機(jī)械工程材料實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?．觀察和分析碳綱和白口鑄鐵在平衡狀態(tài)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(guān)系。3．熟悉灰口鑄鐵中的石墨形態(tài)和基體組織的特征，了解澆鑄及處理?xiàng)l件對鑄鐵組織和性能的影響，并分析石墨形態(tài)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(diǎn)，掌握平衡組織和非平衡組織的形成條件和組織性能特點(diǎn)。二．實(shí)驗(yàn)概述鐵碳合金的顯微組織是研究鋼鐵材料的基礎(chǔ)。所謂鐵碳合金平衡狀態(tài)的組織是指在極為緩慢的冷卻條件下，比如退火狀態(tài)所得到的組織，其相變過程按Fe—Fe3C相圖進(jìn)行，此相圖是研究組織，制定熱加工工藝的重要依據(jù)。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(shù)量、大小、形態(tài)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(zhì)及其形成過程，明確圖中各線的意義，三條水平線上的反應(yīng)產(chǎn)物的本質(zhì)及形態(tài)，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(shí)驗(yàn)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(shù)臺4．多媒體設(shè)備一套5．金相組織照片兩套四．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．實(shí)驗(yàn)前應(yīng)復(fù)習(xí)課本中有關(guān)部分，認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)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(rèn)真聆聽指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、注意事項(xiàng)等的講解。4．用光學(xué)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(xué)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(diǎn)。五．實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)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(yīng)于鍛造和軋制，廣泛應(yīng)用于工業(yè)上，根據(jù)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(shù)量逐漸減少，而珠光體的數(shù)量則相應(yīng)的增加，顯微組織中鐵素體呈白色，珠光體呈暗黑色或?qū)悠瑺睢?）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(xué)顯微鏡下觀察時，可看到層片狀的特征，即滲碳體呈細(xì)黑線狀和少量白色細(xì)條狀分布在鐵素體基體上，若放大倍數(shù)低，珠光體組織細(xì)密或腐蝕過深時，珠光體片層難于分辨，而呈現(xiàn)暗黑色區(qū)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(wǎng)狀二次滲碳體，含碳量越高，滲碳體網(wǎng)愈多、愈完整。當(dāng)含碳量小于1.2%時，二次滲碳體呈不連續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低，當(dāng)含碳量大于或等于1.2%時，二次滲碳體呈連續(xù)網(wǎng)狀，使強(qiáng)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(wǎng)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(yè)上應(yīng)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(tài)萊氏體Ld'組成。用硝酸酒精溶液腐蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)枝晶狀的珠光體和斑點(diǎn)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(jīng)腐蝕后，在顯微鏡下，變態(tài)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(xì)條狀及斑點(diǎn)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(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕后，顯示出斑點(diǎn)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(yè)生產(chǎn)中常采用調(diào)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(jìn)行石墨化退火等措施，生產(chǎn)各種灰口鑄鐵零件。雖然灰口鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性比鋼差，但具有優(yōu)于鋼的減震性，耐磨性、鑄造性和可切削性，且生產(chǎn)工藝和熔化設(shè)備簡單，因而在工業(yè)上得到普遍應(yīng)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(gòu)成。按石墨形態(tài)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(yōu)良的鑄造性能、切削加工性能、耐磨性和減磨性，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。3、亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]平衡結(jié)晶過程

以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鐵碳合金為例,平衡結(jié)晶過程：

合金冷卻時,從1點(diǎn)起自L中結(jié)晶出δ,至2點(diǎn)時,L的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變?yōu)?.53%,δ的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變?yōu)?.09%,發(fā)生包晶反應(yīng)生成A0.17。反應(yīng)結(jié)束后尚有多余的L。

2￠點(diǎn)以下,自L中不斷結(jié)晶出A,至3點(diǎn)合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。

在3～4點(diǎn)間A冷卻不變,從4點(diǎn)起,冷卻時由A中析出F,F在A晶界處優(yōu)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(zhì)量分?jǐn)?shù)變?yōu)?.77%,F的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變?yōu)?.0218%。此時A發(fā)生共析反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)镻,F不變化。

從5￠繼續(xù)冷卻至6點(diǎn),合金組織不發(fā)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(shù)不高時呈黑色塊狀。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.6%的亞共析鋼,室溫平衡組織中的F常呈白色網(wǎng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

鋼的組成相為F和Fe3C,它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

亞共析鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)可求出鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C%=P%×0.77%

式中,C%表示鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),P%表示鋼中P的質(zhì)量