二 铁碳合金的金相显微组织观察 - 图文

二：铁碳合金的金相显微组织观察

一、 实验目的

1. 熟悉碳钢和白口铸铁在平衡状态下的显微组织；

2. 熟悉各种工业用铸铁的显微组织特征和石墨存在的不同形态；

3. 运用Fe-C和Fe-Fe3C双重相图分析各种铸铁的石墨化及显微组织形成过程； 4. 观察碳钢经不同热处理后的基本组织； 5. 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响； 6. 熟悉碳钢几种典型热处理组织—马氏体M、屈氏体T、索氏体S、回火马氏体M回火、回火屈氏体T回火、回火索氏体S回火等组织的形态及特征。

二、 预习要求

复习有关铁碳相图和热处理原理的有关内容。

三、 实验所需仪器设备

金相显微镜、标准试样

四、 实验原理

2.1铁碳合金的平衡组织

Fe-Fe3C相图是研究碳钢和白口铸铁的重要工具，也是分析这些合金在平衡状态或接近平衡状态下显微组织的基础。根据Fe-Fe3C相图，含碳量小于2.11%的合金称为碳钢，含碳量大于2.11%的合金称为白口铸铁。虽然这些合金在室温下的组成相都是铁素体和渗碳体，但由于各相的形态、数量和分布不同，它们的显微组织有很大差异。图2-1给出了按组织分区的Fe-Fe3C相图。

图2-1 按组织分区的Fe-Fe3C相图

2.1.1 工业纯铁在退火状态下的显微组织

含碳量低于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。工业纯铁在含碳量小于0.008%时，其显微组织为单相铁素体，如图2-2所示。在含碳量大于0.008%时，工业纯铁的组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。三次渗碳体由铁素体中析出，沿铁素体晶界呈片状分布。

图2-2 工业纯铁的显微组织 400×

2.1.2 碳钢在退火状态下的显微组织

碳钢按含碳量不同可分为共析钢，亚共析钢和过共析钢，其显微组织特点如下： (1)共析钢

含碳量为0.77%的铁碳合金称为共析钢，其组织为共析转变得到的珠光体，即片状铁素体及渗碳体的机械混合物。由杠杆原理可以求得铁素体与渗碳体的重量比约为7.9:1，因此铁素体片厚，渗碳体片薄。在硝酸酒精溶液腐蚀下，铁素体溶解的速率比渗碳体大，因而渗碳体凸起。铁素体和渗碳体对光的反射能力相近，因此在明视场照明条件下二者都是明亮的，只是相界呈暗灰色。上述情况只有在放大倍数较高时才能看清楚，如图4-3所示。当放大倍数较低时，渗碳体片两侧相界已无法分辨，而呈黑色条状，如图2-4所示。如果放大倍数更低，则渗碳体和铁素体片都无法分辨，整个珠光体组织呈暗黑色。

图2-3经高倍放大后的珠光体组织 3200× 图2-4经中倍放大后的珠光体组织 400×

(2)亚共析钢

含碳量在0.0218%至0.77%之间的铁碳合金称为亚共析钢，显微组织为先共析铁素体和

珠光体。随着含碳量的增加，珠光体所占的比例不断增加，接近共析成分时，铁素体在珠光体周围呈网状分布。在显微镜下，当放大倍数不高时(400×以下)，先共析铁素体呈白亮色，珠光体呈暗黑色，如图2-5所示。由于铁素体和珠光体的比重相近，若忽略铁素体中所含的微量碳，根据杠杆定理和亚共析钢显微组织中先共析铁素体与珠光体所占的相对面积，就可以估算出该钢的含碳量。例如，当珠光体和铁素体的面积各占一半时，钢的含碳量为0.77%×0.5=0.4%。但须注意，如果亚共析钢从奥氏体相区以较快的速率冷却下来，则其显微组织中珠光体的含量就要比缓冷时增多，这时若仍用上述方法估算其含碳量，所得结果会偏高。

图2-5 含碳量0.4%的亚共析钢的显微组织 400×

(3)过共析钢

含碳量在0.77%与2.11%之间的铁碳合金，称为过共析钢，其组织为先共析渗碳体和珠光体。先共析渗碳体呈网状分布在珠光体周围，随着含碳量增加，先共析渗碳体的量增加，网状略有加宽。图2-6为T12钢(含碳量约1.2%)退火后的显微组织。 这样的组织有时不易与接近共析成分的亚共析钢区别。但是如果用煮沸的碱性苦味酸钠溶液腐蚀，则渗碳体被染成暗黑色，而铁素体仍为白亮色，如图2-7所示。因此用这种腐蚀剂可以将接近共析成分的过共析钢与亚共析钢区分开。

图2-6为T12钢的显微组织 图2-7为T12钢的显微组织

(4%硝酸酒精溶液腐蚀) 400× (碱性苦味酸钠溶液腐蚀) 400×

2.1.3 白口铸铁的显微组织

白口铸铁只含有渗碳体而不含有石墨，断口呈白亮色，因此而得名。白口铸铁按其含碳量不同可分为共晶、亚共晶、过共晶三类，其中只有亚共晶白口铸铁有使用价值。

(1)共晶白口铸铁

含碳量为4.3%的白口铸铁称为共晶白口铸铁；这种铸铁的显微组织为共晶转变的产物，通常称为莱氏体，这是为了纪念德国金相学家莱德堡(Ledebur)而命名的。莱氏体在钢形成时由细小的奥氏体与渗碳体两相混合物组成；继续冷却时，奥氏体将不断析出二次渗碳体，即先共析渗碳体，这部分渗碳体与原莱氏体中的渗碳体连在一起。无法分辨。冷到727℃时，奥氏体的含碳量改变到0.77％，通过共析转变而形成珠光体。因此，室温下看到的莱氏体组织由珠光体和渗碳体组成，如图2-8所示。图中黑色的细小颗粒或条状组织为珠光体，白亮的基体为渗碳体。由图可以看出，虽然共晶白口铸铁凝固后还要经历一系列的固态转变，但是它的显微组织仍具有典型的共晶体特征。

图2-8 共晶白口铸铁的显微组织 400×

(2)亚共晶白口铸铁

含碳量在2.11%与4.3%之间的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在刚凝固后其组织为先共晶奥氏体和莱氏体，在随后的冷却过程中，先共晶奥氏体要不断析出二次渗碳体，然后再转变为珠光体，莱氏体中的奥氏体也要析出二次渗碳体，再转变为珠光体。在亚共晶白口铸铁的显微组织中，由先共晶奥氏体转变而成的珠光体仍保持其树枝状特征。图2-9为亚共晶白口铸铁的显微组织。

图2-9 亚晶白口铸铁的显微组织 400× 图2-10 过晶白口铸铁的显微组织 400×

(3)过共晶白口铸铁

含碳量大于4.3%而又小于6.69%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，其显微组织为一次渗碳体，如图2-10所示。图中白色长条（空间为片状）为一次渗碳体，其余为莱氏体。

2.2 工业用铸铁的显微组织

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。根据铁—碳双重相图可知，当铸铁由液态凝固时，若冷却较快，碳以Fe3C的形式析出，这时形成的铸铁为白口铸铁；当冷却较慢而又加入一些促进石墨化的合金元素(如硅)后，碳可以部分或全部以石墨的形式析出，由此形成的铸铁为含石墨铸铁。白口铸铁的特点是硬而脆，强度低，只能用于某些耐磨件。机械工业中最常用的铸铁是含石墨铸铁。工业用铸铁的含碳量大致为1.7~4.5%，含硅量为1~3%。硅的作用是促进石墨化。硅略为提高铁碳合金的共晶转变温度，并显著减少共晶点的含碳量。当含硅量为2.3%和3.6%。时，共晶点的含碳量分别约为3.65%及3.24%。因此，硅可以增加共晶体的数量，从而改善铸造时铁水的流动性。

铸铁的石墨化可分为以下三个阶段，即第一阶段、中间阶段和第二阶段。第一阶段是共晶反应阶段，此时从液相中直接结晶出一次石墨，或者由一次渗碳体和共晶组织中的渗碳体在此温度下退火分解为石墨和奥氏体；中间阶段处于从共晶转变到共析转变之间，此时由奥氏体中直接析出二次石墨，或者二次渗碳体在此温度范周内退火分解成石墨和奥氏体；第二阶段是共析反应阶段，即在共析转变中奥氏体直接转变为石墨和铁素体，或者由共析组织中的渗碳体退火时分解为石墨和铁素体。当灰口铸铁石墨化的过程不同时，它的基体也就不同。三个阶段都得以完全进行的为铁素体基体；第二个阶段进行不完全的得到铁素体和珠光体基体；第二个阶段未进行的为珠光体基体。

与白口铸铁相比，含石墨的铸铁具有一定强度，易切削，并具有优良的减震性。石墨的形态、大小和分布对铸铁的性能有很大的影响，通常是以改变石墨片的大小和形态来改变铸铁的性能。根据石墨的大小及形态的不同，含石墨铸铁又可分为普通灰口铸铁，孕育铸铁，球墨铸铁、蠕虫状石墨铸铁和可锻铸铁。每种铸铁都可具有上述三种基体。

(1)普通灰口铸铁

普通灰口铸铁由片状石墨和金属基体组成。图2-11为抛光后未经过腐蚀的普普通灰口铸铁的显微组织中，暗黑色的石墨呈片状分布。经过深腐蚀后可以在扫描电镜下观察到灰口铸铁中石墨片的复杂形态。各石墨片往往是互相连在一起的，或者说各个石墨片往往是石墨单晶的一个分支。如图2-12所示。以珠光体加铁素体为基体的灰口铸铁是最常用的，其显微组织如图2-13所示。由图可以看出，铁素体大多出现在石墨周围。图2-14为珠光体基体的铸铁，这种铸铁的强度较高，生产工艺简单，成本低，因此应用广泛，但是机械性能差。

(2)孕育铸铁

孕育铸铁是一种高强度灰口铸铁。与普通灰口铸铁不同之处只是石墨片比较细小，分布更均匀。这种铸铁在浇注前加入孕育剂(硅铁、硅钙铁及少量的铝)使凝固后得到细小均匀的片状石墨，从而提高了铸铁的机械性能。可制作要求较高的零件。

(3)球墨铸铁

球墨铸铁是一种优质铸铁。在浇注前加入球化剂(镁快)和墨化剂(硅铁)，使石墨结晶成球状，这样不仅铸铁的强度提高，而且塑性和韧性也有了较大的改善，其综合性能接近于钢，图2-15为经过抛光但未腐蚀的球墨铸铁显微组织，由图可以看到球状石墨的大小及分布，珠光体加铁素体基体的球墨铸铁(图2-16)应用最广。图3-17为偏振光照明下石墨球的组织，整个石墨被一些辐射状的条纹分割成多个扇形，显示出石墨球的多晶体特征。图2-18为球墨铸铁经过深腐蚀后的扫描电镜照片，石墨为多边形的不光滑球体，从图还可看出石墨呈螺旋生长的特征。

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