第九章鐵碳合金平衡組織的顯微分析

1、第九章 鐵碳合金平衡組織的顯微分析Fe-Fe3C相圖是研究碳鋼和白口鑄鐵的重要工具，也是分析這些在平衡狀態(tài)或接近平衡狀態(tài)下顯微組織的基礎(chǔ)。根據(jù)Fe-Fe3C相圖，含碳量小于2.11%的合金稱為碳鋼，含碳量大于2.11%的合金稱為白口鑄鐵。在室溫下鐵碳合金的基本組成相為鐵素體與滲碳體，不同含碳量的合金，在組織上差異是這兩個(gè)基本的相對(duì)量、形態(tài)及分布不同。在鐵碳合金中滲碳體的相對(duì)量，存在形態(tài)以及分布狀況，對(duì)合金的性能影響很大，在碳鋼中滲碳體一般可以認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)化相。見圖9-1。圖9-1 按組織分區(qū)的Fe-Fe3C相圖一、工業(yè)純鐵在退火狀況下的顯微組織含碳量低于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵。工

2、業(yè)純鐵在含碳量小于0.008%時(shí)，其顯微組織為單相鐵素體。如圖9-2所示。圖中有的晶粒呈暗色，這是由于不同晶粒受腐蝕的程度不同造成的。在含碳量大于0.008%時(shí)，工業(yè)純鐵的組織為鐵素體和極少量的三次滲碳體。三次滲碳體由鐵素體中析出，沿鐵素體晶界呈片狀分布。二、碳鋼在退火狀態(tài)下的顯微組織含碳量在0.02182.11%范圍的鐵碳合金稱為碳鋼。碳鋼按含碳量與平衡組織的不同可分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。1亞共析鋼圖9-3 含碳量0.4%的亞共析鋼的顯微組織 200x圖9-2 工業(yè)純鐵的顯微組織圖 200x含碳量在0.02180.77%之間的鐵碳合金稱為亞共析鋼，所亞共析鋼冷卻到室溫后顯微組織均

3、為先共析鐵素體和珠光體組成。隨著含碳量的增加珠光體所占的比例也不斷增加，當(dāng)增加到0.77時(shí)(鐵素體在珠光體周圍呈網(wǎng)狀分布)，整個(gè)組織為珠光體。用顯微鏡觀察放大倍數(shù)低于400時(shí)，先析出鐵素體呈亮白色，珠光體呈暗黑色如圖9-3所示。由于鐵素體和珠光體比重相近，若忽略鐵素體中所含的微量碳，根據(jù)杠桿定理和亞共析鋼顯微組織中先共析鐵素體與珠光體所占的相對(duì)面積，就可以估算出該鋼的含碳量。例如：當(dāng)不珠光體和鐵素體的面積各占一半時(shí)，鋼的含碳量為，由此可定此鋼為40#碳素鋼。但須注意，如果亞共析鋼從奧氏體相區(qū)以較快的速率冷卻下來，而因共析轉(zhuǎn)變時(shí)過冷度增大，共析體含碳量偏低，故其顯微組織中珠光體的含量就要比緩冷時(shí)

4、增加，此時(shí)若仍用上述方法來估算出的結(jié)果其含碳量將會(huì)偏高。圖9-5 經(jīng)中倍放大后的珠光體500x圖9-4 經(jīng)高倍放大后的珠光體 3000x2共析鋼含碳量為0.77%的鐵碳合金稱為共析鋼。其組織為共析轉(zhuǎn)變得到的珠光體，即片狀鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。由杠桿定理可以求得鐵素體與滲碳體的重量比約為7.9:1，因此鐵素體厚，滲碳體薄。用硝酸酒精腐蝕后，由于珠光體中鐵素體比滲碳體的電極電位低，在正常浸蝕下，鐵素體為陽極被溶解，而滲碳體被溶解為凸出相(用DIC方法可以驗(yàn)證)。而此于鐵素體和滲碳體對(duì)光的反射能力相近，因此在明視場照明條件下二者都是明亮的。只有相界呈暗灰色，當(dāng)放大倍數(shù)較高時(shí)，上述情況才能看清楚

5、如圖9-4所示。如放大倍數(shù)較低時(shí)，滲碳體片兩側(cè)相界已無法分辨，而呈黑色條狀圖9-5所示。將放大倍數(shù)降到更低時(shí)，則滲碳體片都無法分辨，整個(gè)珠光體組織無法分辨而呈暗黑色一片。3過共析鋼圖9-6 T12鋼的顯微組織 圖9-7 T12鋼的顯微組織（ 4%硝酸酒精溶液腐蝕）500X （ 堿性若味酸鈉溶液腐蝕）500X 含碳量在0.772.11%之間的鐵碳合金稱為過共析鋼，其組織為先共析滲碳體和珠光體。先共析滲碳體由奧氏體中沿晶界析出，故呈網(wǎng)狀分布在隨后發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成的珠光體周圍。其室溫組織為網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體。隨著含碳量增加，先共析滲碳體的量也增加，網(wǎng)狀略有加寬。圖9-6為T12鋼(含碳量約1.2

6、%)退火后的顯微組織，這種組織有時(shí)較難以接近共析成分的亞共析鋼區(qū)別。如果用煮沸的堿性若味酸鈉溶液腐蝕，會(huì)使?jié)B碳體呈暗黑色而鐵素體仍保持白色如圖9-7所示。因此有管種腐蝕劑可以將接近共析成分的過共析鋼與亞共析鋼區(qū)分開。三、白口鑄鐵的顯微組織鑄鐵在鑄造時(shí)，如果冷卻速度快，或者含碳量較低時(shí)則生成白口鐵，白口鐵中碳均以Fe3O存在，并具有萊氏體組織，所以白口鑄鐵只含有滲碳體而不含石墨，斷口呈白亮色而得名。白口鑄鐵根據(jù)其含碳量的不同可分為亞共晶、共晶、過共晶三種。由于白口鑄鐵硬而脆，在機(jī)器制造業(yè)中應(yīng)用很少。其中亞共晶白口鑄鐵有使用價(jià)值。1共晶白口鑄鐵含碳量為4.3%的白口鑄鐵稱為共晶白口鐵。其顯微組織為

7、共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，最后得到的平衡組織為樹枝狀珠光體分布在共晶的滲碳體的基體上，通常稱為萊氏體。這是為了紀(jì)念德國金相學(xué)家萊德堡(Ledebur)而命名的，萊氏體在剛形成時(shí)由細(xì)小的奧氏體與滲碳體兩相混合物組成，繼續(xù)冷卻時(shí)，奧氏體將不斷析出二次滲碳體，即先共析滲碳體，這部分滲碳體與原萊氏體中的滲碳體連在一起，無法分辨。冷到727時(shí)，奧氏體的含 圖9-8 共晶白口鑄鐵顯微組織 200x 圖9-9 亞共晶白口鑄鐵顯微組織 200x碳量改變到0.77%，通過共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體。因此室溫下看到的萊氏體組織是由珠光體和滲碳體組成的，如圖9-8所示。圖中黑色的細(xì)小顆粒或條狀組織為珠光體，白亮的基體仍為滲碳體。從

8、圖中可以看出，雖然共晶白口鑄鐵凝固后還要經(jīng)歷一系列的固態(tài)轉(zhuǎn)變，但是它的顯微組織仍具有典型的共晶體特征。2亞共晶白口鑄鐵含碳量在2.114.3%之間的白口鑄鐵稱為亞共晶白口鑄鐵。在剛凝固后其組織為先共晶奧氏體和萊氏體，在隨后的冷卻過程中，先共晶奧氏體要不斷析出二次滲碳體，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，萊氏體中的奧氏體也要析出二次滲碳體，再轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。在亞共晶白口鑄鐵的顯微組織中，由先共晶奧氏體轉(zhuǎn)變而成的珠光體仍保持其樹枝狀特征圖9-9為共晶白口鑄鐵的顯微組織。3過共晶白口鑄鐵含碳量大于4.3%而又小于6.69%的白口鑄鐵稱為過共晶白口鑄鐵，其顯微組織為一次滲碳體和萊氏體，如圖9-10所示，圖中白色長條狀

9、(空間為片狀)為一次滲碳體，其余為萊氏體。圖9-10 過共晶白口鑄鐵顯微組織 200x四. 灰口鑄鐵、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵灰口鑄鐵、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵中，部分或絕大部分碳以石墨形式存在。1灰口鑄鐵圖9-11 灰口鑄鐵的顯微組織圖 200x(a) 鐵素體基體 (b) 鐵素體-珠光體基體 (c) 珠光體基體(a)(c)(b)石墨呈片狀，基體有鐵素體（圖9-11a）、鐵素體珠光體（圖9-11b）及珠光體（圖9-11c）三種。在鐵水中加入少量孕育劑，使石墨結(jié)晶成細(xì)小片狀，均勻分布，基體為珠光體的灰口鑄鐵稱為孕育鑄鐵。2球墨鑄鐵在鐵水中加入球化劑與孕育劑，使石墨呈球狀析出。球墨鑄鐵通過不同的熱處理后，基體

10、有鐵素體（圖9-12a）、鐵素體 珠光體（圖9-12b）、珠光體（圖9-12c）及下貝氏體（圖9-12d）等四種。 3可鍛鑄鐵將白口鑄鐵進(jìn)行高溫長時(shí)間退火，使石墨呈團(tuán)絮狀析出?；w有鐵素體（圖9-13a）及珠光體（圖9-13b）兩種，生產(chǎn)中以鐵素體基體的可鍛鑄鐵應(yīng)用較廣。上述三種鑄鐵組織都是以鋼為基體加上石墨所組成的。因此，影響其機(jī)械性能的主要因素是：圖9-12 球墨鑄鐵的顯微組織(a)鐵素體基體（200x） (b)鐵素體-珠光體基體（200x） (c)珠光體基體（200x） (d)下貝氏體基體（500x）(a)(d)(c)(b)1石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布由于石墨本身的硬度、強(qiáng)度與塑性都極

11、低（幾乎為零），所以它的存在就象是在鋼的基體上分布著大量細(xì)小的空洞或裂紋。當(dāng)石墨呈片狀時(shí)，應(yīng)力集中、割裂基體、減少承載面積的現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，因而鑄鐵抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性大為降低；反之，如石墨呈球狀，則鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性均較好。圖9-13可鍛鑄鐵的顯微組織（a） 鐵素體基體 200x （b) 珠光體基體 100x(a)(b)當(dāng)石墨形態(tài)一定時(shí)，石墨愈粗大、數(shù)量愈多以及分布愈不均勻時(shí)，鑄鐵的機(jī)械性能就愈低。2金屬基體基體對(duì)鑄鐵的強(qiáng)度、塑性與韌性也有影響。珠光體基體可提高鑄鐵強(qiáng)度，鐵素體基體可提高鑄鐵的塑性與韌性。但這種影響相對(duì)石墨對(duì)鑄鐵機(jī)械性能的影響是較小的。只有當(dāng)石墨呈球狀時(shí)，改變基體組織，

12、才能顯著地改變鑄鐵的機(jī)械性能。實(shí) 驗(yàn)一、 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉碳鋼和白口鑄鐵在平衡狀態(tài)下的顯微組織。2、觀察與分析各種鑄鐵的顯微組織特征，識(shí)別石墨形態(tài)與基體類型，從而了解鑄鐵機(jī)械性能與組織的關(guān)系。3、觀察的金相試樣。包括：鐵素體灰口鑄鐵、鐵素體珠光體灰口鑄鐵、珠光體灰口鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵、鐵素體珠光體球墨鑄鐵、下貝氏體球墨鑄鐵、鐵素體可鍛鑄鐵及珠光體可鍛鑄鐵。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察下表中所列試樣的顯微組織，畫下所觀察組織的示意圖。試樣編號(hào)材 料顯 微 組 織腐 蝕 劑1工業(yè)純鐵鐵素體(F)4%硝酸酒精溶液2亞共析鋼(0.45%C)鐵素體(F)+珠光體(P)4%硝酸酒精溶液3共析鋼(0.77%C)

13、珠光體(P)4%硝酸酒精溶液4過共析鋼(1.2%C)珠光體(P)+二次滲碳體(CmII)4%硝酸酒精溶液5過共析鋼(1.2%C)珠光體(P)+二次滲碳體(CmII)堿性苦味酸鈉溶液6亞共晶白口鑄鐵萊氏體(L)+珠光體(P)+二次滲碳體(CmII)4%硝酸酒精溶液7共晶白口鑄鐵萊氏體(L)4%硝酸酒精溶液8過共晶白口鑄鐵萊氏體(L)+一次滲碳體(CmI)4%硝酸酒精溶液三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?畫出所觀察樣品的顯微組織示意圖，注明合金成分、狀態(tài)、放大倍數(shù)及各組織組成物的名稱，說明其特征，并分析其形成過程。3. 在金相顯微鏡下觀察上述鑄鐵的顯微組織，注意分辨各種鑄鐵的基體類型及石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布，并繪制各種鑄鐵的顯微組織示意圖填入下表。 .各種鑄鐵的顯微組織及其形態(tài)特征試樣材料處理狀態(tài)顯微組織示意圖（標(biāo)出組織組成物）組織組成物浸蝕劑放大倍數(shù)鐵素