实验六 铁碳合金的显微组织及分析
摘要：通过对各类铸铁显微组织的观察和分析，掌握各类铸铁的基体组织成分和石墨形态变化以及显微组织特征，分析石墨化的形成过程及对材料性能的影响。并进一步熟悉铁碳合金相图。对铸铁组织性能进行概括性的分析与总结，了解各类铸铁的制备方法和性能特点。
关键词：铸铁 石墨化 铁碳相图
正文：
一、实验背景
铸铁在工业生产中应用广泛，而铸铁组织中的不同形态的石墨对其性能有着重要的影响。 本实验通过对各类铸铁显微组织的观察和分析，认识灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和麻口铸铁等的显微组织特征。从而掌握各类铸铁的基体组织成分和石墨形态变化，分析其对性能的影响。并了解各类铸铁的制备方法和性能特点
二、 实验原理
1、铸铁的分类
根据碳在铸铁中存在形态不同，铸铁分为：
① 白口铸铁：其中除碳少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形式
存在。除主要用作炼钢原料外，还用来生产可锻铸铁。
② 灰口铸铁：其中碳全部或大部分以片状石墨形式存在。灰口铸铁
断裂时，裂纹沿各个石墨片发展，因而断口呈暗灰色。
③ 麻口铸铁：介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰
白相间的麻点状。
④ 可锻铸铁：又称展性铸铁，由白口铸铁经石墨化退火后制成，其
中碳以团絮状石墨形式存在。
⑤ 球墨铸铁：铁液在浇注前经过球化处理，碳主要以球状石墨形式
存在。
2、铁碳相图
在铁碳合金中，碳可能以两种形式存在，即化合状态的渗碳体和游离状态的石墨。渗碳体是一种亚稳定的状态。而呈现游离状态存在的石墨则是一种稳定的相。因此铁碳相图通常有Fe—
和Fe—石墨两种形式，且Fe—石墨体系是更稳定的状态。
铁—渗碳体(实线)和铁—石墨(虚线)相图
3、石墨化过程
铸铁组织中石墨的形成叫做 “石墨化”过程。
如果全部按照Fe-C相图进行结晶，则铸铁（2.5~4.0%C）的石墨化过程可分为三个阶段：
第一阶段：从铸铁的液相中结晶出一次石墨(过共晶合金)和通过
共晶反应结晶出共晶石墨，或者在铸铁凝固过程中通过渗碳体在共晶温度以上的高温分解形成石墨。
第二阶段：自奥氏体中不断析出二次石墨，从铸铁的奥氏体相
中直接析出二次石墨，或者通过渗碳体在共晶温度和共析温度之间发生分解而形成石墨。
第三阶段：在铸铁的共析转变过程中析出石墨，或者通过渗碳
体在共析温度附近及其以下温度发生分解形成石墨。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同
三、设备与样品
光学显微镜，普通灰口铸铁样品，变质灰口铸铁样品，可锻铸铁样品，球墨铸铁样品，麻口铸铁样品。
四、实验结果
（实验观察样品组织图，如附图1——6所示）
五、讨论与分析
实验观察样品组织图分析
① 附图1所示为灰口铸铁（未侵蚀）的显微组织示意图
该组织中石墨呈层片状分布，灰口铸铁的基体在未经腐蚀的时候在试片上呈白亮色。
② 附图2所示为铁素体基灰口铸铁的显微组织示意图
该组织中，石墨以片层状结构分布，图中白色基底部分为铁素体，铁素体基是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到。铸件结晶时共晶渗碳体发生分解进行第一阶段石墨化，然后又在随炉缓慢冷却过程中使二次渗碳体及共析渗碳体发生分解进行第二和第三阶段石墨化，石墨化的三个阶段在结晶时都得以充分进行。这样就可获得铁素体灰口铸铁。
③ 附图3所示为麻口铁的显微组织示意图
在麻口铸铁中，碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在，断口来杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨。铸铁凝固时增大冷却速度不仅导致第二阶段渗碳体并且中间阶段甚至第一阶段石墨化也未能或未能充分进行，则会得到含有二次渗碳体甚至莱氏体的麻口铁。
④ 附图4所示为铁素体基球墨铸铁的显微组织示意图
该组织中，石墨呈球状分布，图中围绕球状石墨的白色基体组织为铁素体。该组织由铸造加退火获得。退火过程中基体中的渗碳体分解出石墨并自奥氏体中析出石墨，这些石墨集聚于原球状石墨周围，基体全转换为铁素体。
⑤ 附图5所示为铁素体+珠光体基球墨铸铁的显微组织示意图
该组织中，石墨呈球状分布，基体中球状石墨的周围总是铁素体，其外层才是珠光体，有如牛眼形状。这是由于球状石墨的先形成接着围绕着石墨球形成贫碳区，之后奥氏体形核并生长、兼并和粗化，球化继续进行最后形成一圈封闭晕圈。这层闭晕圈为多晶态的铁素体，围绕在球状石墨周围的黑色基体组织为珠光体。
⑥ 如附图6所示：为铁素体基展性铸铁的显微组织示意图
该组织中，石墨呈团絮状，图中围绕球状石墨的白色基体组织为铁素体。在铸铁的冷却过程当中石墨从奥氏体中直接析出，退火速度稍慢，便可得到铁素体基展性铸铁。
六、思考题
1、讨论各类铸铁在组织上（基体组成，石墨形态）有何不同？组织对性能的影响。
答：根据基本显微组织和力学性能，铸铁可以分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。
1）白口铸铁。在室温下白口铸铁中的碳呈Fe3C化合物状态存在， （1）亚共晶白口铸铁，碳的质量分数为2.11%-4.3%，其组织是珠光体，二次渗碳体与莱氏体。（2）共晶白口铸铁，碳的质量分数为4.3%，其组织是莱氏体。（3）过共晶白口铸铁，碳的质量分数大于4.3%，其组织为一次渗碳体和莱氏体
2）合金铸铁。所谓合金铸铁是在普通铸铁内有意识地加入一些合金元素，如镍、铬、锰、钛等配制而成的铸铁。加入的合金元素可改善热处理组织，从而提高基体强度和耐磨性，因此应用较广。
3）球墨铸铁。碳的质量分数为3.5%-3.9%，基体组织为铁素体、珠光体。具有很高的强度，具有一定的韧性和塑性，经过热处理后，其力学性能可进一步得到改善。
4）可锻铸铁。碳的质量分数为2.2%-2.8%，其基体组织为铁素体、珠光体、少量渗碳体和微量石墨。具有较高的韧性和塑性，可锻铸铁中，石墨呈团絮状存在，综合力学性能较好，可制造形状复杂的零件。
5）灰铸铁。灰铸铁碳的质量分数为2.7%-3.6%，其基体组织分为铁素体、珠光体、及珠光体+铁素体，铸铁组织中的石墨以片状形式存在，熔点低，流动性好，冷却凝固时收缩量小，具有优良的铸造性能，抗拉强度小，容易拉断，塑性差，硬度低，性质娇软，容易切削。
2、如何改变灰口铸铁的性能
答：可以从以下两个方面采取措施改变灰口铸铁的性能
（1）灰口铸铁的热处理
热处理只能改变灰口铸铁的基体组织，不能改变石墨的形态和分布，因此热处理一般用来消除铸体的内应力及改善切削加工性。包括①去应力退火，防止铸件产生变形和裂纹；②降低硬度，改善切削加工性能；③表面淬火，提高硬度和耐磨性。
（2）低温气体多元共渗法
对灰口铸铁表面进行低温气体氮、碳、氧多元共渗，表面形成弥散分布的氮化物，灰口铸铁表面显微硬度显著提高。
3、铸铁的石墨化过程的影响因素
①化学成分的影响：按合金元素对石墨化过程的作用，可以将其分
为两大类；一是促进石墨化的元素C、Si、A1、Cu、Co等，二是阻碍石墨化的元素Cr、W、Mo、V、Mn和杂质元素S等。
②冷却速度的影响：冷却速度的影响，体现在温度与时间两个方面。
温度越高，保持时间越长，石墨化越易进行；温度越低，保持时间越短，石墨化越难进行。
七、实验总结
通过本实验对各类铸铁显微组织的观察和分析，认识到了灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和麻口铸铁等各类铸铁的显微组织特征。不仅巩固了课堂上所学到的知识，而且还锻炼了自己观察并动手画出组织的能力，这对以后的学习和工作也奠定了一定的基础。更进一步了解了各类铸铁的基体组织成分和石墨形态变化，分析了组织结构对性能的影响。从而了解了各类铸铁的制备方法和性能特点。
第二篇：合金钢、铸铁与有色金属的显微组织分析实验报告A
兰州理工大学学生实验报告
学 院 材料科学与工程学院
实 验 室 实 验 中 心
课程名称 工程材料
实验类型 验证性
实验名称 合金钢、铸铁、有色金属的
显微组织观察
学生姓名
学生学号
实验日期
指导教师 孙卫民
合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察
实验报告
一、实验目的
二、使用的设备仪器
三、实验方法、步骤
四、画出下列材料的显微组织示意图，并用箭头标明示意图中所示组织的名称
材料名称：W18Cr4V 材料名称：W18Cr4V
处理状态：铸造 处理状态：淬火+高温回火
组 织： 组 织：
腐 蚀 剂： 腐 蚀 剂：
放大倍数： 放大倍数：
材料名称：灰口铸铁 材料名称：球墨铸铁
处理状态：铸造 处理状态：铸造
组 织： 组 织：
腐 蚀 剂： 腐 蚀 剂：
放大倍数： 放大倍数：
材料名称：ZL102（未变质） 材料名称：ZL102（变质）
处理状态： 处理状态：
组 织： 组 织：
腐 蚀 剂： 腐 蚀 剂：
放大倍数： 放大倍数：
五、实验结果讨论
1. 根据显微组织观察，试分析高速钢性能和热处理特点，说明为什么？
3.将以上灰口铸铁的组织与性能同球墨铸铁进行比较，说明为什么？
4.试分析变质处理对硅铝明合金的作用。
5. 简述巴氏合金组织与性能的特点。