1、铁碳合金的平衡组织分析 一、 实验目的 1了解常用台式 金 相显微镜的主要构造与使用方法，初步掌握利用金相显微镜进行显微组织分析的基本方法。 2观察和识别铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织特征。 3分析含碳量对铁碳金平衡组织的影响，加深理解铁碳合金的成分、组织与性能之间的相互关系。 二、 实验 概述 研究金属组织的光学显微镜称为金相显微镜，它是由许多光学元件按一定要求组合而成的精密光学仪器。在本实验中通过讲解和实际操作使学生了解常用台式金相显微镜的基本原理、结构、使用和维护方法等。 利用金相显微 镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析 (或金相分析 )，在金相显微镜下所看到
2、的组织称为显微组织，合金在极其缓慢的冷却条件 (如退火状态 )下所得到的组织称为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可以根据 Fe-Fe3C 相图来进行分析。 由 Fe3C 相图可知，所有的碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素体和渗碳体两相组成，但由于合金中的含碳量不同，铁素体和渗碳体的数量、形状、大小及分布状况也不相同，随着含碳量的增加，渗碳体量不断增加，铁素体量不断减少，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化，所以，不同成分的铁碳合金室温下具有 不同的组织和性能。钢的组织以铁素体为基体，渗碳体为强化相，而且主要以珠光体的形式出现，使钢的强度和硬度提高，故钢中珠光体量愈多，其强度、硬度愈高，而塑性、韧
3、性相应降低。但过共析钢中当渗碳体明显地以网状分布在晶界上，特别在白口铁中渗碳体成为基体或以板条状分布在莱氏体基体上，将使铁碳合金的塑性和韧性大大下降，以致合金的强度也随之降低。这就是高碳钢和白口铁脆性高的主要原因。 钢的力学性能随含碳量变化的规律如右图所示。当钢中碳含量小于 0.9%时，随含碳量的增加，钢的强度、硬度直线上升，而塑性、韧性不断下降；当钢中碳 含量大于 0.9%时，因网状渗碳体的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过 1.4%。至于碳含量大于 2.11%的白口铁，由于组织
4、中出现大量的渗碳体，使性能硬而脆，难以切削加工，因此在一般机械制造中应用很少。 1室温下铁碳合金 中的几种基本相和组织 （ 1）铁素体（ F） 铁素体是碳溶于 -Fe 中形成的间隙固溶体。经 3% 5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色多边形晶粒。在亚共析钢中，铁素体呈块状分布 ；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。 （ 2）渗碳体 (Fe3C) 渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。经 3% 5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色；若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色，而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。由于铁碳合金中的成分和形成条件不同，渗碳体可以呈
5、现不同的形状：一次渗碳体是由液相中直接析出，可以自由长大，呈粗大的片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，呈网状分布。 （ 3）珠光体（ P） 珠光体是铁素体和渗碳体的多相混合物。在平衡状态下，它是由铁素 体和渗碳体相间排列的层片状组织。经 3% 5%硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈亮白色，但其边界被浸蚀而成黑色线条。在不同的放大倍数下观察时，组织特征则有所区别。在高倍 (600以上 )下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈亮白色，而其边界呈黑色；在中倍 (400左右 )下观察时，白亮色的渗碳体被黑色边界所“吞食”，而成为细黑条，这时看到珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相
6、间混合物；在低倍 (200以下 )下观察时，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时珠光体为黑色块状组织。 （ 4） 变态莱氏体 (Ld ) 变态莱氏体是珠光体和渗碳体所组成的多相混合物。经 3% 5%硝酸酒精溶液浸蚀后，变态莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基体上相间分布着黑色点 (块 )状或条状珠光体。 2室温下铁碳合金的平衡组织 （ 1）工业纯铁 工业纯铁中碳的质量分数小于 0.0218%，其组织为单相铁素体，呈白亮色的多边形晶粒，晶界呈黑色的网络，晶界上有时分布着微量的三次渗碳体 (Fe3C )。工业纯铁的显微组织如图 1-1 所示。 材料名称：工业纯铁 处理方法：退火 浸湿
7、剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍数： 500 显微组织：全部为 F 图 1-1 工业纯铁的显微组织 (2) 亚共析钢 亚共析钢中碳的质量分 数为 0.0218% 0.77%，其组织为铁素体和珠光体。随着钢中含碳量的增加，珠光体的相对量逐渐增加，而铁素体的相对量逐渐减少。 20 钢、 45 钢、 60 钢的显微组织如图 1-2 所示。 图 1-2 亚共析钢的显微组织 (3)共析钢 共析钢中碳的质量分数为 0.77%，其室温组织为单一的珠光体。共析钢 (T8 钢 )的显微组织如图 1-3 所示。 材料名称： 20 钢 处理方法：退火 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍数： 200 显微组织： F（白
8、块） P（黑块） 材料名称： 45 钢 处理方法：退火 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍数： 200 显微组织： F（白块） P（黑块） 材料名称： 60 钢 处理方法：退火 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍数： 200 显微组织： F（白块） P（黑块） (4) 过共析钢 过共析钢中碳的质量分数为 0.77% 2.11%，在室温下的平衡组织为珠光体和二次渗碳体。其中，二次渗碳体呈网状分布在珠 光体的边界上。 T12 钢的显微组织如图 1-4 所示。 图 1-3 T8 钢的显微组织 图 1-4 T12 钢的显微组织 (5) 亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁中碳的质量分数为 2.11% 4.3
9、%，室温下的显微组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体。其中，变态莱氏体为基体，在基体上呈较大的黑色块状或树枝状分布的为珠光体，在珠光体枝晶边缘有一层白色组织为二次渗碳体。亚共晶白口铸铁的组织如图1-5 所示。 (6) 共晶白口铸铁 共晶白口铸铁中碳的质量分数为 4.3%，其室温下的显微组织为变态莱氏体，其中，渗碳体为白亮色基体，而珠光体呈黑色细条及斑点状分布在基体上。共晶白口铸铁的显微组织如图 1-6 所示。 材料名称： T8 钢 处理方法：退火 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍数： 500 显微组织： P（层片状） 材料名称： T12 钢 处理方法：退火 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍
10、数： 400 显微组织： P（层片状） Fe3C （网状） (7) 过共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁中碳的质量分数为 4.3% 6.69%，室温下的显微组织为变态莱氏体和一次渗碳体。一次渗碳体呈白亮色条状分布在变态莱氏体的基体上。过共晶白口铸铁的显微组织如图 1-7 所示。 图 1-5 亚共晶白口铸铁的显微组织 图 1-6 共晶白口铸铁的显微组织 图 1-7 过共晶白口铸铁的显微组织 材料名称：亚共晶白口铸铁 处理方法：铸态 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大 倍数： 400 显微组织： P（黑色块状或枝状） Fe3C Ld 材料名称：共晶白口铸铁 处理方法：铸态 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大
11、倍数： 400 显微组织： Ld（黑色块、点状为 P+白色为 Fe3C 基体） 材料名称：过共晶白口铸铁 处理方法：铸态 浸湿剂： 4%硝酸酒精溶液 放大倍数： 200 显微组织： Fe3C （白色宽长条） + Ld 三、 实验设备及 器材 1 金相显微镜 2实验 观察 用 的 各种铁碳合金的显微样品如表 1-2 所列。 表 1-2 实验用各种铁碳合金的显微样品 编 号 材料名称 处理方法 显微组织 浸蚀剂 1 工业纯铁 退火 F 4%硝酸酒精溶液 2 20 钢 退火 F+P 4%硝酸酒精溶液 3 45 钢 退火 F+P 4%硝酸酒精溶液 4 60 钢 退火 F+P 4%硝酸酒精溶液 5 T8
12、 钢 退火 P 4%硝酸酒精溶液 6 T12 钢 退火 P+Fe3C 4%硝酸酒精溶液 7 亚共晶白口铁 铸态 P+Fe3C+ Ld 4%硝酸酒精溶液 8 共晶白口铁 铸态 Ld 4%硝酸酒精溶液 9 过共晶白口铁 铸态 Ld+Fe3C 4%硝酸酒精溶液 3金相照片 表 1-2 中所列铁碳合金样品的显微组织放大照片一套。 四 、 实验 任务及步骤 1 了解 金相显微镜的基本结构， 工作原理及操作使用 。 2在显微镜下认真观察表 1-2 中所列样品的显微组织，识别各种显微组织特征，并观察分析含碳量对组织的影响。 3在金相 显微镜下选择各试样显微组织的典型区域，并根据组织特征描绘出其显微组织示意图
13、。 并 记录所观察的各试样名称、显微组织、浸蚀剂、放大倍数及组织特征，并用引线标出各显微组织示意图中组织组成物的名称。 4估算所观察的各亚共析碳钢显微组织中各组织组成物的相对量，并利用所学的杠杆原理加以验证。 五、 实验注意事项 1在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细观察。 2在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样表面在载物台上滑动，以免引起显 微组织模糊不清，影响观察效果。 3画组织示意图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织。注意不要将磨痕或杂质画在图上。 六、 实验报告要求 1.用铅笔画出各种铁碳合金样品的显微组织示意图，用引线和符号标出其各种组织的名称，并填写出显微组织的有关说明信息。 在 40mm 的圆内画出其显微组织示意图， 金相显微组织记录格式 如图 1-10 所示。 材料名称 金相组织 处理方法 放大倍数 浸 蚀 剂 图 1-10 金相显微组织记录格式 2.根据所观察的组织，分析说明含碳量对铁碳合金平衡组织和性能影响 的规律 。 3 以所观察的任一个样品为例，分析其结晶过程。
