实验五++铁碳合金平衡组织的观察与分析 - 图文

实验五 铁碳合金平衡组织的观察与分析

一、实验目的

1．熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。 2．了解由平衡组织估算亚共析钢含碳量的方法。

二、实验说明

研究铁碳合金的平衡组织是分析钢铁材料性能的基础。所谓平衡组织，是指合金在极其缓慢冷却条件下得到的组织。如图5-1所示。

图5-1 Fe— Fe3C平衡组织相图

由Fe— Fe3C相图可以看出，铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体、渗碳体[由分从液体中直接析出的一次渗碳体（Fe3CⅠ）；从奥氏体中析出的二次渗碳体（Fe3CⅡ）；从铁素体中析出的三次渗碳体（Fe3CⅢ）]两个基本相所组成，但对不同含碳量的铁碳合金，由于铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件、形态与分布不同，从而使各类铁碳合金在显微镜表现出不同的组织形貌。

1．工业纯铁

工业纯铁是指含碳量低于0.02％的铁碳合金，其显微组织由铁素体和三次渗碳体所组成。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后铁素体晶粒呈亮白色块状，晶粒和晶粒之间显出黑线状的晶界。三次渗碳体呈不连续的小白片位于铁素体的晶界处。

2．共析钢

共析钢是指含碳量0.77％的铁碳合金。共析钢的显微组织全部由珠光体组成。在平衡条件下，珠光体是铁素体和渗碳体的片状机械混合物，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，其铁素体和渗碳体均为亮白色；在较高放大倍数时（600×以上），能看到珠光体中片层相同的宽条铁素体细条渗碳体，且两者相邻的边界呈黑色弯曲的细条。由于珠光体中铁素体与渗碳体的相对量相差较大，按照杠杆定律可计算出两者相对量的比约为8∶1，从而形成了铁素体片比渗碳体片宽的多的特征。在中等放大倍数下（400×左右），因显微镜的分辨能力不够，珠光体中的渗碳体两侧边界合成一条黑线。在放大倍数更低的情况下（200×左右），铁素体与渗碳体的片层都不能分辨，此时珠光体呈暗黑色模糊状。

3．亚共析钢

亚共析钢是指含碳量为0.02~0.77％之间的铁碳合金。亚共析钢的显微组织是由先共析铁素体（呈亮白色块状）与珠光体（呈暗黑色）组成。随着含碳量增加，组织中铁素体量逐

渐减少，而珠光体量不断增加。当含碳量大于0.60%时,铁素体由块状变成网状分布在珠光体周围。 根据亚共析钢的平衡组织还可用下式估算钢的百分数: C%=K%×0.77% 式中: C%—钢的含碳量 K%—显微组织中珠光体所占视域面积的百分数 0.77%—珠光体的含碳量

4．过共析钢

过共析钢是指含碳量为0.77~2.11％之间的铁碳合金。过共析钢的显微组织是由珠光体和二次渗碳体所组成。随着含碳量的增加，二次渗碳体量增多。经4%硝酸酒精浸蚀后，二次渗碳体呈亮白色网分布在珠光体周围。若经苦味酸钠溶液煮沸浸蚀后，则二次渗碳体网呈黑褐色，铁素体网仍呈白亮色。在显微分析中，常用此法来区分铁素体网和渗碳体网。

5．白口铸铁 （1）共晶白口铸铁 含碳量为4.3％的铁碳合金。共晶白口铸铁在室温下的显微组织为变态莱氏体。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，其显微组织特征为暗黑色粒状或条状珠光体分布在亮白色渗碳体的基体上。

（2）亚共晶白口铸铁 含碳量为2.11~4.3％之间的铁碳合金。亚共晶白口铁的室温组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体所组成。经4％硝酸酒精浸蚀后，其显微组织特征为暗黑色的树枝状的珠光体（保留着初生奥氏体的树枝晶形态）被一圈白色二次渗碳体所包围，在其周围分布变态莱氏体。 （3）过共晶白口铸铁 含碳量大于4.3％的铁碳合金。过共晶白口铁在室温下的显微组织为白色长条状的一次渗碳体分布在变态莱氏体基体上。

6．灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁

含碳量大于2.11％的铁碳合金。碳除少量溶解于基体外，大部分以游离态的石墨形式存在。金属基体分为珠光体、铁素体和珠光体＋铁素体三种，形状大小不同的石墨分布在钢的基体上。

（1）灰口铸铁 碳以部分或全部片状石墨状态分布在三种基体上。断口呈暗灰色，浇注的冷却速度越慢，越有利于促进石墨化。

（2）球墨铸铁 在熔化的铸铁液中加入一定量的球化剂（镁、钙、稀土等）后再浇注，使石墨呈球状析出。球状石墨分布在三种不同类型基体上，石墨呈黑色，铁素体呈白色，珠光体呈墨色。

（3）可锻铸铁 又称展性铸铁。由白口铸铁经石墨化退火而成。石墨呈团絮状，分布在三种基体上，石墨由渗碳体分解而得。

三、实验材料及设备

1．按表5-1、表5-2所列制备好金相试样。 2．金相显微镜。

四、实验内容与步骤

1．在显微镜下观察表中铁碳合金的显微组织。

2．估测未知含碳量的亚共析钢中珠光体所占视场面积的百分数。

五、实验报告要求

1．画出表中各成份合金的显微组织示意图。图上标出组织，在图下面注明材料、退火

状态、浸蚀剂和放大倍数。说明显微组织形貌特征。

2．估算出未知成份的亚共析钢含碳量。

3．讨论在平衡状态下铁碳合金的组织和含碳量的关系，并从定性和定量两方面加以分析。

4．制表写出亚共析钢、共析钢和过共析钢的相组成物和组织组成物。

表5-1 平衡状态下碳钢显微组织特征

照片编号 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 5-11 5-12 材质 浸蚀剂 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 过饱和苦味酸钠 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 显微组织 α-Fe 20 35 45 65 T8 T12 T12 球化退火态T10 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 α+ Fe3CⅢ F+P F+P F+P F+P P P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ F（基体）+ Fe3C（颗粒） P+ Fe3C+L'd L'd Fe3CⅠ+L'd

表5-2 平衡状态下铸铁显微组织特征

照片编号 5-13 5-14 5-15 5-16 5-17 5-18 5-19 5-20 5-21 5-22 5-23 5-24 成分及状态 加硅变质灰口铸铁 灰口铸铁 铁素体基球墨铸铁 铁素体+珠光体基球墨铸铁 珠光体基球墨铸铁 铁素本基灰口铸铁 灰口铸铁中的二元磷共晶 珠光体基灰口铸铁 铁素体+珠光体基灰口铸铁 麻石铁 铁素体基展性铸铁 铁素体+珠光体基展性铸铁 浸蚀剂 - - 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 放大倍数 160 160 160 200 200 160 200 200 160 200 200 100

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实验三

浇注条件对铸锭组织的影响

一、实验目的

1．了解铸锭组织特征。

2．研究不同浇注条件下对铸锭组织的影响。

二、实验说明 液态金属在凝固过程中，由于不同的结晶条件，导致不同的组织形貌。典型金属铸锭组织的截面由三个晶区所组成：

（1）表层细晶区：由细小等轴晶粒构成。 （2）柱状晶区：由垂直于模壁层柱状晶构成。 （3）中心等轴晶区： 由粗大等轴晶构成。

但在实际情况下，三晶区的相对量及晶粒大小，随浇注条件的不同而不同。表层细晶区由于很薄，对铸锭性能影响不大，可忽略不计。次表层的柱状晶区组织致密，但在柱状晶交界处，聚集着低熔点夹杂，形成脆弱的结合面，轧制时易在此开裂，所以对于杂质多、塑性差的金属，不希望得到柱状晶，单纯度高、塑性好的金属则无害。中心粗大的等轴晶区组织不够致密易导致铸锭疏松。

根据不同的需要，可通过改变浇注条件来控制三晶区的大小和细化晶粒。晶粒细化的基本途径是形成足够数量的晶核及限制晶核的长大。

1．改变铸模的冷却能力

增加铸锭冷却能力，提高温度梯度，可加速柱状晶区的发展。但以极快的速度冷却（如水冷模壁）而铸模体积又很小时，可获得全部的细小等轴晶，但此受到铸锭尺寸的限制；如果降低铸锭的冷却能力，减小温度梯度，则有利于中心等轴晶的长大。

2．改变形核条件

在液态金属中加入变质剂，，增加非均匀形核的核心，可使中心等轴晶区扩大并使晶粒细化；采用过热方法，将液态金属中难溶质点的“活性”去除，导致非均匀性核的核心数目减少，可获得较粗大的柱状晶区。

3．改变液态金属的结晶组织

用电磁搅拌、机械振动、加压浇注等方法，加强液态金属在铸模中的运动冲碎已生长的晶粒以形成更多的晶核而使晶粒细化。

三、实验内容及步骤

1．将铝块放入坩埚炉内，在电炉或马弗炉内加热溶化。

2．加热到表中给定的浇注温度后，用钳子把坩埚取处，迅速浇注到铸模内。

3．将冷却的铝锭取出水冷至室温，铸出表3-1中给定条件下的铝锭（铸模尺寸：内径30mm，高100mm），并打上记号。

4．将铝锭用虎钳钳住，用锯子沿纵轴和横轴锯开，再用锉刀锉平，按上表编号；对断面用280号、320号砂纸磨光，用水冲洗，酒精擦洗吹干。

5．将制好的磨面浸入王水浸蚀，并来回移动，待铝锭组织露出时，取出，用水清洗、吹干。

6．用肉眼或放大镜逐块观察分析组织的变化。

四、实验设备及材料

1．坩埚炉、坩埚、钳子、砂模、夹钳手锯、锉刀、镊子、30×放大镜。

表3-1

序 号 0 1~2 3~4 5~8 9~10 11~12 13~14 铸模材料 模壁 钢 钢 钢 钢 耐 耐 耐 模底 钢 钢 钢 耐 钢 耐 耐 铝锭的不同浇注条件

铸模温度 （℃） 水冷 室温 室温 室温 室温 500 室温 浇注温度 （℃） 900 780 780 780 780 780 780 组 织 三晶带 柱状晶 （柱晶间界） 细小等轴晶 柱状+等轴晶 柱状晶 等轴粗晶 细小等轴晶 备 注 变质剂 变质剂 铸模厚度 （mm） 3 10 10 10 10 10 10

2．纯铝块、变质剂、金相砂纸、抛光呢、王水。

五、实验报告要求

1．简述铝锭粗型试片制备过程。 2．按1∶1比例绘出不同浇注条件下纯铝锭的宏观组织示意图，说明组织特点及形成原因。

六、实验注意事项

1．浇注时对准模子连续注入，不能断续或停歇，如铝液中有溶渣，必须用铁板挡住，不能进入模内。

2．锯样品时，尽量不偏斜，横截面要与纵轴垂直，纵截面要沿中心锯开。 3．浸蚀时要在烟橱中进行，千万不要将浸蚀剂溅到衣服和皮肤上。

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