機械工程材料實驗報告碳鋼和鑄鐵的平衡組織和非平衡組織的觀察與分析一．實驗目的1．觀察和分析碳綱和白口鑄鐵在平衡狀態下的顯微組織。2．分析含碳量對鐵碳合金的平衡組織的影響，加深理解成分、組織和性能之間的相互關系。3．熟悉灰口鑄鐵中的石墨形態和基體組織的特征，了解澆鑄及處理條件對鑄鐵組織和性能的影響，并分析石墨形態對鑄鐵性能的影響。4．識別淬火組織特征，并分析其性能特點，掌握平衡組織和非平衡組織的形成條件和組織性能特點。二．實驗概述鐵碳合金的顯微組織是研究鋼鐵材料的基礎。所謂鐵碳合金平衡狀態的組織是指在極為緩慢的冷卻條件下，比如退火狀態所得到的組織，其相變過程按Fe—Fe3C相圖進行，此相圖是研究組織，制定熱加工工藝的重要依據。其室溫平衡組織均由鐵素體F和滲碳體Fe3C兩個相按不同數量、大小、形態和分布所組成。高溫下還有奧氏體A，固溶體相δ。用金相顯微鏡分析鐵碳合金的組織時，需了解相圖中各個相的本質及其形成過程，明確圖中各線的意義，三條水平線上的反應產物的本質及形態，并能作出不同合金的冷卻曲線，從而得知其凝固過程中組織的變化及最后的室溫組織。三．實驗儀器及材料1．觀察表2—1中的金相樣品.2．幾種基本組織的概念與特征見表2—23．XJB—1型、4X型、XJP—3A型和MG型金相顯微鏡數臺4．多媒體設備一套5．金相組織照片兩套四．實驗內容1．實驗前應復習課本中有關部分，認真閱讀實驗指導書。2．熟悉金相樣品的制備方法與顯微鏡的原理和使用。3．認真聆聽指導教師對實驗內容、注意事項等的講解。4．用光學顯微鏡觀察和分析表2—1中各金相樣品的顯微組織。5．觀察過程中，學會分析相、組織組成物及分析不同碳量的鐵碳合金的凝固過程、室溫組織及形貌特點。五．實驗原始數據記錄六．回答問題2、碳鋼含碳量在（0.0218—2.11）%之間的鐵碳合金，高溫下為單相的奧氏體組織，塑性好，適應于鍛造和軋制，廣泛應用于工業上，根據含碳量和室溫組織，可將其分為三類：亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼。1）亞共析鋼含碳量在（0.0218—0.77）%之間的鐵碳合金，室溫組織為鐵素體和珠光體，隨著含碳量的增加，鐵素體的數量逐漸減少，而珠光體的數量則相應的增加，顯微組織中鐵素體呈白色，珠光體呈暗黑色或層片狀。2）共析鋼含碳量為0.77%，其顯微組織由單一的珠光體組成，即鐵素體和滲碳體的混合物，在光學顯微鏡下觀察時，可看到層片狀的特征，即滲碳體呈細黑線狀和少量白色細條狀分布在鐵素體基體上，若放大倍數低，珠光體組織細密或腐蝕過深時，珠光體片層難于分辨，而呈現暗黑色區域3）過共析鋼含碳量在（0.77—2.11）%之間，室溫組織為珠光體和網狀二次滲碳體，含碳量越高，滲碳體網愈多、愈完整。當含碳量小于1.2%時，二次滲碳體呈不連續網狀，強度、硬度增加，塑性、韌性降低，當含碳量大于或等于1.2%時，二次滲碳體呈連續網狀，使強度、塑性、韌性顯著降低，過共析鋼含碳量一般不超過（1.3—1.4）%，二次滲碳體網用硝酸酒精溶液腐蝕呈白色，若用苦味酸鈉溶液熱腐蝕后，呈暗黑色。鑄鐵白口鑄鐵含碳量在（2.11—6.69）%之間，室溫下碳幾乎全部以滲碳體形式存在，故硬度高，但脆性大，工業上應用很少。按含碳量和室溫組織將其分為三類。1）亞共晶白口鑄鐵含碳量在（2.11—4.3）%之間，室溫組織為珠光體、二次滲碳體和變態萊氏體Ld'組成。用硝酸酒精溶液腐蝕后，在顯微鏡下呈現枝晶狀的珠光體和斑點狀的萊氏體，其中二次滲碳體與共晶滲碳體混在一起，不易分辨。2）共晶白口鑄鐵含碳量為4.3%，室溫組織由單一的萊氏體組成，經腐蝕后，在顯微鏡下，變態萊氏體呈豹皮狀，由珠光體，二次滲碳體及共晶滲碳體組成，珠光體呈暗黑色的細條狀及斑點狀，二次滲碳體常與共晶滲碳體連成一片，不易分辨。呈亮白色。3）過共晶白口鑄鐵是含碳量大于4.3%的白口鑄鐵，在室溫下的組織由一次滲碳體和萊氏體組成，經硝酸酒精溶液腐蝕后，顯示出斑點狀的萊氏體基體上分布著亮白色粗大的片狀的一次滲碳體。灰口鑄鐵由鐵碳雙重相圖可知，鑄鐵凝固時碳可以以兩種形式存在，即以滲碳體的形式Fe3C和石墨G的形式存在。碳大部分以滲碳體Fe3C形式存在的，因其斷口呈白色。而稱白口鑄鐵，如前所述，白口鑄鐵硬而脆，很少用做零件。而碳大部分以石墨形式存在的，因其斷口呈灰色，而稱灰口鑄鐵。工業生產中常采用調整鑄鐵成分，加入石墨化形成元素如C、Si、P、Al、CU及球化劑，或進行石墨化退火等措施，生產各種灰口鑄鐵零件。雖然灰口鑄鐵的強度、塑性和韌性比鋼差，但具有優于鋼的減震性，耐磨性、鑄造性和可切削性，且生產工藝和熔化設備簡單，因而在工業上得到普遍應用。灰口鑄鐵的顯微組織可簡單的看成是鋼基體和石墨夾雜物共同構成。按石墨形態可將灰口鑄鐵分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵三種。按基體的不同又可分為三類，即鐵素體、珠光體、鐵素體+珠光體。灰口鑄鐵具有優良的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性和減磨性，在工業上得到廣泛的應用。3、亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]平衡結晶過程

以碳質量分數為0.4%的鐵碳合金為例,平衡結晶過程：

合金冷卻時,從1點起自L中結晶出δ,至2點時,L的碳質量分數變為0.53%,δ的碳質量分數變為0.09%,發生包晶反應生成A0.17。反應結束后尚有多余的L。

2￠點以下,自L中不斷結晶出A,至3點合金全部轉變為A。

在3～4點間A冷卻不變,從4點起,冷卻時由A中析出F,F在A晶界處優先生核并長大,而A和F的成分分別沿GS和GP線變化。

至5時,A的碳質量分數變為0.77%,F的碳質量分數變為0.0218%。此時A發生共析反應,轉變為P,F不變化。

從5￠繼續冷卻至6點,合金組織不發生變化,因此室溫平衡組織為F+P。F呈白色塊狀;P呈層片狀,放大倍數不高時呈黑色塊狀。碳質量分數大于0.6%的亞共析鋼,室溫平衡組織中的F常呈白色網狀,包圍在P周圍。

含0.4%C的亞共析鋼的組織組成物為F和P,它們的質量分數為：

鋼的組成相為F和Fe3C,它們的質量分數為：

亞共析鋼的碳質量分數可由其室溫平衡組織來估算。若將F中的碳含量忽略不計,則鋼中的碳含量全部在P中,因此由鋼中P的質量分數可求出鋼的碳質量分數：C%=P%×0.77%

式中,C%表示鋼的碳質量分數,P%表示鋼中P的質量