铁碳合金平衡组织观测及金相显微镜使用.doc

铁碳合金平衡组织观测及金相显微镜使用(金相互动实验)一、实验目的1.初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征2.分析成分(含碳量)对铁碳合金显微组织的影响,从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系二、实验概述铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下(如退火状态即接近平衡状态)所得到的组织我们可根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织,如图1-1图1-1 Fe-Fe3C相图铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织从Fe-Fe3C相图上可见，碳钢和白口铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成但是，由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量，析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现出各种不同的组织形态一）铁碳合金室温下基本组织组成物的显微组织特征各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表1-1表1-1 各种铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳量(％)显微组织浸蚀剂工业纯铁≤0.02铁素体4%硝酸酒精溶液碳钢亚共析钢0.02～0.8铁素体＋珠光体4%硝酸酒精溶液共析钢0.8珠光体4%硝酸酒精溶液过共析钢0.8～2.06珠光体＋二次渗碳体苦味酸钠溶液，渗碳体变黑或呈棕红色白口铸铁亚共晶白口铁2.06～4.3珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体4%硝酸酒精溶液共晶白口铁4.3莱氏体4%硝酸酒精溶液过共晶白口铁4.3～6.67莱氏体＋一次渗碳体4%硝酸酒精溶液用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。

1、铁素体(F)铁素体是碳在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，用3%～4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明显的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈现快状分布；当含碳量接近于共析成份时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围2、渗碳体(Fe3C)铁素体是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69％，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3％～4%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，则渗碳体能被染成黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体按照成份和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次为渗碳体（初生相）是直接由液体中结晶出来的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是有铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计3、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物在一般退火处理的情况下，是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层状组织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珠光体组织，如图1-2所示。

在高倍放大时如图1-2（a）能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时如图1-2(b),由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，故此时珠光体中的渗碳体就只是能看到是一条黑线；当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨而呈黑色如图1-2（c） 图1-2 不同放大倍数下的珠光体显微组织表1-2 各类组织组成物的机械性能性能组成物硬度HB抗拉强度(MN/m2)断面收缩率Φ(%)相对延伸率δ(%)冲击韧性Ak(J)铁素体60～90120～13060～7540～50160渗碳体750～82030～35－－≈0片状珠光体190～230860～90010～159～1224～32球状珠光体160～190650～75018～2518～2532～27高碳工具钢(过共析钢)经球化退火处理后还可从中获得球状珠光体上述各类组织组成物的机械性能见表1-24、莱氏体(Ld)是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中凹氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723℃以下分解为珠光体莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着亮黑色斑点及细条状的珠光体。

二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分莱氏体的金相特征可参见图1-7二）铁碳合金平衡组织的显微分析Fe-Fe3C相图上的各种合金，按其含碳量与平衡组织的不同，可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁3类1、工业纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组织含碳量小于0.0218％的铁碳合金通常称为工业纯铁它是两相组织，即由铁素体和少量三次渗碳体组成图1-3为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基底则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体图1-3 工业纯铁显微组织（100×）浸蚀剂为4％硝酸酒精溶液2、碳钢含碳量在0.0218%～2.11％范围内的铁碳合金称为碳钢按其含碳量与平衡组织的不同，可分为亚共析碳钢，共析碳钢和过共析碳钢3种1）亚共析钢亚共析钢的含碳量在0.0218%～0.8％范围内，其组织有铁素体和珠光体所组成随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对量可由杠杆定律求得例如：含碳量为0.45％的钢(45钢)珠光体的相对量为,铁素体的相对量为另外，也可根据显微镜下观察到的珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算出钢的含碳量：式中：C%---钢的含碳量； P％－珠光体所占面积。

图1-4(a)、(b)所示分别为亚共析钢（20钢和45钢）的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体图1-4 亚共析钢显微组织（100×）浸蚀剂为4％硝酸酒精溶液（2）共析钢含碳量为0.8％的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成，组织如图1-2所示3）过共析钢含碳量在0.8％～2.11％范围内的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成钢中的含碳量越多，二次渗碳体数量就越多二次渗碳体呈网状分布于晶界上图1-5所示含碳量为1.2％的过共析碳钢的显微组织组织形状为层片相间的珠光体和细小的网络状渗碳体经硝酸酒精溶液浸蚀后，珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状，如图1-5(a)所示，若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体就被染成黑色，而铁素体仍保留白色，如图1-5(b)所示图1-5 过共析钢显微组织（400×）（a）浸蚀剂为4％硝酸酒精溶液 （b）浸蚀剂为碱性苦味酸钠溶液3、白口铸铁白口铸铁是含碳量为2.11%～6.69%范围内的铁碳合金，按其含碳量及平衡组织的不同，又可分为亚共晶白口铸铁，共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁3种1）亚共晶白口铸铁含碳量为2.11～4.3%范围内的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。

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，如图1-6所示，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莱氏体图1-6 亚共晶白口铸铁显微组织（200×）浸蚀剂为4％硝酸酒精溶液（2）共晶白口铸铁共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成，经浸蚀后，在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色，如图1-7所示图1-7 共晶白口铸铁显微组织（200×）浸蚀剂为4％硝酸酒精溶液（3）过共晶白口铸铁含碳量为4.3～6.69％范围内的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温下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在暗色斑点的莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体，如图1-8所示图1-8 过共晶白口铸铁显微组织（200×）浸蚀剂为4％硝酸酒精溶液三、实验设备及材料1、金相显微镜2、金相图谱3、各种铁碳合金的金相显微试样（见表1-3）表1-3 几种碳钢和白口铸铁的显微试样编号材料热处理组织名称及特征浸蚀剂放大倍数1工业纯铁退火铁素体(等轴晶粒)和微量三次渗碳体(薄片状)4%硝酸酒精溶100～500220钢退火铁素体(块状)和少量的珠光体4%硝酸酒精溶100～500345钢退火铁素体(块状)和相当数量的珠光体4%硝酸酒精溶100～5004T8钢退火铁素体(宽条状)和渗碳体(细条状)相间交替排列4%硝酸酒精溶100～5005T12钢退火珠光体(暗色基底)和细网络状二次渗碳体4%硝酸酒精溶100～5006T12钢退火珠光体(浅色晶粒)和二次渗碳体(黑色网状)苦味酸钠溶液100～5007亚共晶白口铁铸态珠光体(黑色枝晶状)、莱氏体(斑点状)和二次渗碳体（在枝晶周围）4%硝酸酒精溶100～5008共晶白口铁铸态莱氏体，即珠光体(黑色细条及斑点状)和渗碳体（亮白色）4%硝酸酒精溶100～5009过共晶白口铁铸态莱氏体（暗色斑点）和一次渗碳体(粗大条片状)4%硝酸酒精溶100～500四、实验内容及步骤1、认真观察表1-3所列的各种材料的显微组织，识别各显微组织的特征(各相或组织组成物的数量，形态与分布)。

2、在显微镜下选择各种材料的显微组织的典型区域，并根据组织特征，绘出其显微组织示意图3、记录所观察的各种材料的牌号或名称，显微组织、放大倍数及浸蚀剂，并把显微组织示意图中组织组成物用镜头标出其名称4、对指定钢样，根据显微组织中各组织所占面积，近似估算其平均含碳量及其钢号五、注意事项1、在观察显微组织时，可先用低放大倍数全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高放大倍数放大，对部分区域进行详细的观察2、在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察结果3、画组织图时，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志画在图上4、认真完成实验报告。