铁碳合金平衡组织识别的教学探讨

阳娣莎++王仁志

摘 要 针对高职学生对铁碳合金平衡组织这一理解难点，结合金相显微组织的显示原理，对典型铁碳合金基本组织形貌及其成因进行简要分析，让学生在理解的基础上掌握铁碳合金基本组织及形态。

关键词 铁碳合金；组织形貌；金相显示原理

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）14-0141-03

高职教育的培养目标是培养面向生产第一线，既有一定专业理论知识，又有较高职业技能的高素质技术技能型人才。机械工程材料是高职机械类专业的重要专业基础课，它主要研究金属材料的成分、组织与性能的对应关系，为机械零件的选材、热处理工艺的制定提供依据。铁碳合金基本组织是本课程的教学重点和教学难点之一。不同成分的铁碳合金在常温下的组织决定了合金的性能、用途和加工方法，并可依据显微组织判定材料的成分，合理地选材。多年教学实践中发现，学生对平衡组织的识别存在困难，即使在铁碳合金平衡组织观察实验时，大部分学生也根本无法区分不同典型组织，关键是不理解组织形貌的成因。

本文选取工业纯铁、45钢、T8钢、T12钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁作为金相试样，使用金相显微镜依次观察其平衡组织，并结合金相显微组织的显示原理，对典型铁碳合金平衡组织形貌及其成因进行简要分析，让学生在理解的基础上掌握铁碳合金基本组织及其形貌特征，从而加深对成分、组织与性能之间对应关系的理解。

1 金相显微组织显示原理

化学浸蚀法是常用的金属组织浸蚀法。纯金属及单相合金的浸蚀纯粹是一个化学溶解过程。晶界上的原子排列的规律性较差，具有较高的自由能，所以晶界处较易浸蚀而呈沟状，在显微镜下显示出纯金属或固溶体的多面体晶粒。二相合金的浸蚀与单相合金浸蚀原理不同，它是一个电化学腐蚀过程。不同合金相以及晶界的电极电位都不同，即在金属中存在很多电位不同的微区域，在浸蚀剂中，金属磨面与溶液界面形成很多微电池。电极电位较负的晶界或合金相等成为阳极而被溶解，呈凹陷状，在光学显微镜明场照明条件下因漫反射而呈现暗黑色；具有较高正电位的部分则不被浸蚀，保持原有的光滑平面，在光学显微镜下发生镜面反射而呈光亮的白色。

2 典型铁碳合金基本组织

由铁碳合金相图可知，铁碳合金的平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成。随着钢中碳的质量分数的不同，铁素体和渗碳体的相对数量不同，分布形态也不同，从而造成不同成分铁碳合金性能上的巨大差异。铁碳合金主要有以下几种组织。

1）铁素体。铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。铁素体强度、硬度低，塑性、韧性好。

2）奥氏体。奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。奥氏体是高温组织，塑性很好，在锻造、轧制时常要加热到A状态，提高塑性，易于加工。

3）渗碳体。渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为6.69%，其硬度很高，但塑性很差，冲击韧性几乎为零。

在铁碳平衡相图中，渗碳体有不同的形态。一次渗碳体Fe3CⅠ是从液相中直接析出的渗碳体，呈白色长条状；二次渗碳体Fe3CⅡ是奥氏体冷却时析出的渗碳体，沿晶界呈网状分布；三次渗碳体Fe3CⅢ是温度降低时，铁素体中析出的渗碳体，沿晶界呈小片状分布；共析渗碳体是共析转变中同铁素体交替形成，呈交替片状；共晶渗碳体在共晶转变时形成，在莱氏体中为连续基体。

4）珠光体。珠光体是共析转变形成的铁素体与渗碳体的两相混合物，用符号P表示。珠光体强度、硬度、塑性、韧性介于铁素体与渗碳体之间。

5）莱氏体。莱氏体是共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的两相混合物，用符号Ld表示。冷却到室温时，最终组织由共晶渗碳体、珠光体和二次渗碳体组成，且保持高温莱氏体的形态特征，该组织称为低温莱氏体Ld′。莱氏体的力学性能与渗碳体相近，硬度高，塑性差。

3 铁碳合金平衡组织形貌分析

化学浸蚀用的浸蚀剂，随合金性能而不同。碳素钢一般只需用4%的硝酸酒精浸蚀。下面就对不同成分的铁碳合金室温平衡组织用4%的硝酸酒精浸蚀后的组织形貌进行分析。

1）工业纯铁。工业纯铁室温组织为单相的铁素体（其中在晶界有少量三次渗碳体）。如图1所示，磨光试样在4%硝酸酒精浸蚀下，由于晶界处原子排列规律性差，自由能较高，容易被腐蚀而凹陷，在光学显微镜明场照明条件下发生漫反射，进入目镜的光学少，在视场中呈现暗黑色；而铁素体晶粒内部未被腐蚀，在光学显微镜明场照明条件下发生镜面反射，在视场中呈光亮的白色，因而可以观察到α-Fe的多面体晶粒。

2）共析钢。共析钢室温组织为珠光体——铁素体和渗碳体的两相混合物。其中具有较高负电位的铁素体成为阳极被腐蚀，渗碳体为阴极而不被腐蚀。那么，在金相显微镜下观察到白色或暗黄色较厚层片应为未腐蚀的渗碳体，较薄的黑色层片应为被腐蚀的铁素体。而根据杠杆定律计算出珠光体中铁素体和渗碳体的含量：

也就是说，如果忽略铁素体和渗碳体密度的微小差别，铁素体体积为渗碳体的8倍。事实上，珠光体组织中白色或暗黄色层片是铁素体，较薄的黑色层片为渗碳体，见图2。主要原因是在4%硝酸酒精浸蚀下，铁素体和渗碳体本身并未被腐蚀，被腐蚀的只是铁素体和渗碳体的相界面，在低倍显微镜下观察时，由于放大倍数不足，渗碳体两侧的界面分辨不清，看起来合成了一条线。因此，渗碳体在视野中呈现出黑暗色。这一点可以从扫描电镜照片得到进一步验证。图3是T8钢室温组织在扫描电镜下放大1000倍后的图片。薄片为渗碳体层片，厚层片为铁素体层片。

3）亚共析钢。亚共析钢室温组织为铁素体和珠光体。如图4所示，经4%硝酸酒精浸蚀后，白色的为先共析铁素体，黑色的为珠光体，铁素体和渗碳体层片由于放大倍数低，分辨不清，因而呈暗黑色。

4）过共析钢。过共析钢室温组织为二次渗碳体和珠光体。如图5所示，经4%硝酸酒精浸蚀后，白色网状的为沿奥氏体晶界析出的二次渗碳体，珠光体中层片状的铁素体和渗碳体相界被腐蚀而呈黑暗交替的层片形貌。

5）共晶白口铁。共晶白口铁室温组织为低温莱氏体，即珠光体、共晶渗碳体和二次渗碳体（其中，二次渗碳体依附于共晶渗碳体生长，难以分辨）。如图6所示，经4%硝酸酒精浸蚀后，视野中的白色部分为共晶渗碳体，黑色部分为由共晶奥氏体转变而成的珠光体组织。

6）亚共晶白口铁。亚晶白口铁室温组织为珠光体和低温莱氏体。如图7所示，经4%硝酸酒精浸蚀后，视野中的黑色岛屿状组织为由初晶奥氏体转变而成的珠光体，其余部分为共晶转变形成的莱氏体在温度降低后转变成的低温莱氏体，其形貌与共晶白口铁相同。

7）过共晶白口铁。过共晶白口铁室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体。如图8所示，经4%硝酸酒精浸蚀后，图中白色板条状为共晶转变形成的一次渗碳体，其余部分为低温莱氏体。

4 结论

结合金相显微组织的显示原理，对典型铁碳合金平衡组织形貌及其成因进行简要分析，让学生在理解的基础上掌握铁碳合金基本组织，增强教学效果。

参考文献

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