平衡组织示意图

铁碳合金平衡组织（金相分析）

一、概述

1．碳钢和白口铸铁的平衡组织

合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可以根据Fe-C状态图来分析。从状态图可知，所有碳钢和白口铸铁 在室温时的组织均由铁素体相和渗碳体相组成。但由于含碳量的不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不一样，因而将组成各 种不同特征的组织。碳钢和白口铸铁的显微组织见表2所示。

 

2．各种基本组织特征

1）铁素体（F）：是碳溶入α-Fe中的间隙固溶体，有良好的塑性，硬度低（HB80～120），经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜呈白色大颗粒状或块状（如图1）。随着钢中含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状分布（如图2、图3）；当含碳量接近共析成分时，往往呈断续网状，分布在珠光体的周围（如图4）。

2）渗碳体（Fe3C或Cm）：是铁与碳的化合物，含碳量为6.69%，抗侵蚀能力较强。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色 （如图5、图6所示）；若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色（如图7所示），由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到 HB800以上，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。

 

图1   工业纯铁的显微组织  ×200          

                  组织：全部为F                                

图2   20钢的显微组织   ×400

组织：F(白块)+P（黑块）

图3   40钢的显微组织   ×400             

                            组织：F+P                                   

图4   60钢的显微组织   ×400 

组织：P（黑色）+F（白**状）

从一边画正圆。首先使用鼠标话椭圆，在画的过程中按下shift键，这时的椭圆马上就会变成正圆。

图5  T8钢的显微组织×400            

                   组织：P（片状）                       

图6   T12钢的显微组织  ×400（3%硝酸酒精溶液腐蚀）

                                组织：P（层片状）+ Fe3 CⅡ（白**状）

图7   T12钢的显微组织  ×400（热苦味酸钠溶液腐蚀）

组织：P（白色块状）+ Fe3CⅡ（黑**状）

3）珠光体（P） 是铁素体和渗碳体的机械混合物。

珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，铁素体和渗碳体皆成白亮色。在不同放大倍数下观察时，珠光体组织具有不太一样的特性。

在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条为铁素体、突起细条为渗碳体，它们皆为白亮色，而边界为黑色阴影。在中倍（400倍左右） 观察时，白亮色的渗碳体细条被两边黑条阴影所掩盖。而成为黑色细条。这时看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物。在低倍（200倍以 下）观察时，由于显微镜的放大倍率低，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也分辨不清，这时的珠光体是一片模糊的暗色块状组织。

 

图8   亚共晶白口铁显微组织 ×150         

组织：P（黑色团状）+Fe3C+Ld`

图9   共晶白口铸铁显微组织  ×400

                            组织：Ld`（黑色块、点为P+白色为FeII3C基体）

4）莱氏体（Ld`）在室温时是珠光体和渗碳体的混合物。此时渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色铁素体基体上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体（如图9）。

莱氏体组织硬度很高，达到HB700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见到。

亚共晶白口铸铁的组织是莱氏体、呈黑色大块树状的珠光体及珠光体周围白亮圈的二次渗碳体（如图8）。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连、**线，无法区分。

过共晶白口铁的组织：莱氏体和长白条一次渗碳体（如图10所示）。

 

图10 过共晶白口铸铁显微组织×150

组织--- FeC3Ⅰ（白色宽长条）+Ld`（小黑色条、点和白色基体）

同一块钢板热处理后硬度hb偏差较大是什么原因

组织不均匀，可能的原因是原材料发生偏析即溶质再分布；排除组织原因就是热处理时温度不均匀；排除环境原因就是在测硬度时的人为操作原因，要取组织较好的部分，尽量多取几个点。

0402-铁碳合金平衡组织观察-45钢

 (2011-11-08 13:30:35)

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铁碳合金平衡组织观察-45钢

------基础照片，敬请感兴趣的人士选用

 

    选用OLYMPUS-OLS 4000激光扫描共聚焦显微镜采集图像，物镜选择多样，图像清晰。

 

编号

材料名称

热处理

组织组成物名称及特征

蚀刻剂

建议观察使用放大倍数

1

45钢

退火

F （略少）+ 珠光体（略多）

4%，或2%的硝酸酒精

500×（或100×）

 

蚀刻时间：2~3秒。

蚀刻手法：不锈钢镀铬镊子，夹持脱脂棉沾满蚀刻剂，擦拭样品表面；观察表面灰度变化。45钢中的珠光体含量比铁素体多；因此，二维截面观察可以看出，珠光体的所占据的面积大于铁素体所占的面积。

摄影注意：视场的选择需要根据组织的粗细选择适合的物镜，过高，珠光体、铁素体比例不对，过低，组织分辨不清。当然，特殊情况，可以说明。

 

选择了一个同学制备的45钢棒料样品，不算很好；也还过得去。取像位置不变，逐级放大。

 

 

参考资料：

[1]  谢希文，岳锡华．金属学实验[M]．上海科学技术出版社， 1987．

[2]  戚正风．金属热处理原理[M]．北京：机械工业出版社，1987．

[3]  45钢显微组织：http://wenku.baidu.com/view/e00970bcc77da26925c5b0d4.html   ．

[4]  GB/T 699-1999 优质碳素结构钢[S].

珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同为什么

珠光体是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织.它经4%硝酸酒精溶液浸蚀后,其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色,而铁索体和 渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条.在高倍显微镜下观察时,珠光体中的片状渗碳体呈白亮色分布在白亮色铁素体的基体上,而其相界是黑色线条.在低倍显微镜下 观察时,由于放大倍数低,难以分辨出哪是铁素体,此时珠光体是一片黑暗,成为黑块的组织.

  实验五 铁碳合金平衡组织观察

问答题老师要求写在实验报告上     还有一张《所观察的金相试样的显微组织示意图》

三、问答题

1. 某亚共析钢试样在显微镜下观察，珠光体面积占59%，试确定此钢的牌号。（要求计算）

2. 试述亚共析钢，共析钢、过共析钢的显微组织有何不同？含碳量对钢的组织及性能有何影响？

 

答：1碳含量≈P×0.77%=59%×0.77%≈0.45%此钢相当于45钢

 

2答：①亚共析钢：0.0218%< wc <0.77%， 室温组织：铁素体和珠光体；

②共析钢：wc =0.77%，室温组织：珠光体；

③过共析钢：0.77%< wc≤2.11%，室温组织：珠光体和二次渗碳体

钢中碳的质量分数＜0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这是因为钢中的渗碳体量增多（或从组织角度说：钢中珠光体量增多）；当钢中碳的质量分数＞0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的硬度继续升高，塑性、韧性继续下降，因钢中渗碳体量增多，且形成较完整的网状，分布在珠光体晶界上，所以，钢的强度随着下降。

 

 

 

实验五 铁碳合金平衡组织观察

一、实验目的：

1. 了解典型成份的铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。

2. 分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成份、组织和性能之间的相互关系。

二、实验原理：

1. 铁碳合金平衡状态图

铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。可以根据铁碳相图（如图5-1所示），来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

 

图5-1 Fe－Fe3C相图

铁碳合金主要包括碳钢和白口铸铁，其室温组织是由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成，由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量，析出条件及分布均有所不同，因而呈现各种不同的形态。

2. 铁碳合金在室温下的组织

不同成份的铁碳合金在室温下的显微组织见表5-1。

5-1 各种铁碳合金在室温下的显微组织

类　 型　含碳量（%）

显　微　组　织

浸　蚀　剂

工　业　纯　铁　＜0.02

铁　　素　　体

4%硝酸酒精溶液

碳

 

钢

亚共析钢 0.02～0.77

铁素体+珠光体

4%硝酸酒精溶液

共 析 钢　　0.77

珠　　光　　体

4%硝酸酒精溶液

过共析钢 0.77～2.11

珠光体+二次渗碳体

苦味酸钠溶液，渗碳

体变黑或呈棕红色

白口铸铁

亚共晶白口铁2.11～4.3

珠光体+二次渗碳体+莱氏体

4%硝酸酒精溶液

共晶白口铁　　4.3

莱　　氏　　体

4%硝酸酒精溶液

过共晶白口铁4.3～6.69

莱氏体+一次渗碳体

4%硝酸酒精溶液

铁碳合金在金相显微镜下具有下面四种基本相和组织。

铁素体（F）　　铁素体是碳溶解于α-Fe中的间隙式固溶体。工业纯铁用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，显微镜下呈现白亮色的多边形等轴晶粒；亚共析钢中的铁素体呈块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。

渗碳体（Fe3C）　　渗碳体是铁与碳形成的金属间化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经4%硝酸酒精浸蚀后，渗碳体呈亮白色，而铁素体浸蚀后呈灰白色，由此可区别铁素体和渗碳体。渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体直接由液态中结晶出，呈粗大的片状；二次渗碳体由奥氏体中的出，常呈网状分布于奥氏体的晶界；三次渗碳体由铁素体中析出，呈不连续片状分布于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。

珠光体（P）　　珠光体是铁素体和渗碳体呈片状交替排列的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，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片铁素体和细片渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别率小，渗碳体片很薄，这时珠光体中的渗碳体就只能看到的是一条黑线；当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不容易分辨出来，而呈黑色块状。

莱氏体（Ld＇）　　莱氏体在室温时是珠光体和渗碳体所组成的机械混合物。其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珠光体。

根据含碳量及组织特征的不同，铁碳合金可分为工业纯铁，钢和铸铁三大类。

工业纯铁　　含碳量＜0.0218%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所组成。图5-2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粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。

3. 碳素钢的组织

⑴ 亚共析钢

亚共析钢的含碳量在0.0218%～＜0.77%范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成。随着钢中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5-3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5-2 工业纯铁的显微组织    图5-3 45钢的显微组织（400X）

另外，也可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算钢中的碳含量，即碳含量≈P×0.77%，其中P为珠光体所占面积百分数。例如：某亚共析钢在显微镜下观察到52%的面积为珠光体，则此钢的含碳量C%0.4%（室温下铁素体含碳量极微，约为0.0008%，可忽略不计），此钢相当于40钢。

⑵ 共析钢的组织

含碳量0.77%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体所组成。即由铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物。如图5-4所示即是T8钢的珠光体显微组织。通过金相显微观察可知，珠光体晶粒之间没有明显的晶界，片层排列方向大致相同的部分就是一个珠光体晶粒。

⑶ 过共析钢的组织

含碳量超过0.77%的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体所组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就愈多。图5-5所示为T12钢的显微组织。组织形态为层片相间的珠光体和细小的亮白色的网络状渗碳体。

 

图5-4 T8钢的显微组织（400X）   图5-5　T12钢的显微组织（400X）

4. 铸铁的组织

⑴ 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。在室温下亚共晶白口铸铁的组织由珠光体、二次渗碳体和莱氏体组成，如图5-6所示。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下，斑点状莱氏体为基体，黑色枝晶组织为珠光体。

⑵ 共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，经在室温下的组织由单一的共晶莱氏体所组成。在显微镜下，白亮色的基体是渗碳体，暗黑色的斑点状与细条状是珠光体。如图5-7所示。

⑶ 过共晶白口铸铁

含碳量＞4.3%的白口铸铁。在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体所组成。在显微下可观察到在暗色斑点状的莱氏体的基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体，如图5-8所示。

 

图5-6 亚共晶白口铸铁显微组织图  图5-7共晶白口铸铁显微组织

 

图5-8 过共晶白口铸铁显微组织图

三、实验内容

1. 在本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成分铁碳合金的组织形成过程，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。

2. 观察表5-2中所列试样的显微组织，并确定其所属类型。

表5-2 几种碳钢和白口铸铁的显微样品

编号

材　 料

热处理

组织名称及特征

浸蚀剂

放大倍数

1

工业纯铁

退火

铁素体（呈等轴晶粒）和微量三次渗碳体（薄片状）

4% 硝酸酒精溶液

100～500

2

20钢

退火

铁素体（呈块状）和少量的珠光体

4% 硝酸酒精溶液

100～500

3

45钢

退火

铁素体（呈块状）和相当数量的珠光体

4% 硝酸酒精溶液

100～500

4

T8钢

退火

铁素体（宽条状）和渗碳体（细条状）相间交替排列

4% 硝酸酒精溶液

100～500

5

T12钢

退火

珠光体（暗色基底）和细网络状二次渗碳体

4% 硝酸酒精溶液

100～500

6

T12钢

退火

珠光体（呈浅色晶粒）和二次渗碳体（黑色网状）

4% 硝酸酒精溶液

100～500

7

亚共晶白

口铁

铸态

珠光体（呈黑色枝晶状）、莱氏体（斑点状）和二次

渗碳体（在枝晶周围）

4% 硝酸酒精溶液

100～500

8

共晶白口铁

铸态

莱氏体，即珠光体（黑色细条及斑点状）和渗碳体（亮白色）

4% 硝酸酒精溶液

100～500

9

过共晶白

口铁

铸态

莱氏体（暗色斑点）和一次渗碳体（粗大条片状）

4% 硝酸酒精溶液

100～500

 

 

 

 

铁碳合金的平衡组织观察

实验报告

一、实验目的：

 

 

 

 

二、画出所观察的金相试样的显微组织示意图，并用箭头标明组织组成物的名称。

 

 

 

 

 

材料名称              材料名称              材料名称

化学成分              化学成分              化学成分

显微组织              显微组织              显微组织

 

 

 

 

 

 

材料名称              材料名称              材料名称

化学成分              化学成分              化学成分

显微组织              显微组织              显微组织

 

 

 

材料名称              材料名称              材料名称

化学成分              化学成分              化学成分

显微组织              显微组织              显微组织

三、问答题

1. 某亚共析钢试样在显微镜下观察，珠光体面积占59%，试确定此钢的牌号。（要求计算）

 

 

 

 

2. 试述亚共析钢，共析钢、过共析钢的显微组织有何不同？含碳量对钢的组织及性能有何影响？