实验一铁碳合金平衡组织分析

实验一铁碳合金平衡组织分析
一、实验目的
⒈通过观察和分析，熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织，熟悉金相显微镜的使用；
⒉了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征；
⒊分析并掌握平衡状态下铁碳合金的组织和性能之间的关系。

二、实验设备
XD—2视频金相显微镜、4X型金相显微镜
三、实验步骤与内容
⒈实验内容
碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系，因此熟悉掌握它们的组织，对于合理使用钢铁材料具有十分重要的实际指导意义。

⑴碳钢和白口铸铁的平衡组织
平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。

铁碳合金在平衡状态下的显徽组织可以根据Fe—Fe3C相图来分析。

从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)所组成。

但是，由于碳含量的不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态，分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。

碳钢和白口铸铁在室温下的平衡组织见表1。

表1 各种铁碳合金在室温下的平衡组织
①工业纯铁——室温时的平衡组织为铁素体(F)，F为白色块状（如图1所示）；
②亚共析钢——室温时的平衡组织为铁素体(F)+珠光体(P)，F呈白色块状，P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状(如图2所示)。

碳质量分数大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中的F呈白色网状包围在P周围(如图3所示)；③共析钢——室温时的平衡组织是珠光体(P)，其组成相是F和Fe3C(如图4、5所示)；
④过共析钢——室温时的平衡组织为Fe3CⅡ+P。

在显微镜下，Fe3CⅡ呈网状分布在层片状P周围(如图6所示)；
⑤亚共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为P+Fe3CⅡ+ Le＇。

Fe3CⅡ网状
分布在粗大块状的P的周围，Le＇则由条状或粒状P和Fe3C基体组成(如图7所示)；
⑥共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为Le＇，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成(如图8所示)；
⑦过共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为Fe3CⅠ+ Le＇，Fe3CⅠ呈长条状，Le＇则由条状或粒状P 和Fe3C基体组成(如图9所示)。

⑵各种组成相或组织组成物的特征
①铁素体(F)是碳溶于a-Fe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，一般为80HB～120HB，经3％～5％硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白色晶粒，见工业纯铁的组织(如图1所示)。

亚共析钢中，随着钢中碳质量分数的增加，珠光体量增加而铁素体量减少。

铁素体量较多时，呈块状分布(如图2所示)。

当钢中碳质量分数接近共析成份时，铁素体往往呈断续的网状，分布于珠光体的周围(如图3所示)。

②渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的复杂结构的间隙化合物，它的碳质量分数为
6.69％，抗浸蚀能力较强。

经3％～5％硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色。

一次渗碳体(Fe3CⅠ)是直接从液体中析出的，呈长白条状，分布在莱氏体中；二次渗碳体(Fe3CⅡ)是由奥氏体(A)中析出的，数量较少，皆沿奥氏体晶界析出，在奥氏体转变成珠光体后，它呈网状分布在珠光体的边界上。

另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。

渗碳体的硬度很高，可达800HB以上，它是一种硬而脆的相，强度和塑性都很差。

③珠光体(P)是铁素体和渗碳体的共析机械混合物，它是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。

经3％～5％硝酸酒精溶液浸蚀后，试样磨面上的条状铁素体和渗
碳体因边界被浸蚀呈黑色线条，在不同放大倍数的显微镜下观察时，具有不太一样的特征。

在600倍以上的高倍显微镜下观察时，每个珠光体团中是平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体，它们都呈白亮色，而其边界呈黑色(如图5所示)。

在400倍左右的中倍显微镜下观察时，白亮的渗碳体细条被两边黑色的边界线所“吞食”，而变成为黑条，这时所看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物(如图4所示)。

在200倍以下的低倍显微镜下观察时，由于显微镜的鉴别率较低，宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时的珠光体是一片暗黑，成为黑块
的组织。

④莱氏体(Le＇)是一个两相组织。

在7270C以上是奥氏体和渗碳体的机械混合物。

在7270C时，莱氏体中奥氏体发生共析反应而变成珠光体，所以在室温时莱氏体组织是珠光体和渗碳体的机械混合物。

渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨开。

经3％～5％硝酸酒精浸蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色的渗碳体基本上分布着许多黑色点(块)状或条状的珠光体(如图8所示)。

莱氏体硬度很高，达700HB性脆。

它一般存在于碳质量分数大于2.11％的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也有出现。

在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色粗树枝状的珠光体所分割，而且可看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体(如图7所示)。

在过共晶白口铸铁中，莱氏体被粗大的白色长条状的一次渗碳体所分割(如图9所示)。

⑶铁素体与渗碳体的区别
铁碳合金平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。

F和Fe3C经3％～5％硝酸酒精溶液浸蚀后均呈白亮色，有时为了区别晶界网状是铁素体还是渗碳体，可用碱性苦味酸钠水溶液(2g苦味酸、25g氢氧化纳、l00ml水)煮沸15min，渗碳体被染成黑色，铁素体仍为白色(图10)，这样就可区别F和Fe3C。

⑷亚共析钢碳的质量分数的估算
亚共析钢的碳的质量分数在0.0218％～0.77％范围内，平衡状态下组织为铁素体和珠光体，随着碳质量分数的增加，铁素体的数量逐渐减少，珠光体的数量则相应地增多，两者的质量分数可由杠杆定律求得。

例如，碳的质量分数为0.45％的钢(45钢)，其珠光体、铁素体的质量分数分别为：
反之，因珠光体、铁素体和渗碳体的密度相近，也可以通过在显徽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碳质量分数。

例如，在显微镜下观察到约
有50％的面积为珠光体，50％的面积为铁素体，则此钢的碳的质量分数为：即此钢相当于40钢(铁素体在室温下碳含量极微,可忽略不计)。

⒉实验步骤
⑴观察表2中所列样品的显微组织，研究每一个样品的组织特征，并联系铁碳相图分析其组织形成过程。

表 2 金相样品的材料和工艺
编号
材料工艺浸蚀剂
1 2 3 4 工业纯铁
亚共析钢(45号钢)
共析钢(T8)
过共析钢(T12钢)
退火
退火
退火
退火
4%硝酸酒精溶液
4%硝酸酒精溶液
4%硝酸酒精溶液
4%硝酸酒精溶液
⑵用铅笔绘出所观察样品的显微组织示意图。

画图时要抓住各种组织组成物形态的特征，并用箭头和代表符号标出各组织组成物。

⑶分析一个未知试样．指出它是何种钢，是什么组织，用杠杆定律确定(或估算出)大致的碳质量分数，根据相图形状和性能的对应规律求出大致的硬度(HB)。

四、实验报告要求
⒈写出实验目的。

⒉画出所观察样品的显微组织示意图(用箭头和代表符号标明各组织组成物，并注明样品成分、浸蚀剂和放大倍数)。

⒊根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。

⒋根据杠杆定律确定(或估算)未知样品的碳的质量分数和大致硬度(HB)。

五、思考题
⒈珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同?为什么?
⒉渗碳体有哪几种?它们的形态有什么差别?
实验3 铁碳合金平衡组织的观察与分析
双击自动滚屏发布者：admin 发布时间：2007-6-3 20:56:53 阅读：570次
实验3 铁碳合金平衡组织的观察与分析
3.1 实验目的
（1）观察和分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织；
（2）了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布持征；
（3）进一步熟悉金相显微镜的使用。

3.2 实验说明
碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系，因此熟悉并掌握它们的组织是钢铁材料的使用者最基本的要求。

3.2.1 碳钢和白口铸铁的平衡组织
平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。

铁碳
C相图来分析。

从相图可知，所有碳钢和合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-Fe
3
白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(Ｆ)和渗碳体(Cm)所组成。

但是，由于碳含量的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。

碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表3.1。

表3.1 各种铁碳合金在室温下的显微组织
3.2.2 各种相组分或组织组分的特征
碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其组织中各相组分和组织组分的形状和性能如下：
铁素体: 铁素体经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白亮色多边形晶粒，如图3.1所示。

随着钢中含碳量的增加，铁素体量减少，当其量较多时呈块状分布（图3.2），含碳量接近共析成分时往往呈断续的网状分布在珠光体的周围。

铁素体具有良好的塑性和韧性，但硬度较低，一般为80~120HBS，强度也较低。

渗碳体：渗碳体经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后，也呈白亮色。

一次渗碳体呈长条状分布在莱氏体之间，如图3.3所示；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上，如图3.4所示；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状，如图3.5、图3.6所示。

铁素体和渗碳体经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则渗碳体被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。

用此方法可以区别铁素体和渗碳体。

渗碳体的硬度为800HBW，强度、塑性、韧性都很差，它是一个硬、脆相。

图3.1 工业纯铁的显微组织图3.2 含0.45% C碳钢的显微组织
珠光体：珠光体是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。

它经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后，其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀呈黑色线条。

在600倍以上的高倍下观察时，珠光体中的片状渗碳体呈白亮色分布在白亮色铁素体的基体上，而其相界是黑色线条，如图3.6所示。

图3.3 过共晶白口铸铁组织中的一次渗碳体图3.4过共析钢(1.2%C)组织中的二次渗碳
体
图3.5 中倍下的珠光体图3.6 高倍下的珠光体
在200倍以下的低倍下观察时，由于放大倍数低，难以分辨出哪是铁素体，此时珠光体是一片黑暗，成为黑块的组织，如图3.2中黑色部分。

珠光体硬度为190~230HBS，随片层间距的变小硬度升高。

莱氏体：莱氏体在室温时是珠光体和渗碳体的机械混合物。

渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨开。

莱氏体经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后，其组织特征是在白亮色渗碳体基体上分布着许多黑色点(块)状或条状珠光体，如图3.7所示。

莱氏体硬度为700HBS，性脆。

它一般在碳含量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常出现。

在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色粗枝状的珠光体所分割，而且可看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体，如图3.8所示。

图3.7 共晶白口铸铁(莱氏体)组织图3.8 亚共晶白口铸铁组织
3.3 实验内容
C （1）观察表3.2中所列试样的显微组织，研究每一个试样的组织特征，联系Fe-Fe
3相图分析其组织形成过程，并绘出所观察试样的显微组织示意图。

(2)熟悉金相显微镜及布氏硬度计的构造和正确使用。

表3.2 铁碳合金试样牌号及处理状态
3.4 实验方法指导
(1)操作金相显微镜时，应先了解显微镜的原理、构造、各主要附件的作用和位置等，并要了解显微镜使用注意事项，要按显微镜操作程序细心操作。

(2)观察试样的组织时，先明确材料成分、处理条件及浸蚀剂等。

动用试样时，不能用手摸试样磨面，或将试样磨面随意朝下乱放，或将试样叠起来，以免损坏试样。

(3)观察组织前选显微镜放大倍数，其选用原则是先用低倍观察，找出典型组织，然后再用中、高倍对这些地区进行仔细观察，这样，整体和局部观察结合起来，才能对一块金相试样作出全面分析。

金相显微镜放大倍数小于200X时称低倍，200X~600X称中倍，大于600X称高倍。

(4)仔细阅览碳钢与白口铸铁的金相图片，认真观察每一个试样的组织，注意组织中每个相组分和组织组分，如铁素体、渗碳体、珠光体等的形态、数量、大小及分布特征。

并联系铁碳相图分析其结晶过程及组织。

（5）待认识了各组织特征后，再画每个试样中典型区域的显微组织示意图，但注意不要把杂质、划痕等画在图上。

3.5 实验报告要求
（1）写出实验目的；
（2）画出所观察样品的显微组织示意图(用箭头和代表符号标明各组织组成物，并注明样品成分、浸蚀剂和放大倍数)。

（3）根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。

3.6 思考题
（1）珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同?为什么?
（2）渗碳体有哪几种?它们的形态有什么差别?
（3）根据杠杆定律确定(或估算)未知样品的碳含量。

铁碳合金相图及平衡组织分析实验指导书
时间：2011-04-04 浏览次数：176
本文摘要：一、实验目的1）熟练运用铁碳合金相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。

2）掌握碳钢和白口铸铁的显微组织特征。

一、实验目的
1）熟练运用铁碳合金相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。

2）掌握碳钢和白口铸铁的显微组织特征。

二、原理概述
铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热加工工艺的重要依据。

按组织标注的铁碳相图见图7-1，铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体（Ferrite，简称F）及渗碳体（Fe3C，又称Cementite，）两相按不同数量、大小、形态和分布所组成。

高温下还有奥氏体（A）及高温铁素体d固溶体相。

图7-1铁碳相图
利用图8-1分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应及反应产物的本质和形态，并能作出不同合金的冷却曲线，从而得知其凝固过程中组织的变化及最后的室温组织。

根据含碳量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢及白口铸铁三大类。

现分别说明其组织形成过程及特征。

1、工业纯铁
碳的质量分数小于0.0218％的铁碳合金称为工业纯铁，其光学显微组织见图7-2。

当其冷到碳a-Fe中的固溶度线PQ以下时，将沿铁素体晶界析出少量三次渗碳体，铁素体的硬度在80HBS左右，而渗碳体的硬度高达800HBS，因工业纯铁中的渗
碳体量很少、故硬度、强度不高而塑性、韧性较好。

图7-2 工业纯铁的光学显微组织100´
2、钢
碳的质量分数w C在0.0218～2.11％之间的铁碳合金称为碳素钢、碳钢。

根据合金在相图中的位置可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。

共析钢w C＝0.77％，在727℃以上的组织为奥氏体，冷至727C时发生共析反应：
将铁素体与渗碳体的混合物称珠光体P。

室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12％。

慢冷所得珠光体呈片状。

在普通光学显微镜下观察时、只能看到F片成条条细黑线`分布在铁素体上，见图7-3。

位向相同的一组铁素体加渗碳体片层称为一个共析领域。

当放大倍数低，珠光体组织细密或浸蚀过深时，珠光体中的片层难以分辨，呈一片暗色区域。

采用电子显微镜高倍放大能看出Fe3C薄层的厚度，见图7-4，图中窄条为Fe3C，宽条为F基体，两者有明显的分界线。

图7-3光学显微镜下的珠光体组织400´ 图7-4珠光体的电镜组织
亚共析钢成分为0.0218％＜w C＜0.77％，组织为铁素体F加珠光体P。

在显微镜下铁素体呈亮色，珠光体为暗色。

铁素体的形态随合金所含碳量即铁素体量的多少而变，如w C＝0.2%时，其组织为等轴铁素体基体与少量主观体分布在铁素体晶界上或三叉晶界上呈不规则岛状。

当含碳量增加，组织中珠光体的量增多，至w C＝0.4％，珠光体与铁素体的量各占一半；w C＞0.5％珠光体成为钢的基体，铁素体呈连续或断续的网络状围绕着珠光体分布。

这是由于先共析铁素体是沿原奥氏体边界优先析出，至一定量后，剩余奥氏体才转变为珠光体。

不同含碳量的亚共析钢的显微组织见图7-5。

图7-5亚共析钢的显微组织500´（a-20钢，b-40钢，c-60钢）
过共析钢成分为0.77％＜w C＜2.11％，但实用钢的含碳量只到1.3％，因碳量再高，二次渗碳体量增多，使钢的性能变脆。

过共析钢的组织由珠光体及二次渗碳体所组成，二次渗碳体呈网状。

碳量愈高，渗碳体网愈多、愈完整。

与先共析铁素体网很容易区别，若经硝酸酒精溶液浸蚀后，两者虽均为亮色，但二次渗碳体网要细得多；若用碱性苦味酸钠溶液热浸蚀后，渗碳体变成暗色，铁素体仍为亮色。

经不同方法浸蚀后的T12钢组织见图7-6a、b。

图7-6不同方法浸蚀后的T12钢组织（a-4%硝酸酒精溶液浸蚀、b-碱性苦味酸钠
溶液热浸蚀。

）
3、白口铸铁
共晶白口铁（w C=4.3％）合金由液态冷却到1148℃，全部发生共晶反应。