鐵碳合金平衡組織識(shí)別的教學(xué)探討

陽娣莎++王仁志

摘 要 針對(duì)高職學(xué)生對(duì)鐵碳合金平衡組織這一理解難點(diǎn)，結(jié)合金相顯微組織的顯示原理，對(duì)典型鐵碳合金基本組織形貌及其成因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上掌握鐵碳合金基本組織及形態(tài)。

關(guān)鍵詞 鐵碳合金；組織形貌；金相顯示原理

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）14-0141-03

高職教育的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)面向生產(chǎn)第一線，既有一定專業(yè)理論知識(shí)，又有較高職業(yè)技能的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。機(jī)械工程材料是高職機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它主要研究金屬材料的成分、組織與性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為機(jī)械零件的選材、熱處理工藝的制定提供依據(jù)。鐵碳合金基本組織是本課程的教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)之一。不同成分的鐵碳合金在常溫下的組織決定了合金的性能、用途和加工方法，并可依據(jù)顯微組織判定材料的成分，合理地選材。多年教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)平衡組織的識(shí)別存在困難，即使在鐵碳合金平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)，大部分學(xué)生也根本無法區(qū)分不同典型組織，關(guān)鍵是不理解組織形貌的成因。

本文選取工業(yè)純鐵、45鋼、T8鋼、T12鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵作為金相試樣，使用金相顯微鏡依次觀察其平衡組織，并結(jié)合金相顯微組織的顯示原理，對(duì)典型鐵碳合金平衡組織形貌及其成因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上掌握鐵碳合金基本組織及其形貌特征，從而加深對(duì)成分、組織與性能之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的理解。

1 金相顯微組織顯示原理

化學(xué)浸蝕法是常用的金屬組織浸蝕法。純金屬及單相合金的浸蝕純粹是一個(gè)化學(xué)溶解過程。晶界上的原子排列的規(guī)律性較差，具有較高的自由能，所以晶界處較易浸蝕而呈溝狀，在顯微鏡下顯示出純金屬或固溶體的多面體晶粒。二相合金的浸蝕與單相合金浸蝕原理不同，它是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過程。不同合金相以及晶界的電極電位都不同，即在金屬中存在很多電位不同的微區(qū)域，在浸蝕劑中，金屬磨面與溶液界面形成很多微電池。電極電位較負(fù)的晶界或合金相等成為陽極而被溶解，呈凹陷狀，在光學(xué)顯微鏡明場(chǎng)照明條件下因漫反射而呈現(xiàn)暗黑色；具有較高正電位的部分則不被浸蝕，保持原有的光滑平面，在光學(xué)顯微鏡下發(fā)生鏡面反射而呈光亮的白色。

2 典型鐵碳合金基本組織

由鐵碳合金相圖可知，鐵碳合金的平衡組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，鐵素體和滲碳體的相對(duì)數(shù)量不同，分布形態(tài)也不同，從而造成不同成分鐵碳合金性能上的巨大差異。鐵碳合金主要有以下幾種組織。

1）鐵素體。鐵素體是碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，常用符號(hào)F表示。鐵素體強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。

2）奧氏體。奧氏體是碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，常用符號(hào)A表示。奧氏體是高溫組織，塑性很好，在鍛造、軋制時(shí)常要加熱到A狀態(tài)，提高塑性，易于加工。

3）滲碳體。滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，化學(xué)式為Fe3C。滲碳體的含碳量為6.69%，其硬度很高，但塑性很差，沖擊韌性幾乎為零。

在鐵碳平衡相圖中，滲碳體有不同的形態(tài)。一次滲碳體Fe3CⅠ是從液相中直接析出的滲碳體，呈白色長(zhǎng)條狀；二次滲碳體Fe3CⅡ是奧氏體冷卻時(shí)析出的滲碳體，沿晶界呈網(wǎng)狀分布；三次滲碳體Fe3CⅢ是溫度降低時(shí)，鐵素體中析出的滲碳體，沿晶界呈小片狀分布；共析滲碳體是共析轉(zhuǎn)變中同鐵素體交替形成，呈交替片狀；共晶滲碳體在共晶轉(zhuǎn)變時(shí)形成，在萊氏體中為連續(xù)基體。

4）珠光體。珠光體是共析轉(zhuǎn)變形成的鐵素體與滲碳體的兩相混合物，用符號(hào)P表示。珠光體強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性介于鐵素體與滲碳體之間。

5）萊氏體。萊氏體是共晶轉(zhuǎn)變形成的奧氏體與滲碳體的兩相混合物，用符號(hào)Ld表示。冷卻到室溫時(shí)，最終組織由共晶滲碳體、珠光體和二次滲碳體組成，且保持高溫萊氏體的形態(tài)特征，該組織稱為低溫萊氏體Ld′。萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相近，硬度高，塑性差。

3 鐵碳合金平衡組織形貌分析

化學(xué)浸蝕用的浸蝕劑，隨合金性能而不同。碳素鋼一般只需用4%的硝酸酒精浸蝕。下面就對(duì)不同成分的鐵碳合金室溫平衡組織用4%的硝酸酒精浸蝕后的組織形貌進(jìn)行分析。

1）工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵室溫組織為單相的鐵素體（其中在晶界有少量三次滲碳體）。如圖1所示，磨光試樣在4%硝酸酒精浸蝕下，由于晶界處原子排列規(guī)律性差，自由能較高，容易被腐蝕而凹陷，在光學(xué)顯微鏡明場(chǎng)照明條件下發(fā)生漫反射，進(jìn)入目鏡的光學(xué)少，在視場(chǎng)中呈現(xiàn)暗黑色；而鐵素體晶粒內(nèi)部未被腐蝕，在光學(xué)顯微鏡明場(chǎng)照明條件下發(fā)生鏡面反射，在視場(chǎng)中呈光亮的白色，因而可以觀察到α-Fe的多面體晶粒。

2）共析鋼。共析鋼室溫組織為珠光體——鐵素體和滲碳體的兩相混合物。其中具有較高負(fù)電位的鐵素體成為陽極被腐蝕，滲碳體為陰極而不被腐蝕。那么，在金相顯微鏡下觀察到白色或暗黃色較厚層片應(yīng)為未腐蝕的滲碳體，較薄的黑色層片應(yīng)為被腐蝕的鐵素體。而根據(jù)杠桿定律計(jì)算出珠光體中鐵素體和滲碳體的含量：

也就是說，如果忽略鐵素體和滲碳體密度的微小差別，鐵素體體積為滲碳體的8倍。事實(shí)上，珠光體組織中白色或暗黃色層片是鐵素體，較薄的黑色層片為滲碳體，見圖2。主要原因是在4%硝酸酒精浸蝕下，鐵素體和滲碳體本身并未被腐蝕，被腐蝕的只是鐵素體和滲碳體的相界面，在低倍顯微鏡下觀察時(shí)，由于放大倍數(shù)不足，滲碳體兩側(cè)的界面分辨不清，看起來合成了一條線。因此，滲碳體在視野中呈現(xiàn)出黑暗色。這一點(diǎn)可以從掃描電鏡照片得到進(jìn)一步驗(yàn)證。圖3是T8鋼室溫組織在掃描電鏡下放大1000倍后的圖片。薄片為滲碳體層片，厚層片為鐵素體層片。

3）亞共析鋼。亞共析鋼室溫組織為鐵素體和珠光體。如圖4所示，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，白色的為先共析鐵素體，黑色的為珠光體，鐵素體和滲碳體層片由于放大倍數(shù)低，分辨不清，因而呈暗黑色。

4）過共析鋼。過共析鋼室溫組織為二次滲碳體和珠光體。如圖5所示，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，白色網(wǎng)狀的為沿奧氏體晶界析出的二次滲碳體，珠光體中層片狀的鐵素體和滲碳體相界被腐蝕而呈黑暗交替的層片形貌。

5）共晶白口鐵。共晶白口鐵室溫組織為低溫萊氏體，即珠光體、共晶滲碳體和二次滲碳體（其中，二次滲碳體依附于共晶滲碳體生長(zhǎng)，難以分辨）。如圖6所示，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，視野中的白色部分為共晶滲碳體，黑色部分為由共晶奧氏體轉(zhuǎn)變而成的珠光體組織。

6）亞共晶白口鐵。亞晶白口鐵室溫組織為珠光體和低溫萊氏體。如圖7所示，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，視野中的黑色島嶼狀組織為由初晶奧氏體轉(zhuǎn)變而成的珠光體，其余部分為共晶轉(zhuǎn)變形成的萊氏體在溫度降低后轉(zhuǎn)變成的低溫萊氏體，其形貌與共晶白口鐵相同。

7）過共晶白口鐵。過共晶白口鐵室溫組織為一次滲碳體和低溫萊氏體。如圖8所示，經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后，圖中白色板條狀為共晶轉(zhuǎn)變形成的一次滲碳體，其余部分為低溫萊氏體。

4 結(jié)論

結(jié)合金相顯微組織的顯示原理，對(duì)典型鐵碳合金平衡組織形貌及其成因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上掌握鐵碳合金基本組織，增強(qiáng)教學(xué)效果。

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