实验  Fe－Fe₃C相图观察

一、实验目的

 1．认识铁碳合金的平衡组织。
　　2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响规律。
　　3．加深对平衡状态下碳钢的成分、组织 、性能间关系的认识。

二、实验原理

　　铁碳合金的显微组织是研究和分析铁碳材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷条件下（退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。因此我们可以根据Fe－Fe₃C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（图1-1所示）。

图1-1  Fe－Fe₃C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泛的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。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，因而呈现各种不同的组织形态。

     用侵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。

      1．铁素体（F）——碳在α-Fe中形成的固溶体。铁素体为体心立方晶体，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，黑色网是晶界，这是因为晶粒晶界耐腐蚀性不同，而且各晶粒的位向不同呈现不同的颜色；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。

      2．渗碳体（Fe₃C）——是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，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，通常是不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。

      3．珠光体（P）一是铁素体和渗碳体的机械混合物。在一般退火处理情况下，是由铁素体与渗碳体相互混合交替形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体厚度，这时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较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。

      4．低温莱氏体（Le）——是在室温时珠光体十二次渗碳体十渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为4.3％的共晶白口铸铁在1147℃对形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体机械合物，称为莱氏体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723℃以下分解为珠光体，这就是共晶反应，其结果是成为低温莱氏体。低温莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。

    根据含碳量及组织特点的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。

三、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，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。图1-2所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基底则是铁素体的不规则等轴晶料，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。

图1-2  工业纯铁(400X)　浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

四、钢

1．亚共析钢

    亚共析钢的含碳量在0.02％～0.77％范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成。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。图1-3为亚共析钢（45钢）的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。

图l－3  45钢（400X） 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

    2．共析钢

  　 共析钢是含碳量为0.77％的碳钢，它由单一的珠光体组成，组织如图1-4所示。

图1-4  T8钢(400X)　浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

3．过共析钢

    含碳量超过0.77％的碳钢为过共析钢，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，二次渗碳体就越多。

图1-5  T12钢（400X）　浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

      图1-5表示含碳量为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格状渗碳体，经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体是暗黑色，而二次渗碳体是白色细网状。

五、铸铁

1．亚共晶白口铸铁

      含碳量＜4.3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白日铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体，如图1-6所示。用硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下呈现黑色技晶状的珠光体和斑点状低温莱氏体。

图1-6  亚共晶白口铸铁（400X）　浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液

 2．共晶白口铸铁

     共晶白日铸铁的含碳量为4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经侵蚀后，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。

图1－7  共晶白口铸铁（400X）　浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液

    3．过共晶白口铸铁

     含碳量大于4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和低温菜氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的低温莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体，如图1-8所示。

图1－8  过共晶白口铸铁（400X）　浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
 

六、实验所用设备及试样

1、金相显微镜

2、各种铁碳合金的平衡组织标准金相试样

七、实验步骤和方法

    1．观察以下各种成分的铁碳合金显微组织：

    ① 工业纯铁；② 45钢；③ T8钢；④ T12钢；⑤ 亚共晶白口铸铁；⑥共晶白口铸铁；⑦过共晶白口铸铁

    2．观察组织时注意观察各种组织的特点，含碳量对组织相对量的影响。

    3．实验报告内容：

    ① 分别在直径为50mm圆内画出所观察各种试样的显微组织图，并注明钢号、腐蚀剂、放大倍数，并用箭头标明各部分组织名称。

    ② 说明含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响规律。

 

第二篇：实验二 铁碳合金非平衡组织观察

实验二铁碳合金非平衡组织观察

一、实验目的

（1）观察碳钢经不同热处理后的基本组织；熟悉碳钢几种典型热处理组织的形态及特征。

（2）了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。

二、概述

碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是非平衡组织。

1、各组织的显微特征

索氏体(S)

F与Fe₃C的机械混合物。其片层比P更细密，在高倍（700倍以上）显微放大时才能分辨。

屈氏体(T)

F与Fe₃C的机械混合物，片层比S细密，在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状；当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。

贝氏体(B)

A的中温转变产物，也是F与Fe₃C的两相混合物。在显微形态上，主要有三种形态：

上贝氏体(B_上)

由成束平行排列的条状F和条间断续分布的Fe₃C所组成的非层状组织。当转变量不多时，在光学显微镜下为成束的F条向A晶内伸展，具有羽毛状特征。

下贝氏体(B_下)

在片状F内部沉淀有K的两相混合物组织。它比淬火M易受浸蚀，在显微镜下呈黑色针状。

在电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成55~60^o的角度。

粒状贝氏体

是最近十几年才被确认的组织。在低、中碳合金钢中，特别是连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往容易出现，在等温冷却时也可能形成。它的形成温度范围大致在上贝氏体转变温度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。

马氏体(M)

C在α-Fe中的过饱和固溶体。M的形态按含C量主要分两种，即板条状和针状。

板条状马氏体(M_板)

一般为低碳钢或低碳合金钢的淬火组织。组织形态由尺寸大致相同的细M条定向平行排列组成M束或M领域。在M束之间位向差较大，一个A晶粒内可形成几个不同的M领域。M板具有较低的硬度和较好的韧性。

针状马氏体(M_针)

C量较高的钢淬火后得到的组织。在光学显微镜下，它呈竹叶状或针状，针与针之间成一定的角度。最先形成的M较粗大，往往横穿整个A晶粒，将A晶粒加以分割，使以后形成的M的大小受到限制。因此，针状M的大小不一。同时有些M有一条中脊线，并在M周围有A_R。针状M的硬度高而韧性差。

残余奥氏体(A_R)

——含C量>0.5%的A淬火时被保留到室温不转变的那部分A。它不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在M之间，无固定形态。 

回火马氏体(M_回)

——低温回火（150~250℃）组织。它保留了原M形态特征。针状M回火析出了极细的K，容易受到浸蚀，在显微镜下呈黑色针状。低温回火后M针变黑，而A_R不变仍呈白亮色。低温回火后可以部分消除淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高硬度。

回火屈氏体(T_回)

中温回火（350~500℃）组织。T_回是F与粒状Fe₃C组成的极细混合物。F基体基本上保持了原M的形态（条状或针状），第二相Fe₃C则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨。中温回火后有很好的弹性和一定的韧性。

回火索氏体(S_回)

高温回火（500~650℃）组织。S回是F与较粗的粒状Fe₃C所组成的机械混合物。碳钢S回中的F已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状。经充分回火的S已没有针的形态。在大于500倍的光镜下，可以看到Fe₃C微粒。S回具有良好的综合机械性能。

T_回、S_回是淬火M回火时的产物，它们的Fe₃C是颗粒状的，且均匀地分布在F基体上；而淬火S和淬火T是A过冷时直接形成的，其Fe₃C是呈片状。回火组织较淬火组织在相同硬度下具有较高的塑性与韧性。

三、实验内容

（1）观察表1所列试样的显微组织。

（2）描绘出所观察样品的显微组织示意图，并注明材料、处理工艺、放大倍数、组织名称等。                           

                                      表1

实验材料及设备

（1）金相显微镜；

（2）经各种不同热处理的金相试样；

实验步骤

（1）观察各类不同热处理工艺的显微组织。

实验报告

(1)写出实验目的；

(2)说明所观察样品中的组织。

(3)比较并讨论直接冷却得到的M、T、S和淬火、回火得到的M_回火、T_回火、S_回火的组织形态和性能差异。