铁碳合金平衡组织分析实验报告

实验报告
铁碳合金平衡组织观察和分析
一、实验目的
1．了解并熟悉金相显微镜的使用方法
2．通过观察和分析，熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

3. 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。

加深对铁碳合金的成分、组织和性能之间关系的理解。

二、实验内容
1．观察表中所列金相样品的显微组织，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。

编号材料工艺浸蚀剂
1 工业纯铁退火4％硝酸酒精溶液
2 亚共析钢（20钢）退火4％硝酸酒精溶液
3 亚共析钢（45钢）退火4％硝酸酒精溶液
4 共析钢（T8钢）退火4％硝酸酒精溶液
5 亚共晶白口铸铁铸造4％硝酸酒精溶液
6 过共晶白口铸铁铸造4％硝酸酒精溶液
三、实验报告要求
1.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，并注明试样编号、材料名称、热处理状态、放大倍数和浸蚀剂。

2.根据所观察的组织，说明碳含量对铁碳含金的组织和性能影响的大致规律。

四、思考题
渗碳体有哪几种？它们的形态有什么差别？
附录二金相试样的制备
金相样品的制备一般包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。

现简述如下：
一、取样和镶嵌
取样部位及观察面的选择，必须根据被分析材料或零件的失效分析特点、加工工艺的性质，以及研究目的等等因素来确定。

进行失效分析研究时，应在失效部位完整地取样。

对于轧材，研究非金属夹杂物的分析和材料表面缺陷时，应垂直于轧制方向（即横向）取样；研究夹杂物的类型、形状、材料变形度、带状组织等时，应平行于轧制方面上（即纵向）取样。

对热处理后的零件，因为组织较均匀可任意选择取样部位和方向；对于表面处理过的零件，在表面部位取样，要能较全面地观察到整个表面层的变化。

取样时要注意方法，要避免因取样导致观察面的组织变化。

一般软材料可用锯、车等方法；硬材料可用水冷砂轮切片机场割或电火花线切割；硬而脆的材料则可用锤击；大件可用氧割。

等等。

试样大小一般以手拿操作方便即可（如直径10~15mm，高10mm的圆柱体）。

若样品过小（如细丝、薄片）或形大辩论不规则，以及有特殊要求9例如要求观察表面组织），则必须进行镶嵌。

镶嵌方法有：低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌等，此外还可用夹肯来夹持试样。

二、磨制
软材料粗磨可用锉刀锉平，一般钢铁用砂轮机磨平，打磨时用水冷，以防温度升高引起组织变化。

细磨可用手工磨或机械磨。

手工磨是在金相砂纸上研磨。

国产金相砂纸按粗到细分为01、02、03、04、05等号。

研究磨时依次用01号磨至05号，且每换一号砂纸时将试样转90 （即与上道磨痕方向垂直），以便观察上道磨痕是否被磨去。

研究磨软材料时，可在砂纸上涂一层润滑剂，如机测、汽油、甘油、肥皂
水等，以免砂粒嵌入试样表面。

为了加快研磨速度，可采用在转盘上贴上水砂纸的预磨机时行机械磨。

水砂纸按粗细有200、300、400、500、600、700、800、900号等。

用水砂纸盘磨样时，应不断加水冷却。

同样，每换一号砂纸时试样用水冲洗干净，也调换90 方向。

三、抛光
为了使磨面成为镜面，细磨后的试样还需进行抛光。

抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光等方法，其中使用最广的是机械抛光。

机械抛光在专用抛光机上进行。

抛光盘上装不同材料的抛光布（粗抛时常用帆而或粗呢，精抛时沿抛光盘上不断滴注抛光液（水或32O Al ，32O Cr ，MgO 的悬浮液）或在抛光盘上涂极细的金刚石研磨膏。

试样磨面应均匀地、平正地压在旋转的抛光盘上。

待试样表面磨痕全部消失且呈光亮的镜面时，抛光过程就告结束。

电解抛光是将试样放入电解槽中，作为阳极，用不锈钢板或铅板作阴极，通以直流电流，使试样表面凸起的磨痕被溶解而抛光。

化学抛光是依靠化学溶液对试样表面的电化学溶解而获得抛光表面的方法。

四、浸蚀
除观察试样中的某些非金属夹杂物或铸铁中的石墨形态等情况外，金相样品在抛光后还需进行浸蚀处理。

抛光后的试样只有通过浸蚀后才使显策组织显现出来，如图3所示。

金相显微镜光源的光线照到试样表面，由于有的组织或是昌界易腐蚀而呈现凹凸不平，表面与入射光线垂直的组织将大部分把光线反射回
图3 金相显微组织成像原理图
去，在显微镜视场中呈白亮状；而有些组织由于表面不垂直于入射光线，而使许多光线散射掉，只有很少的光线反射回去，在显微镜视场中呈灰暗状。

由此明暗不同产生衬度而形成图象。

金属材料的常用化学浸蚀剂见表9（见下页）。

浸蚀时，可钭试样磨面浸入腐蚀剂中，也可用棉花沾浸蚀剂擦拭表面。

浸蚀的深浅根据组织的特点和观察时的放大倍数来确定。

高倍观察浸蚀要轻一些。

一般待试样表面颜色稍发暗时间即可。

浸蚀后用水冲洗，再用洒精清洗，最后用吹用机吹干或用吸水纸、棉花等吸干。

表9 常用的金相试剂
序
号
试剂名称成分适用范围注意事项
1硝酸酒精溶液硝酸HNO3
酒精1~5毫升
100毫升
碳钢及低合金钢的
组织显示
硝酸含量按材料选择，浸蚀
数秒钟
2苦味酸酒精溶液苦味酸酒
精
2~10克
100毫升
对钢铁材料的细密
组织显示较清晰
浸蚀时间为数秒钟至数分
钟
3苦味酸盐酸酒精溶液苦味酸
盐酸HCl
酒精
1~5克
5毫升
100毫升
显示淬火及淬火回
火后钢的晶粒和组
织
浸蚀时间较上例约快数秒
钟至一分钟
4苛性钠苦味酸水溶液苛性钠
苦味酸
水H2O
25克
2克
100毫升
钢中的渗碳体染成
暗黑色
加热煮沸浸蚀5~30分钟
5氯化铁盐酸水溶液氯化铁FeCl3
盐酸
水
5克
50毫升
100毫升
显示不锈钢，奥氏
体高镍钢，铜及铜
合金组织，显示奥
氏体不锈钢的软化
组织
浸蚀至显现组织
6王水甘油溶液硝酸
盐酸
甘油10毫升
20~30毫升
30毫升
显示奥氏体镍铬合
金等组织
先将盐酸与甘油充分混合，
然后加入硝酸，试样浸蚀前
先行用势火预热
7高锰酸钾苛性钠高锰酸钾
苛性钠
4克
4克
显示高合金钢中碳
化物、 相等
煮沸使用，浸蚀1~10分钟
8氨水双氧水溶液氨水（饱和）
H2O2（3%）
水溶液
50毫升
50毫升
显示铜及铜合金组
织
随用随配，以保持新鲜，用
棉花醮擦
9氯化铜氨水溶液氯水（饱和）
氨水（饱和）
8克
100毫升
同上浸蚀30~60秒
10硝酸铁水溶液硝酸铁
Fe(NO3)3水10克
100毫升
显示铜合金组织用棉花擦拭
11混合酸氢氟酸（浓）
盐酸、
硝酸2.5毫升1毫升
1.5毫升
水95毫升
显示硬铝组织浸蚀10~20秒或用棉花醮擦
12氢氟酸水溶液氢氟酸HF
（浓）
水③5毫升
99.5毫升
显示一般铝合金组
织
用棉花擦试
13苛性钠水溶液苛性钠
水1克
90毫升
显示铝及合金组织浸蚀数秒钟
14显示原始奥氏体晶界③苦味酸3克，20
型洗衣粉0.5克（内含
烷基磺酸钠），水100
毫升
2. 盐酸25毫升，硝酸4
毫升，水25毫升
2CrNi3
30CrMnSi
38CrMoAl
40CrNiMo等
原始回火高速钢原
始奥氏体晶界
40~60℃
③5~2分钟
浸蚀后轻抛数秒
金相显微镜的使用及维护
2.研究金相显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。

金相显微镜可分为台式、立式和卧式三大类，构造由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成。

有的显微镜还附有摄影装置。

现以本室使用的4X型台式金相显微镜为例加以说明。

（1）光学系统
4X型金相显微镜的光学系统如图13所示。

由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径栏9，再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样7的表面。

从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5，由半反射镜4转向，经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实象。

该象再经过目镜15的放大，就成为在目镜视物中能看到的放大映象。

图13 4X型金相显微镜的光学系统
（2）照明系统
在金相显微镜的底坐内装有一低压（6～8V、15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6～8V）来改变灯光的亮度。

聚光镜，孔径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上。

它们组成显微镜的照明系统，使试样表面得到充分、均匀的照明见图14。

（3）机械系统
图14 4X型金相显微镜构造
显微镜调焦装置：在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。

随粗调手轮的转动，支承载物台的弯臂作上下。

运动在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。

微调手轮使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。

在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动0.002mm。

与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。

载物台（样品台）：用于放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导架，用手推动，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察位置。

孔径光栏和视物光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物象达到清晰的程度。

视物光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视物明亮而无阴影，在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。

物镜转换器：转换器呈球面状，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。

目镜筒：目镜筒呈45°倾斜安装在有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90°，呈水平状态以配合照相装置进行摄影。

金相显微镜属于精密仪器，使用时务必小心谨慎，在操作前须熟悉其构造，原理及各零部件的作用，相互关系，切不可随意乱动乱折。

（1）操作步骤：
①根据要求的放大倍数，选择物镜和目镜的倍数，将所选物镜和目镜安装于
显微镜上；
②安装是照明装置，先将显微镜光源插头接变压器，再将变压器插入电源插座。

（切不可将显微镜光源插头直接插入电源插座！！否则光源灯泡烧毁）；
③拧动镜架上的粗调手轮，将物镜抬高，把试样置于样品台上，对准物镜，
检查调节滤光片、光圈、反射镜的位置，使样品台上有一明亮的小圆光
点；
④拧动镜架上的粗调手轮，使物镜接近试样表面（切勿触及！！）
⑤从目镜观察，同时拧粗调手轮，使物镜由紧挨着样品表面开始慢慢向上，
（切不可拧反方向，使物镜压到样品表面上，造成物镜破碎）。

调到亮度
最大附近就出现模糊现象，然后拧动镜架上的微调手轮，即可得清晰的
物象；
⑥观察时，最好不要紧闭一眼，否则容易疲劳，若长时间观察眼睛感觉疲
劳，可稍加休息再看；
⑦观察完毕或另换试样时务须将镜筒上提，时物镜抬高，然后取下或更换
试样；
⑧显微镜用毕，切断电源，目镜置于镜盒中，套上目镜罩，用干净毛巾或
显微镜罩将显微镜盖好。

（2）维护注意事项：
①安装，换取物镜、目镜时，切勿使镜头触及硬物，切不可失手跌落，严禁
用手、毛巾、手绢、棉花或一般纸张去擦拭镜头，镜头上若有赃物油污，必须用特制的擦镜纸轻轻擦拭；
②显微镜光源为低压电灯，必须使用固定的变压器，不得直接接220V电源；
③要熟悉镜筒、样品台升降手轮的拧动方向，拧动时不要用力过猛，拧不动
了是拧到头了，应反向拧回，不可粗暴用力；
④显微镜出现故障，应立即报告指导老师或实验人员，不得擅自拆卸部件；
⑤不能将浸蚀后未冲洗、冲洗后未干燥的样品置于样品台上，以免显微镜头、
样品台等受浸蚀。