铁碳合金的显微组织及分析实验报告.docx

1、铁碳合金的显微组织及分析实验报告铁碳合金的显微组织及分析实验报告摘要：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，标准试验样品假设干2 实验原理2.1 铁碳相图2.2铁碳组织组成物铁素体:碳在体心立铁中的固溶体FeC和-FeC，通常也成铁素体和铁素体。奥氏体 :碳在面心立铁的固溶体-FeC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。广义那么包括过

2、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,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。莱氏体:莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为c4.3。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，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，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

3、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。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那么等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。亚共析钢亚共析钢的含碳量在0.02%0.77%围，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0.6

4、0%时，铁素体由块状变成网状分布在珠光体的围。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P0.77%，其中P为珠光体所占面积百分数。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。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围。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

5、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围，但形态上与共晶渗碳体无法区分。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。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

6、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局部以片状墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。3.麻口铸铁碳一局部以墨形式存在，类似灰口铸铁；另一局部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。根据铸铁中墨形态不同，铸铁可分为1.灰口铸铁铸铁中墨呈片状存在。2.可锻铸铁铸铁中墨呈团絮状存在。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

7、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墨化后所得到的组织名称墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段 灰口铸铁充分进展充分进展充分进展充分进展充分进展充分进展充分进展局部进展不进展FG FPG PG 麻口铸铁局部进展局部进展不进展LePG 白口铸铁不进展不进展不进展 LePFe3C 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那么，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。假设腐蚀较深，那么由

8、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浸蚀剂1工

9、业纯铁4%硝酸酒精溶液2亚共析钢204%硝酸酒精溶液3454%硝酸酒精溶液4604%硝酸酒精溶液5共析钢T84%硝酸酒精溶液6过共析钢T124%硝酸酒精溶液T12碱性苦味酸溶液7亚共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液8共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液9过共晶白口铸铁4%硝酸酒精溶液4实验结果及讨论1 -Fe 显微组织图热处理：退火态显微组织：-固溶体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍凝固过程：Wc0. 0218 %的奥氏体 ,缓冷至 GS 线对应的温度时 ,开场从奥氏体中析出铁素体.随着温度的下降 ,由于铁素体的不断析出 ,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

10、线变化,冷至 GP线 ,奥氏体全部转化为铁素体.2 20钢显微组织图热处理：退火态显微组织：-铁素体+珠光体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：黑色局部为珠光体，白色局部为铁素体。由于放大倍数不够，珠光体片层构造不明显。凝固过程：Wc0.20%的奥氏体 ,缓冷至GS 线对应的温度时 ,开场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 PS K 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 PS K 线对应温度时 ,发生共析转变 ,生成珠光体.。由杠杆原理知

11、，铁素体含量约为75.9%。3 45钢显微组织图热处理：退火态显微组织：-铁素体+珠光体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：黑色局部为珠光体，白色局部为铁素体。由于放大倍数不够，珠光体片层构造不明显。凝固过程：Wc0.45%的奥氏体 ,缓冷至GS 线对应的温度时 ,开场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 PS K 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 PS K 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

12、.0%。4 60钢显微组织图热处理：退火态显微组织：-铁素体+珠光体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：黑色局部为珠光体，白色局部为铁素体。由于放大倍数不够，珠光体片层构造不明显。凝固过程：Wc0.45%的奥氏体 ,缓冷至GS 线对应的温度时 ,开场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 PS K 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 PS K 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%。5 T8 钢

13、热处理：退火态显微组织：珠光体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：从图中可以看出珠光体片层构造凝固过程：Wc = 0. 76 %的奥氏体,缓冷至 S点对应的温度(727 )时,奥氏体发生共析转变,生成珠光体.6 T12钢热处理：退火态显微组织：珠光体侵蚀条件：4%硝酸酒精溶液原放大倍数：400倍说明：图中片层状构造为珠光体，白色线为晶界凝固过程：Wc1.2%的奥氏体 ,缓冷至 ES线对应的温度时 ,奥氏体中的含碳量到达饱和而开场析出二次渗碳体.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 PS K线对应的温度时奥

14、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。7 T12钢热处理：退火态显微组织：珠光体侵蚀条件：碱性苦味酸溶液原放大倍数：400倍说明：图中黑线为晶界凝固过程：Wc1.2%的奥氏体 ,缓冷至 ES线对应的温度时 ,奥氏体中的含碳量到达饱和而开场析出二次渗碳体.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 PS K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。由于碱性苦味酸染色，图中只显示出晶界。8亚共晶白口铁热处理：退火态显微组织：珠

15、光体+低温莱氏体侵蚀条件：碱性苦味酸溶液原放大倍数：400倍说明：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 % Wc 4. 3 %的铁碳合金 ,由液体缓冷到 CD线对应的温度时 ,从液相中开场结晶出一次渗碳体.冷至 ECF线对应的温度(1 148 )时 ,剩余液相成分到达共晶点成分( Wc = 4. 3 %) ,发生共晶转变 ,生成高温莱氏体 ,再冷至 PS K线对应的温度(727 )时 ,高温莱氏体转变为低温莱氏体.5 思考题5.1怎样鉴别0.7wt%C合金的网状铁素体和1.3wt%C合金的网状渗碳体

16、。1化学试剂侵蚀法：在碱性苦味酸钠水溶液中，将被测试样浸入其中煮沸5min左右，取出水冲干净并吹干，假设白色网变为黑色或更深的黑色，那么确定为碳化物，假设其颜色不变仍呈白色不受浸蚀为铁素体相。2 硬度法：铁素体的硬度为80HBS,渗碳体的硬度为800HBW，通过测量硬度可鉴别铁素体和渗碳体。5.2 冷却速度对组织形貌和相对量有无影响？并举例说明。有。例如，在强磁场下冷却速度对Fe一012C合金显微组织的影响的研究中。在12 T强磁场作用下Fe一012C合金中的珠光体团的长轴向沿磁场向平行且伸长的程度随其冷却速度增大而减弱，因为冷却速度大的试样的先共析铁素体晶核的形核率较高，使其先共析铁素体晶核

17、之间的距离较小，导致铁素体晶粒沿磁场向伸长且呈链状排列的程度减弱强磁场热处理试样中的珠光体组织的面积分数低于非磁场热处理试样中的珠光体组织的面积分数，而且随冷却速度降低这种差异愈加明显.5.3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。=30%50%，AKU=128160Jb=280MPa，5080HBS。奥氏体性能：具有一定的强度和硬度b=400 MPa，220HBS，塑性和韧性也好=40%50%。奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度围为7271394，显微组织为多边形晶粒，晶粒常可见到孪晶昌粒的平行的直线条，生产中利用

18、奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进展塑性加工。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b=770MPa、180HBS、=20%35%、AKU=2432J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：1.亚共晶白口铸铁碳的质量分数为.11%-

19、4.3%，其组织是珠光体，二次渗碳体与莱氏体2.共晶白口铸铁碳的质量分数为4.3%，其组织是莱氏体3.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，不能进展切削加工，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有意识地参加一些合金元素，如镍、铬、锰、钛等配制而成的铸铁。参加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，参加球化剂镁或镁合金，使墨成球状存在。b.具有很高的强度

20、，其抗拉强度高达400MPa-600MPac.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，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

21、.铸铁组织中的墨以片状形式存在，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，不宜进展压力加工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5.4如改变灰口铸铁的性能。1灰口铸铁的热处理：热处理只能改变灰口的铸铁的基体组织，不能改变墨的形状和分布，故对提高力学性能的作用不大，因此灰口铸铁的热处理一般用于消除铸件的应力及改善切削加工性。灰口铸铁的热处理法有以下几种：1去应力退火。将铸件加热到500-600，保温一段时间，然后随炉缓冷至150-200以下出炉空冷。目的是消除应力，防止铸件产生变形和裂纹。 2降

22、低硬度，改善切削性能退火。将铸件加热到850-950，保温一定时间，然后随炉冷却至400-500，出炉空冷。目的是降低硬度，改善切削加工性能。3外表淬火。目的是提高铸件外表硬度和耐磨性。常用的法有火焰加热外表淬火、高中频外表淬火和接触电阻加热淬火等。如对机床导轨进展接触电阻加热淬火，能显著提高机床导轨的硬度和耐磨性，使用寿命约提高1.5倍。2 低温气体多元共渗法利用一种转化装置,实现了多种元素以气体式进入炉体,对灰口铸铁外表进展低温气体氮、碳、氧多元共渗试验;利用SEM对共渗层进展成分分析,并对渗层的硬度和力学性能进展测试。结果说明:灰口铸铁外表形成的渗层由钝化层和白亮层组成,厚约50m。最外

23、层钝化层中氧含量显著高于基体,且渗层中氮元素的含量明显提高,在试样外表形成了弥散分布的氮化物;灰口铸铁外表显微硬度显著提高,到达750 HV。6 总结通过这次实验，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,解释了如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展显微镜下观察，分析成分。7 参考文献 1 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 鹏志. 铁碳合金相图分析.?职业技术学院学报?,2006 3 宋建宇骧宫明龙守晶左良. 强磁

24、场下冷却速度对Fe一0.12C合金显微组织的影响.?材料研究学报?,2009 4 运炎 .?金相图谱? .高等教育,1994金属及合金凝固组织的观察及分析材科0905 琼 40930364摘要：描绘了铝锭组织形貌图并依据金属结晶的一般规律对铝锭组织形貌进展分析，总结影响铝锭组织形貌的因素。观察并描绘匀晶类型，共晶类型，包晶类型的二元合金及三元合金组织形貌并依据相图进展分析关键词：铸锭三晶区二元合金三元合金组织形貌1 实验原理1 .1金属结晶的一半规律1 .晶核的形成在一定的过冷度下,当F体F表时,晶核就形成。临界形核半径假设球形随过冷度增大而减小。当过冷液体中出现晶坯时，一面由于原子由液态的聚

25、集状态转变为固态的排列状态，使体系的自由能降低；另一面，由于晶坯构成新的外表，又会引起外表自由能的增加。rr*时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进展。晶核形成的形式: *自发形核均质形核T = 200 *非自发形核异质形核T = 202晶核的长大晶核的长大有两种：平面生长，树枝状生长。3 影响晶体形核率和晶体长大率的影响因素1 过冷度：2 未熔杂质的影响2实验结果及讨论2.1 铸锭三晶区的形貌特征及形成条件1.表层细晶区的形貌特征：随机取向的等轴细晶形成条件：紧靠模壁，过冷区窄，正温度梯度，非均匀成核，形核率高，互相碰撞，形成细晶区2.柱状晶区的形成形貌特征：平行于热流向排列的柱状晶

26、粒形成条件：过冷度减小，形核率低，生成垂直模壁生长的柱状景区，成份过冷，树枝状生长3 中心等轴粗晶区的形成形貌特征：较粗大的随机取向等轴晶粒形成条件：在凝固过程中，开场凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随溶液对流漂移到铸锭中心局部。如果中心局部溶液有过冷，那么这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。即：成核过冷理论.籽晶成核理论22 三种不同条件下铸锭三晶区的组织形貌及其形成原因。样品编号Abc浇注温度780680658模壁材料金属模砂模金属模a所视金属膜导热快，并且浇注温度较高，比熔点高100，因此在铸模中会有大的温度梯度，故形成的全部为柱状晶，b所示砂模导

27、热慢，并且浇注温度低比熔点高22，不易造成浇注熔体中较大的温度梯度，整体较均与冷却，全部形成大等轴晶；c虽然金属膜导热快，但浇注温度较低比熔点高22，冷却条件介于a和b之间，开场凝固时，存在一定的正温度梯度，形成柱状晶，最后中心区域整体过冷，形成中心等轴晶。2.3总结：影响铸锭组织的因素1 模壁材料：金属膜导热快，如果浇注温度较高，模中会有大的温度梯度，故较易形成柱状晶。如果浇注温度较低，开场凝固时，存在一定的正温度梯度，形成柱状晶，最后中心区域整体过冷，形成中心等轴晶。如ac样品砂模导热慢，不易造成浇注熔体中较大的温度梯度，整体较均与冷却，易形成大等轴晶，如b2 浇注温度：浇注温度较高，模中会有大的温度梯度，故较易形成柱状晶。如果浇注温度较低，开场凝固时，存在一定的正温度梯度，形成柱状晶，最后中心区域整体过冷，形成中心等轴晶。如ac样品2.4不同类型合金组织形貌图2.4.1匀晶合金1 25%Ni+75%Cu 铸造热处理：铸造显微组织：-固溶体侵蚀条件：氯化铜氨水溶液原放大倍数：400倍说明：树枝状局部为先析出的-固溶体，呈枝晶偏析1 25%Ni+75%Cu 退火热处理：退火显微组织：-固溶体侵蚀条件：20%过硫酸铵 原放大倍数：400倍说明：经退火处理