鐵碳合金平衡組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/p>

觀察和分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織。加深理解鐵碳合金的化學(xué)成分、溫度、組織、性能之間的關(guān)系；分析含碳量對(duì)鐵碳合金顯微組織的影響；應(yīng)用杠桿定律估計(jì)碳鋼中的碳含量；金相顯微鏡；切割機(jī)、砂紙、拋光布、拋光液；金相圖譜；各種鐵碳合金的觀察試樣；二、儀器、設(shè)備和材料

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.試樣制備①取樣：取樣是指由被研究的金屬或零件上截取截取具有一定形狀和尺寸的試樣。本實(shí)驗(yàn)已備好，請(qǐng)任選一件做實(shí)驗(yàn)。②磨制：取試樣依次在由粗到細(xì)的各號(hào)金相砂紙上把磨面磨光。在砂紙上把舊的磨痕磨去，再更換下一號(hào)砂紙，把試樣磨制的方向轉(zhuǎn)90°進(jìn)行磨制，直到最后一號(hào)砂紙。③拋光：在拋光機(jī)上不斷滴入拋光劑，將試樣磨面均勻地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，時(shí)間一般為3～5min，直到磨面成為光亮的鏡面。④浸蝕：用脫脂棉沾上浸蝕劑涂擦拭試樣表面，直到磨面發(fā)暗為止，清洗，吹干，備用。2.組織觀察觀察所列試樣的顯微組織，畫出所觀察組織的示意圖。四、注意事項(xiàng)

注意安全，磨拋樣品時(shí)注意握好試樣，防止飛濺。在進(jìn)行組織觀察時(shí)，可用低倍全面地進(jìn)行觀察，找出典型組織，然后再用高倍放大、對(duì)部分地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的觀察。在移動(dòng)金相試樣時(shí)，不用用手觸摸試樣表面或?qū)⒃嚇又丿B起來(lái)，以免引起組織模糊不清。畫組織圖時(shí)應(yīng)抓住組織形態(tài)的特點(diǎn)，畫出區(qū)域的組織，注意將顯微組織與磨痕或雜志區(qū)分開來(lái)，可參考教課書或金相圖冊(cè)上的顯微組織圖。五、實(shí)驗(yàn)原理1、鐵碳合金平衡狀態(tài)圖

鐵碳合金的平衡組織是指鐵碳合金在極為緩慢的冷卻條件下所得到的組織。可以根據(jù)鐵碳相圖來(lái)分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織。鐵碳合金主要包括碳鋼和白口鑄鐵，其室溫組成相由鐵素體和滲碳體這兩個(gè)基本相所組成。由于含碳量不同，鐵素體和滲碳體的相對(duì)數(shù)量、析出條件及分布狀況均有所不同，因而呈現(xiàn)各種不同的組織形態(tài)。不同成分的鐵碳合金在室溫下的顯微組織見表1。簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖

類型含碳量C%顯微組織浸濕劑工業(yè)純純鐵〈0.02鐵素體4%硝酸酒精溶液碳鋼亞共析鋼0.02-0.77鐵素體+珠光體4%硝酸酒精溶液共析鋼0.77珠光體4%硝酸酒精溶液過(guò)共析鋼0.77-2.11珠光體+二次滲碳體4%硝酸酒精溶液白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵2.11-4.30珠光體+二次滲碳體+萊氏體4%硝酸酒精溶液共晶白口鑄鐵4.30萊氏體4%硝酸酒精溶液過(guò)晶白口鑄鐵4.30-6.69萊氏體+一次滲碳體4%硝酸酒精溶液表1各種鐵碳合金在室溫下的顯微組織

1）、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2、鐵碳合金的組元及基本相

純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵：塑性韌性好，但強(qiáng)度硬度低，很少用作結(jié)構(gòu)材料。2）、鐵素體（F）

鐵素體是碳溶解于α-Fe中的間隙式固溶體。由于α-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是幾乎不含碳的純鐵。具有良好的塑性和韌性，但強(qiáng)度和硬度卻較低。它在770℃以下具有磁性。性能：σb

=180～230MPaHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%

ak=156～196J·cm-2

工業(yè)純鐵用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，顯微鏡下呈現(xiàn)白亮色的多邊形等軸晶粒；亞共析鋼中的鐵素體呈塊狀分布；當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí)，鐵素體則呈現(xiàn)斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體周圍。顯微鏡下觀察，鐵素體呈大小不一的多邊形顆粒形狀。位相不同而呈現(xiàn)不同的顏色。3)、奧氏體：碳在γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。溶C量比α-Fe大，在1148℃為2.11%，在727℃為0.77%。由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之間，所以?shī)W氏體也只出現(xiàn)在高溫區(qū)域內(nèi)。性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的變形抗力。是絕大多數(shù)鋼種在高溫進(jìn)行壓力加工所需的組織。顯微鏡觀察，奧氏體呈現(xiàn)外形不規(guī)則的顆粒狀結(jié)構(gòu)，但晶界較鐵素體平直。這是奧氏體不銹鋼在顯微鏡下觀察到的單相奧氏體孿晶組織。4)、滲碳體（Fe3C）：

滲碳體是鐵與碳形成的金屬間化合物，其含碳量為6.69%，質(zhì)硬而脆，耐腐蝕性強(qiáng)，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，滲碳體呈亮白色，而鐵素體浸蝕后呈灰白色，由此可區(qū)別鐵素體和滲碳體。滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形態(tài)：一次滲碳體直接由液態(tài)中結(jié)晶出，呈粗大的片狀；二次滲碳體由奧氏體中的出，常呈網(wǎng)狀分布于奧氏體的晶界；三次滲碳體由鐵素體中析出，呈不連續(xù)片狀分布于鐵素體晶界處，數(shù)量極微，可忽略不計(jì)。一次滲碳體組織金相圖（過(guò)共晶白口鐵組織）三次滲碳體組織金相圖5)、珠光體（P）：

珠光體是鐵素體和滲碳體呈片狀交替排列的機(jī)械混合物。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在不同放大倍數(shù)的顯微鏡下，可以看到具有不同特征的珠光體組織。在高倍放大時(shí)能清楚地看到珠光體中平行相間的寬片鐵素體和細(xì)片滲碳體；當(dāng)放大倍數(shù)較低時(shí)，由于顯微鏡的鑒別率小，滲碳體片很薄，這時(shí)珠光體中的滲碳體就只能看到的是一條黑線；當(dāng)組織較細(xì)而放大倍數(shù)較低時(shí)，珠光體的片層就不容易分辨出來(lái)，而呈黑色塊狀。

顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因此得名。這是T8鋼的退火組織。6)、萊氏體（Ld＇）：

由奧氏體和滲碳體組成的兩相機(jī)械混合物。用Ld表示。奧氏體在727℃時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫下由珠光體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體，用符號(hào)Ld/表示。萊氏體硬度很高，脆性大，塑性很差。

這是共晶白口鑄鐵的鑄造組織，珠光體呈橢圓狀分布在滲碳體的基體上。因其含滲碳體較多，故性能與滲碳體相近。1、平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）2、數(shù)值確定：直接測(cè)量計(jì)算或投影到成分軸測(cè)量計(jì)算。3、只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)(支點(diǎn)和端點(diǎn))要選準(zhǔn)。3、杠桿定律-相含量的計(jì)算工具設(shè)合金的質(zhì)量為Q合金,其中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b%,在T1溫度時(shí),

L相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%,

α相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c%。2.2.2相圖的使用

合金中含Ni的總質(zhì)量=L相中含Ni的質(zhì)量+α相中含Ni的質(zhì)量

因?yàn)?/p>

所以

化簡(jiǎn)后得

質(zhì)量分?jǐn)?shù)

返回4、鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析1)工業(yè)純鐵純鐵500×

2)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析

共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖T83)亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析

45#60#亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖4)過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程分析

過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖T125)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程分析

共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖共晶白口鑄鐵（100X）共晶白口鑄鐵（400X）6)亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程分析

亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖亞共晶白口鑄鐵（100X）亞共晶白口鑄鐵（400X）7)過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程分析

過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖過(guò)共晶白口鑄鐵（100X）過(guò)共晶白口鑄鐵（400X）純鐵的室溫平衡組織(0.01C/%)鐵素體

45鋼的室溫平衡組織(0.45C/%)

鐵素體+珠光體

T8鋼的室溫平衡組織(0.77C/%)珠光體

T12鋼的室溫平衡組織(1.2C/%)

珠光體+二次滲碳體

亞共晶白口鑄鐵室溫平衡組織共晶白口鑄鐵室溫平衡組織過(guò)共晶白口鑄鐵室溫平衡組織鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析組織圖：Fe3C形態(tài)：Fe3CⅢ：

薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀Fe3CⅡ：網(wǎng)狀Fe3CⅠ：粗大片狀共析Fe3C：層片狀共晶Fe3C：基體4、碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響1）、對(duì)平衡組織的影響（隨C%提高）組織：α＋Fe3CⅢLd`＋Fe3CⅠ；

相：α減少，F(xiàn)e3C增多；2）、對(duì)力學(xué)性能的影響強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性下降。隨著含碳量的增加，強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，由于網(wǎng)狀二次滲碳體的出現(xiàn)，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降。為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)乃苄?、韌性，其含碳一般不超過(guò)1.3~1.4%。含碳量大于2.11%的鐵碳合金，即白口鑄鐵，由于其組織中存在大量的滲碳體，具有很高的硬度和脆性，難以切削加工，除少數(shù)耐磨件外很少應(yīng)用。3、對(duì)工藝性能的影響

1、適合鍛造和焊接：C%<2.11%，可得到單相組織。金屬的可鍛性是指金屬進(jìn)行壓力加工時(shí)，能改變其形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。低碳鋼的可鍛性優(yōu)于高碳鋼。金屬的可焊性是以焊接接頭的可靠性和出現(xiàn)焊縫裂紋的傾向性為其技術(shù)判斷指標(biāo)。鋼中Wc↑，其可焊性↓，故焊接用鋼主要是指低碳鋼和低碳合金鋼2、適合鑄造：C%～4.3%，流動(dòng)性好。共晶成分的鑄鐵，不僅液相與固相線的距離最小，而且熔點(diǎn)亦最低，故流動(dòng)性好，分散縮孔小，偏析少，鑄造性能好。3、適合冷塑變：C%<0.25%，變形阻力小。4、適合熱處理：0.0218%~2.11%，有固態(tài)相變。5、切削加工性能：材料的硬度太軟,容易粘刀,切削熱大,影響表面粗糙度;材料的硬度太硬,刀具磨損嚴(yán)重。鋼的硬度為HB170～250時(shí)，切削加工性能較好。

4、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)中的應(yīng)用1、在選材方面的應(yīng)用

低碳鋼：塑性、韌性好，用于沖壓件、焊接件、抗沖擊件。橋梁、船舶、車輛及各種建筑材料，需要塑性、韌性好的材料，可選用低碳鋼（0.1%~0.25%）；中碳鋼:綜合力學(xué)性能較好，用于軸、齒輪等。對(duì)工作中承受沖擊載荷和要求較高強(qiáng)度的各種機(jī)械零件，希望強(qiáng)度和韌性都比較好，可選用中碳鋼（0.25%~0.65%）；高碳鋼：強(qiáng)度、硬度、耐磨性好，用于各種工模具。制造各種切削工具、模具及量具時(shí)，需要高的硬度、而耐磨性，可選用高碳鋼（0.77%~1.44%）。白口鐵：性硬而脆，但鑄造性能好，用于不受沖擊的鑄件。對(duì)于形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)器底座等，可選用熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好的鑄鐵材料。2、在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用由Fe-Fe3C相圖可見，共晶成分的鐵碳合金熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度范圍最小，具有良好的鑄造性能。因此，在鑄造生產(chǎn)中，經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。

3、在鍛壓生產(chǎn)上的應(yīng)用

鋼在室溫時(shí)組織為兩相混合物，塑性較差，變形困難。而奧氏體的強(qiáng)度較低，塑性較好，便于塑性變形。因此在進(jìn)行鍛壓和熱軋加工時(shí)，要把坯料加熱到奧氏體狀態(tài)。加熱溫度不宜過(guò)高，以免鋼材氧化燒損嚴(yán)重，但變形的終止溫度也不宜過(guò)低，過(guò)低的溫度除了增加能量的消耗和設(shè)備的負(fù)擔(dān)外，還會(huì)因塑性的降低而導(dǎo)致開裂。所以，各種碳鋼較合適的鍛軋加熱溫度范圍是：始鍛軋溫度為固相線以下100~200℃；終鍛軋溫度為750~850℃。對(duì)過(guò)共析鋼，則選擇在PSK線以上某一溫度，以便打碎網(wǎng)狀二次滲碳體。4、在焊接生產(chǎn)上的應(yīng)用焊接時(shí)，由于局部區(qū)域（焊縫）被快速加熱，所以從焊縫到母材各區(qū)域的溫度是不同的，由Fe-Fe3C相圖可知，溫度不同，冷卻后的組織性能就不同，為了獲得均勻一致的組織和性能，就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。5、在熱處理方面的應(yīng)用從Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金在固態(tài)加熱或冷卻過(guò)程中均有相的變化，所以鋼和鑄鐵可以進(jìn)行有相變的退火、正火、淬火和回火等熱處理。此外，奧氏體有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度隨溫度的提高而增加，這就是鋼可以進(jìn)行滲碳和其它化學(xué)熱處理的緣故。六、實(shí)驗(yàn)思考題1.根據(jù)所觀察的鐵碳合金組織，說(shuō)明含碳量對(duì)鐵碳合金的組織和性能有什么影響。2.何謂一次滲碳體、二次滲碳