大于4.3%，其组织为一次渗碳体和莱氏体

白口铸铁性质很脆，不能锻造，不能进行切削加工，可制造承受强烈挤压和磨损的零件，如拉丝模、球磨机、轧辊等。

2.合金铸铁

所谓合金铸铁是在普通铸铁内有意识地加入一些合金元素，如镍、铬、锰、钛等配制而成的铸铁。

加入的合金元素可改善热处理组织，从而提高基体强度和耐磨性。

。

3.球墨铸铁

碳的质量分数为3.5%-3.9%，基体组织为铁素体、珠光体。

其主要特点

a.必须经过球化处理，即在铸铁液中，加入球化剂（镁或镁合金），使石墨成球状存在。

b.具有很高的强度，其抗拉强度高达400MPa-600MPa

c.具有一定的韧性和塑性，经过热处理后，其力学性能可进一步得到改善

d.球墨铸铁主要用于制造曲轴、轴套、轧辊和齿轮等

4.可锻铸铁

碳的质量分数为2.2%-2.8%，其基体组织为铁素体、珠光体、少量渗碳体和微量石墨。

a.必须经过高温长时间退火，即白口铸铁在900℃-1000℃下经2-9d退火处理而成

b.具有较高的韧性和塑性，但因含碳和含硅量高，因此并不能锻造

c.可锻铸铁中，石墨呈团絮状存在，综合力学性能较好，可制造形状复杂的零件，如管子接头、大炮上的零件

5.灰铸铁

灰铸铁碳的质量分数为2.7%-3.6%，其基体组织分为铁素体、珠光体、及珠光体+铁素体，其主要特点如下

a.铸铁组织中的石墨以片状形式存在，其断面成暗灰色

b.熔点低，流动性好，冷却凝固时收缩量小，具有优良的铸造性能

c.抗拉强度小，容易拉断，塑性差，不宜进行压力加工

d.硬度低，性质娇软，容易切削，主要用于制造机架、床身、轴承盖、减速箱等

6总结

通过这次实验，我基本学会了依据铁碳相图分析了不同成分铁碳合金及其组织形貌特征,解释了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。

类似实验也可依照相图，对不同成分的合金组织进行显微镜下观察，分析成分。

7参考文献

[1]朱凯申超英.灰口铸铁低温气体多元共渗力学性能的变化研究.《热加工工艺》,2009

[2]李鹏志.铁碳合金相图分析.《石家庄职业技术学院学报》,2006

[3]宋建宇赵骧宫明龙王守晶左良.强磁场下冷却速度对Fe一0.12％C合金显微组织的影响.《材料研究学报》,2009

[4]王运炎.《金相图谱》.北京高等教育出版社,1994

[5]宋维锡，《金属学》（修订版），冶金工业出版社，北京，1989

[6]任怀亮，《金相实验技术》，冶金工业出版社，北京，1986