铁碳合金平衡组织的观察与分析

一、实验目的

1.熟悉掌握铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。

2.分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。

二、实验原理

铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。可根据以组织组成物标注的Fe-Fe₃C合金相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织，如图1–１所示。

图1–1以组织组成物标注的Fe-Fe₃C合金相图

铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切相关。此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe-Fe₃C相图的理解。

从Fe-Fe₃C相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe₃C）这两个基本相组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。

在Fe-Fe₃C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义见表1-１。

表1-1铁碳相图中各特征点的说明

Fe- Fe₃C相图中有二条水平线（此处不介绍包晶线及包晶反应）：

ECF水平线（1148°C）为共晶线，在该线温度下将发生共晶转变：L_4.3®A_2.11 + Fe₃C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称高温莱氏体（Ld）。

PSK水平线（727°C）为共析线，在该线温度下将发生共析转变：A_0.77®F_0.0218 + Fe₃C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称珠光体（P）。共析线又称为A₁线。

Fe- Fe₃C相图中还有固态转变线：GS为 A体⇋F体固溶体转变线，又称为A₃线；ES线为碳在A体中的固溶线。称为A_cm线；PQ线为碳在F体中的固溶线。

综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体Fe₃C_Ⅰ（由液相直接析出的渗碳体）、二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ、三次渗碳体Fe₃C_III、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。

各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表1-2。

表1-2  各种铁碳合金在室温下的显微组织

用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。

1. 铁素体（F）：碳在α–Fe中的固容体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。用3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。

2. 渗碳体（Fe₃C）：经3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状在于铁素体晶界处，数量极微。

3. 珠光体（P）：是铁素体与渗碳体的机械混合物。

片状珠光体，是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层片状组织，经浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到不同特征的珠光体组织。高倍放大时能清楚看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，当组织较细而放大倍数低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。

球状珠光体：它的组织特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈黑色。

4. 低温莱氏体（Ld′）：是在室温时珠光体与二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物。低温莱氏体显微组织特征是在亮白色共晶渗碳体基底上分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。

根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。

1. 工业纯铁

含碳量小于0.02%，显微组织由铁素体和少量三次渗碳体组成。如图2–2所示。其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基体则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。

材料：工业纯铁   100×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

金相组织：铁素体

图1–2   工业纯铁退火显微组织

2. 钢

（1）亚共析钢

含碳量为0.02～0.77%，其组织由铁素体和珠光体组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多。如图1–3 (a) (b)所示。

(a)

材料：20钢  500×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

金相组织；块状铁素体+片状珠光体

(b) 

材料：45钢  500×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

金相组织：块状铁素体+片状珠光体

 图1–3  亚共析钢退火显微组织：（a）20钢退火显微组织；（b） 45钢退火显微组织

图中亮白色块状为铁素体，暗黑色为珠光体。根据二者所占面积百分数，近似计算出钢的含碳量。首先在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，然后近似地计算出钢的含碳量，即碳含量≈P×0.8%，其中P为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到50%的面积为珠光体，50%为铁素体，则此钢C= =0.4%即相当于40钢。

（2）共析钢

含碳量为0.77%，组织为单一的珠光体，其显微组织如图1–4所示。在不同方向的片层集团交界处，构成了珠光体的晶界。

（3）过共析钢

含碳量大于0.77%，室温平衡组织由珠光体和二次渗碳体组成。其中二次渗碳体沿晶界呈网状分布。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。图1–5所示为含碳量1.2%的过共析钢的显微组织。组织形态为层片相间的珠光体和细小的网络状渗碳体，经硝酸酒精浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状。

材料：T8钢（共析钢）500×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

金相组织：片状珠光体

图1–4 共析钢退火显微组织   

 材料：T12钢（过共析钢）500×浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

金相组织：层片状珠光体和二次渗碳体（白色网状）

图1–5 T12钢退火显微组织

3. 白口铸铁

（1）亚共晶白口铸铁

含碳量小于4.3%，室温平衡组织为珠光体、二次渗碳体及低温莱氏体。

用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现黑色枝晶状珠光体和斑点状莱氏体，如图1–6所示。

材料：亚共晶白口铸铁      100×            500×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

金相组织：珠光体（黑色枝晶状）+低温共晶莱氏体（基体）+二次渗碳体

图1–6 亚共晶白口铸铁铸态显微组织

（2）共晶白口铸铁

含碳量为4.3%，室温平衡组织由单一的共晶低温莱氏体组成。经浸蚀后，在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色，如图1–7所示。

材料：共晶白口铸铁500×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

显微组织：低温共晶莱氏体

图1–7 共晶白口铸铁铸态显微组织

（3）过共晶白口铸铁

含碳量大于4.3%，在室温平衡组织由一次渗碳体和低温莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到暗色斑点状的低温莱氏体基体上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体，如图1-8所示。

材料：过共晶白口铸铁  100×     500×

浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

显微组织：低温共晶莱氏体+亮白色粗大条片状的一次渗碳体

图1-8  过共晶白口铸铁铸态显微组织

二、实验仪器及材料

1. 金相显微镜；

2. 各类铁碳合金的金相显微试样：工业纯铁、45钢、T8钢、T12钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。

三、实验内容及步骤

1. 首先由指导教师结合图例讲解Fe-C合金平衡态的基本组织组成，组织的形态特征以及显微镜的基本操作过程。

2. 每2人一组，领取一套金相试样，对着相应的标准组织图认真观察，先对其组织形貌有一个初步的认识和了解。

3. 将待观察试样放在显微镜的载物台上，然后选择低倍镜观察，在较大的视野范围内寻找典型的、清晰的组织区域；然后再用中、高倍镜对所选区域进行仔细观察，观察其组织状态。

4. 认识各成分铁碳合金组织特征后，画出每个试样中典型区域的组织示意图，并标出材料、组织名称、放大倍数。

四、注意事项

1. 观察显微组织时，可先用低倍全面观察，找出典型组织，再用高倍放大，对部分地区进行详细的观察；

2. 试样表面不得用手指接触或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察；

3. 画显微组织图时应抓住组织形态特征，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕或杂质画上。

五、实验报告要求

1. 完成实验后，一个人按标准格式撰写实验报告，另一个人写实验总结并回答思考题。

2. 默绘出Fe-Fe₃C状态图，并标出组织组成物；

3. 在Φ25～30圆内画出所有观察的显微组织，画图时应抓住组织形态的特征。组织按含碳量增加顺序排列，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂、放大倍数及组织名称，并把组织名称与图中相应组织用箭头连接；

六、思考题

1. 以ω_C=3.5%的铁碳合金为例，画出缓慢冷却时的冷却曲线，分析组织变化过程，分别计算室温下各相和组织的相对质量分数。

2. 简述铁碳合金的分类、平衡组织的特征及性能特点。

3．在铁碳合金显微组织中渗碳体有哪几种形态？它们分别在什么条件下存在？

4. 根据观察的显微组织，用杠杆定律估算所观察的亚共析钢未知的含碳量。