材料科学金相实验

铁碳合金的纤维组织及分析
材科0904 徐飞 40930212
一、实验目的
1．进一步熟悉铁碳合金相图（Fe-Fe3C相图）。

2．掌握各相和组织组成以及它们的金相形貌特征（珠光体、铁素体、渗碳体、莱氏体等）。

3．掌握共晶、亚共晶、过共晶白口铸铁的显微组织特征（莱氏体、变态莱氏体，一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体的形成与形貌特点；高温奥氏体转变所得室温产物等)。

4．了解碳含量对各相及组织组成物的形貌和相对量的影响。

二、实验内容
1．分析并讨论铁碳合金相图的组成及组织组成物形貌。

2．结合理论知识，观察各金相样品的显微组织，绘制组织特征图。

3．讨论分析实验结果和思考题。

三、实验设备与材料
1．光学显微镜
2．标准实验样品若干
四、实验过程
1．分析并讨论铁碳合金相图的组成及组织组成物形貌
在铁碳合金中，碳有两种存在形式：一是θ-Fe3C相，另一是石墨。

θ-Fe3C 实际上是一个亚稳相，在一定条件下可分解为铁固溶体相α（Fe）或γ（Fe）和石墨，因此铁碳相图通常有Fe-Fe3C和Fe-石墨两种形式，且Fe-石墨体系是更稳定的状态。

在Fe-Fe3C体系相图中，存在有液相、固溶体相δ（Fe）、α（Fe）和γ（Fe）及θ-Fe3C相。

根据组织特征则有奥氏体（A）、铁素体（F）、δ铁素体，渗碳体或液析渗碳体（Cm）、二次渗碳体（CmII）、三次渗碳体(CmIII)、珠光体（P），莱氏体（Ld）、变态莱氏体（Ld’）和液体（L）。

铁素体：碳溶入铁晶格的间隙中形成间隙固溶体，称铁素体。

在金相显微镜下观察为均匀明亮的多边形晶粒。

（BCC）
奥氏体：碳溶入铁晶格的间隙中形成间隙固溶体，称奥氏体。

（FCC）
渗碳体：Fe3C和其他相共存时以片、粒块、网状形态出现，它不受硝酸酒精侵蚀，在金相显微镜下观察呈白色发亮。

2．结合理论知识，观察各金相样品的显微组织，绘制组织特征图。

下图a）所示为亚共析钢的退火组织。

白亮者为铁素体，黑色的为珠光体。

随着含碳量的提高，珠光体的相对量增加。

当含碳量达到0.6%以上，铁素体沿着原奥氏体晶粒呈网状分布。

下图b）所示为共析钢的退火组织。

全为片状珠光体组织，高倍观察时片层很清楚。

下图c）所示为含碳量为1.2%的过共析钢的退火组织，光体加二次渗碳体。

二次渗碳体沿原奥氏体晶粒呈网状分布，呈亮白色。

用碱性苦味酸溶液染色侵蚀，可使网状渗碳体变成黑色。

a）亚共析钢 b）共析钢 c）含碳量为1.2%的过共析钢
白口铸铁的组织有亚共晶、共晶和过共晶三种。

图a)是亚共晶白口铁，黑色的为原奥氏体枝晶形成的珠光体，枝晶间为莱氏体共晶，白色的渗碳体为基体。

图b)是共晶白口铁，组织是莱氏体共晶，黑色李壮为珠光体，白色基体为渗碳体。

图c)是过共晶白口铁，黑色粗大片状为一次渗碳体，而其余部分则为莱氏体共晶。

a)亚共晶白口铁图b)共晶白口铁图c)过共晶白口铁
课堂所绘组织图见附录，并与标准组织图进行对比观察。

五、思考题
1．怎样鉴别0.7wt%C合金的网状铁素体和1.3wt%C合金的网状渗碳体？
答: 网状铁素体或网状渗碳体最简便的方法用化学试剂侵蚀法：碱性苦味酸钠水溶液，将被测试样浸入其中煮沸5min左右，取出水冲干净并吹干，若白色网变为黑色或更深的黑色，则确定为渗碳体，若其颜色不变仍呈白色（不受浸蚀）为铁素体相。

2．冷却速度对组织形貌和相对量有无影响？并举例说明。

答：冷却速度影响铸铁的石墨化,快的冷却速度则为白口化,慢的冷却速度则为石墨化。

铸铁的冷却速度主要决定于铸件的的壁厚和铸型的材料。

3．讨论各类铸铁在组织上（基体组成，石墨形态）有何不同？组织对性能的影响。

答：根据基本显微组织和力学性能，铸铁可以分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。

1）白口铸铁在室温下白口铸铁中的碳呈Fe3C化合物状态存在，其断面为银白色。

性质很脆，不能锻造，不能进行切削加工，可制造承受强烈挤压和磨损的零件，如拉丝模、球磨机、轧辊等。

根据室温下组织的不同，白口铸铁可分为以下三类：
a)亚共晶白口铸铁碳的质量分数为2.11%-4.3%，其组织是珠光体，二次渗碳体与莱氏体
b)共晶白口铸铁碳的质量分数为4.3%，其组织是莱氏体
c)过共晶白口铸铁碳的质量分数大于4.3%，其组织为一次渗碳体和莱氏体
2）合金铸铁所谓合金铸铁是在普通铸铁内有意识地加入一些合金元素，如镍、铬、锰、钛等配制而成的铸铁。

加入的合金元素可改善热处理组织，从而提高基体强度和耐磨性，因此应用较广。

3）球墨铸铁碳的质量分数为3.5%-3.9%，基体组织为铁素体、珠光体。

其主要特点a.必须经过球化处理，即在铸铁液中，加入球化剂（镁或镁合金），使石墨成球状存在。

b.具有很高的强度，其抗拉强度高达400MPa-600MPa 。

c.具有一定的韧性和塑性，经过热处理后，其力学性能可进一步得到改善。

d.球墨铸铁主要用于制造曲轴、轴套、轧辊和齿轮等。

4）可锻铸铁碳的质量分数为2.2%-2.8%，其基体组织为铁素体、珠光体、少量渗碳体和微量石墨。

a.必须经过高温长时间退火，即白口铸铁在900℃-1000℃下经2-9d退火处理而成
b.具有较高的韧性和塑性，但因含碳和含硅量高，因此并不能锻造
c.可锻铸铁中，石墨呈团絮状存在，综合力学性能较好，可制造形状复杂的零件，如管子接头、大炮上的零件
5）灰铸铁灰铸铁碳的质量分数为2.7%-3.6%，其基体组织分为铁素体、珠光体、及珠光体+铁素体，其主要特点如下：
a.铸铁组织中的石墨以片状形式存在，其断面成暗灰色
b.熔点低，流动性好，冷却凝固时收缩量小，具有优良的铸造性能
c. 抗拉强度小，容易拉断，塑性差，不宜进行压力加工
d.硬度低，性质娇软，容易切削，主要用于制造机架、床身、轴承盖、减速箱等
4．如何改变灰口铸铁的性能？
答：（1）消除内应力退火
当铸件形状复杂，厚薄不均时，由于浇注后冷却过程中各部位的冷却速度不同，往往在铸件内部产生很大的应力。

它不仅削弱了铸件的强度，而且在随后的切削加工之后，由于应力的重新分布而引起变形，甚至开裂。

因此，对精度要求较高或大型、复杂的铸件（如机床床身、机架等）在切削加工之前，都要进行一次消除内应力的退火，有时甚至在粗加工之后还要进行一次。

消除内应力退火通常是将铸件缓慢加热到500-560℃，保温一段时间（每10毫米截面保温一小时），然后以极缓慢的速度随炉冷至150-200℃后出炉。

此时，铸件的内应力基本上被消除。

应当指出，若退火温度超过560℃或保温时间过长，会引起石墨化，使铸件的强度与硬度降低，是不适宜的。

（2）消除部分白口的软化退火
铸件冷凝时，在表面或某些薄壁处，由于冷却速度较快，很容易出现白口组织，使铸件的硬度和脆性增加，造成切削加工的困难和使用时易剥落。

此时就必须将铸件加热到共析温度以上，进行消除白口的软化退火。

消除白口的软化退火，一般是把铸件加热到850-950℃，保温1-3小时，使共晶渗碳体发生分解，即进行第一阶段石墨化，然后又在随炉缓慢冷却过程中使二次渗碳体及共析渗碳体发生分解，即进行中间和第二阶段石墨化，待随炉缓冷到500-400℃时，再出炉空冷，这样就可获得铁素体或铁素体+珠光体基体的灰口铸铁，从而降低了铸件的硬度，改善了切削加工性。

若采用较快的冷却速度，使铸件不发生第二阶段石墨化，则最终就获得珠光体基体的灰口铸铁，增加了铸件的强度和耐磨性。

（3）表面淬火
表面淬火的目的是提高灰口铸铁件的表面硬度和耐磨性。

表面淬火的方法有高频感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火及接触电热表面淬火等。

①感应加热表面淬火
原理：把工件放入由空心铜管绕成的感应器（线圈）中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流。

②火焰加热表面淬火
它是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。

常用的火焰为乙炔-氧火焰（最高温度3200℃）或煤气-氧火焰（最高温度2000℃）。

高温火焰将工件表面快速加热到淬火温度，再随即喷水快速冷却。

③电热表面淬火
原理：用一个电极与欲淬工件表面紧密接触，形成回路，通以低压（2-5V）大电流（400-750A）的交流电，以产生的电阻热将工件加热至淬火温度。

六、实验总结
通过本次实验我进一步熟悉铁碳合金相图中的相关知识，了解了各相和组织组成以及它们的金相形貌特征，比如珠光体、铁素体、渗碳体、莱氏体等。

同时还亲自观察到了共晶、亚共晶、过共晶白口铸铁的显微组织特征并了解到碳含量对各相及组织组成物的形貌和相对量的影响，不仅巩固了课堂上所学到的知识，而且还锻炼了自己观察并动手画出组织的能力，这对以后的学习和工作也奠定了一定的基础。

通过动手绘制的组织图与标准组织图进行对比，让我明白了绘画组织图需要一定的技巧，更需要相关的知识，在此基础上才能进一步提高对材料这一学科的认识。