第九章 铁碳合金平衡组织的显微分析

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。在室温下铁碳合金的基本组成相为铁素体与渗碳体，不同含碳量的合金，在组织上差异是这两个基本的相对量、形态及分布不同。在铁碳合金中渗碳体的相对量，存在形态以及分布状况，对合金的性能影响很大，在碳钢中渗碳体一般可以认为是一个强化相。见图9-1。

图9-1 按组织分区的Fe-Fe3C相图

一、工业纯铁在退火状况下的显微组织

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9-2所示。

图9-2 工业纯铁的显微组织图 200x 图9-3 含碳量0.4%的亚共析钢的显微组织 200x

图中有的晶粒呈暗色，这是由于不同晶粒受腐蚀的程度不同造成的。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。

二、碳钢在退火状态下的显微组织

含碳量在0.0218~2.11%范围的铁碳合金称为碳钢。碳钢按含碳量与平衡组织的不同可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。

1．亚共析钢

含碳量在0.0218~0.77%之间的铁碳合金称为亚共析钢，所亚共析钢冷却到室温后显微组织均为先共析铁素体和珠光体组成。随着含碳量的增加珠光体所占的比例也不断增加，当增加到0.77时(铁素体在珠光体周围呈网状分布)，整个组织为珠光体。用显微镜观察放大倍数低于400×时，先析出铁素体呈亮白色，珠光体呈暗黑色如图9-3所示。由于铁素体和珠光体比重相近，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：当不珠光体和铁素体的面积各占一半时，钢的含碳量为word/media/image4_1.png，由此可定此钢为40#碳素钢。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，而因共析转变时过冷度增大，共析体含碳量偏低，故其显微组织中珠光体的含量就要比缓冷时增加，此时若仍用上述方法来估算出的结果其含碳量将会偏高。

2．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，即片状铁素体和渗碳体的机械混合物。由杠杆定理可以求得铁素体与渗碳体的重量比约为7.9:1，因此铁素体厚，渗碳体薄。用硝酸酒精腐蚀后，由于珠光体中铁素体比渗碳体的电极电位低，在正常浸蚀下，铁素体为阳极被溶解，而渗碳体被溶解为凸出相(用DIC方法可以验证)。而此于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。只有相界呈暗灰色，当放大倍数较高时，上述情况才能看清楚如图9-4所示。如放大倍数较低时，渗碳体片两侧相界已无法分辨，而呈黑色条状图9-5所示。将放大倍数降到更低时，则渗碳体片都无法分辨，整个珠光体组织无法分辨而呈暗黑色一片。

图9-4 经高倍放大后的珠光体 3000x 图9-5 经中倍放大后的珠光体500x

3．过共析钢

含碳量在0.77~2.11%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。先共析渗碳体由奥氏体中沿晶界析出，故呈网状分布在随后发生共析转变形成的珠光体周围。其室温组织为网状二次渗碳体和珠光体。随着含碳量增加，先共析渗碳体的量也增加，网状略有加宽。图9-6为T12钢(含碳量约1.2%)退火后的显微组织，这种组织有时较难以接近共析成分的亚共析钢区别。如果用煮沸的碱性若味酸钠溶液腐蚀，会使渗碳体呈暗黑色而铁素体仍保持白色如图9-7所示。因此有管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。

三、白口铸铁的显微组织

铸铁在铸造时，如果冷却速度快，或者含碳量较低时则生成白口铁，白口铁中碳均以Fe3O存在，并具有莱氏体组织，所以白口铸铁只含有渗碳体而不含石墨，断口呈白亮色而得名。白口铸铁根据其含碳量的不同可分为亚共晶、共晶、过共晶三种。由于白口铸铁硬而脆，在机器制造业中应用很少。其中亚共晶白口铸铁有使用价值。

图9-6 T12钢的显微组织 图9-7 T12钢的显微组织

（ 4%硝酸酒精溶液腐蚀）500X （ 碱性若味酸钠溶液腐蚀）500X

1．共晶白口铸铁

含碳量为4.3%的白口铸铁称为共晶白口铁。其显微组织为共晶转变的产物，最后得到的平衡组织为树枝状珠光体分布在共晶的渗碳体的基体上，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，莱氏体在刚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是由珠光体和渗碳体组成的，如图9-8所示。图中黑色的细小颗粒或条状组织为珠光体，白亮的基体仍为渗碳体。从图中可以看出，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。

2．亚共晶白口铸铁

含碳量在2.11~4.3%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9-9为共晶白口铸铁的显微组织。

图9-8 共晶白口铸铁显微组织 200x 图9-9 亚共晶白口铸铁显微组织 200x

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和莱氏体，如图9-10所示，图中白色长条状(空间为片状)为一次渗碳体，其余为莱氏体。

四. 灰口铸铁、球墨铸铁及可锻铸铁

灰口铸铁、球墨铸铁及可锻铸铁中，部分或绝大部分碳以石墨形式存在。

1．灰口铸铁

石墨呈片状，基体有铁素体（图9-11a）、铁素体—珠光体（图9-11b）及珠光体（图9-11c）三种。

在铁水中加入少量孕育剂，使石墨结晶成细小片状，均匀分布，基体为珠光体的灰口铸铁称为孕育铸铁。

图9-10 过共晶白口铸铁显微组织 200x

图9-11 灰口铸铁的显微组织图 200x

(a) 铁素体基体 (b) 铁素体--珠光体基体 (c) 珠光体基体

2．球墨铸铁

在铁水中加入球化剂与孕育剂，使石墨呈球状析出。球墨铸铁通过不同的热处理后，基体有铁素体（图9-12a）、铁素体 —珠光体（图9-12b）、珠光体（图9-12c）及下贝氏体（图9-12d）等四种。

3．可锻铸铁

将白口铸铁进行高温长时间退火，使石墨呈团絮状析出。基体有铁素体（图9-13a）及珠光体（图9-13b）两种，生产中以铁素体基体的可锻铸铁应用较广。

上述三种铸铁组织都是以钢为基体加上石墨所组成的。因此，影响其机械性能的主要因素是：

1．石墨的形态、大小、数量与分布

由于石墨本身的硬度、强度与塑性都极低（几乎为零），所以它的存在就象是在钢的基体上分布着大量细小的空洞或裂纹。当石墨呈片状时，应力集中、割裂基体、减少承载面积的现象相当严重，因而铸铁抗拉强度、塑性、韧性大为降低；反之，如石墨呈球状，则铸铁的抗拉强度、塑性、韧性均较好。

当石墨形态一定时，石墨愈粗大、数量愈多以及分布愈不均匀时，铸铁的机械性能就愈低。

图9-12 球墨铸铁的显微组织

(a)铁素体基体（200x） (b)铁素体-珠光体基体（200x） (c)珠光体基体（200x）

(d)下贝氏体基体（500x）

图9-13可锻铸铁的显微组织

（a） 铁素体基体 200x （b) 珠光体基体 100x

2．金属基体

基体对铸铁的强度、塑性与韧性也有影响。珠光体基体可提高铸铁强度，铁素体基体可提高铸铁的塑性与韧性。但这种影响相对石墨对铸铁机械性能的影响是较小的。只有当石墨呈球状时，改变基体组织，才能显著地改变铸铁的机械性能。

实 验

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、观察与分析各种铸铁的显微组织特征，识别石墨形态与基体类型，从而了解铸铁机械性能与组织的关系。

3、观察的金相试样。包括：铁素体灰口铸铁、铁素体—珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁、铁素体球墨铸铁、铁素体—珠光体球墨铸铁、下贝氏体球墨铸铁、铁素体可锻铸铁及珠光体可锻铸铁。

二、实验内容

观察下表中所列试样的显微组织，画下所观察组织的示意图。

三、实验报告要求

1．写出实验目的。

2．画出所观察样品的显微组织示意图，注明合金成分、状态、放大倍数及各组织组成物的名称，说明其特征，并分析其形成过程。

3. 在金相显微镜下观察上述铸铁的显微组织，注意分辨各种铸铁的基体类型及石墨的形态、大小、数量与分布，并绘制各种铸铁的显微组织示意图填入下表。

.各种铸铁的显微组织及其形态特征

思 考 题

1．在Fe-Fe3C系合金中有哪几个基本相？其结构、性能特点如何？

2．铁素体与奥氏体有什么区别？

3．珠光体的结构有什么特点？同一块含碳量0.77%的共析钢中的珠光体为什么所观察到的层片密集程度不同？

4．试说明铁碳合金平衡组织中各类渗碳体的形成条件、存在形式及显微组织的特点。

5．若亚共析钢中先共析铁素体的含量为90%，求该钢的含碳量为多少？

6．T12的钢在A1温度以下加热并长时间保温，为什么会出现石墨相？

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