铁碳合金是人们最常使用的金属材料：实验原理介绍

铁碳合金是人们最常使用的金属材料，研究铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料的基础。铁碳合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态）所得到的组织，其相变过程均按Fe-Fe3C相图（见图17.1）进行。亦即可以根据该相图来分析铁碳合金的显微组织。

图17.1　Fe-Fe3C相图

图17.1中，所有碳钢和白口铸铁在室温的组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。只是因碳含量的不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况各有所不同，因而呈不同的组织形态。

1.碳钢和白口铸铁在金相显微镜下的基本组织

（1）铁素体（F）

铁素体是指碳在α-Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度较低（50～80HBW）。

（2）渗碳体（Fe3C）

渗碳体是指铁与碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，其碳含量为6.69%，硬度为800HBW。当用3%～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，呈亮白色，若用苦味酸钠溶液侵蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为亮白色。按铁碳合金成分和形成条件的不同，渗碳体呈现不同的形态：一次渗碳体（初生相）直接由液体中析出，在白口铸铁中呈粗大的条片状（记为Fe3CⅠ）；二次渗碳体（次生相）从奥氏体中析出，成网络状沿奥氏体晶界分布（记为Fe3CⅡ）；在727℃以下，由铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳体（记为Fe3CⅢ）。经球化退火，渗碳体呈颗粒状。

（3）珠光体（P）

珠光体是指经共析转变得到的铁素体和渗碳体的机械混合物。根据形成条件的不同，珠光体有以下两种不同的组织形态。

1）片状珠光体

它是由铁素体与渗碳体交替形成的层片状组织、硬度为190～230HBW，经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层片状组织。在高倍放大时，能清楚看到珠光体中铁素体和细条渗碳体。当放大倍数低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时就只能看到一条黑线。当组织较细而放大倍数更低时，珠光体片层就不能分辨，而呈黑色。

2）球状珠光体

球状珠光体组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈暗黑色，硬度为160～190HBW。

（4）莱氏体（L）。

它是由碳含量为4.3%的共晶白口铸铁在1148℃高温时共晶反应所形成的共晶体（奥氏体和共晶渗碳体），其中奥氏体在继续冷却时析出二次渗碳体，当冷却到温度为727℃时奥氏体转变为珠光体。因此莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。

2.铁碳合金平衡组织的显微分析

根据铁碳相图，在平衡状态下，铁碳合金分为工业纯铁、碳钢（包括亚共析钢、共析钢、过共析钢）、白口铸铁（包括亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）3大类，每一种铁碳合金都具有不同的组织。

（1）工业纯铁

碳含量低于0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，由铁素体和三次渗碳体组成。工业纯铁的显微组织中亮白色基体是铁素体的不规则等轴晶粒，晶界上存在少量三次渗碳体，呈现出白色不连续网状，由于量少，故有时看不出，如图17.2所示。

图17.2　工业纯铁的显微组织(www.xing528.com)

（2）碳钢

1）亚共析钢

亚共析钢的碳含量在0.02%～0.77%范围内，组织由铁素体和珠光体所组成。随着碳含量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多。亚共析钢的显微组织中，亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体，如图17.3所示。通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积百分数，可近似地计算出钢的碳含量。例如：在显微镜下观察到有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢碳含量为ωC＝（50%×0.77）/100+（50%×0.0218）/100＝0.4%，即相当于40钢。

图17.3　亚共析钢的显微组织

2）共析钢

碳含量为0.77%的铁碳合金称为共析钢。其由单一珠光体组成，如图17.4（a）所示。

3）过共析钢

碳含量超过0.77%的铁碳合金称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中碳含量越多，二次渗碳体数量也就越多。碳含量为1.2%的过共析钢的显微组织中存在片状珠光体和网状二次渗碳体，经浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体则呈白色网状，如图17.4（b）所示。

图17.4　共析钢、过共析钢的显微组织

（a）共析钢；（b）过共析钢

若要根据显微组织来区分过共析钢的网状二次渗碳体和亚共析钢的网状铁素体，则可采用苦味酸钠溶液来浸蚀。这样，二次渗碳体就被染色呈黑色网状，而铁素体和珠光体仍保留白色。

（3）白口铸铁

1）亚共晶白口铸铁

碳含量低于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为珠光体、二次渗碳体和莱氏体，用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状的莱氏体，如图17.5（a）所示。

2）共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的碳含量为4.3%，它在室温下的组织由单一的莱氏体组成。经浸蚀后，在显微镜下，珠光体呈暗黑色细条及斑点状，共晶渗碳体呈亮白色，如图17.5（b）所示。

3）过共晶白口铸铁

碳含量高于4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，其在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到暗色斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色的粗大条片状的一次渗碳体，如图17.5（c）所示。

图17.5　白口铸铁金相显微组织

（a）亚共晶白口铸铁；（b）共晶白口铸铁；（c）过共晶白口铸铁