实验二：铁碳合金平衡组织观察

精密机械制造基础实验报告Array

信息工程学院光机电测控专业13级1班Array

学号姓名(合作者)

实验日期实验室

实验项目名称：铁碳合金平衡组织观察

实验项目性质：普通

所属课程名称：机械制造基础实验

实验计划学时：2

一、实验目的

1．了解金相样品的制备方法；

2．了解不同成分铁碳合金的平衡组织；

3．掌握铁碳合金中成分、组织和性能之间的变化规律；

4．学会使用金相显微镜。

二、实验内容和要求

1．熟悉金相显微镜的开机、转换放大倍数、调节焦距的注意事项及使用方法，熟悉铁碳合金相图相关知识；

2．观察不同的铁碳合金（碳钢及铸铁）在平衡状态下的显微组织，确定所观察组织的所属类型，分析各类成分合金的组织形成过程；

3．根据观察到的不同铁碳合金（碳钢及铸铁）在平衡状态下的显微组织，画出其显微组织的示意图；

4．了解随着铁碳合金中含碳量的变化，分析其合金组织和性能的变化。

三、实验主要仪器设备和材料

金相显微镜；金相试样一套；金相图谱一套。

四、实验原理方法、步骤及结果测试

1．金相显微镜的结构

实验用金相显微镜的型号为XJP-3A，主体结构形式为倒置式，结构示意图

见图2-1。它主要有底座组、粗微动调焦机构、物镜转换器、载物台、目镜管组、物镜与目镜等部件组成。

图2-1

2．铁碳合金平衡组织相关知识

铁碳合金的合金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。可根据Fe-Fe3C相图（见图2-2所示）分析铁碳合金在平衡状态下的平衡组织。

铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。此外，对碳钢和白口

图2-2

铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深Fe-Fe 3C 的理解。

从Fe-Fe 3C 相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F ）和渗碳体（Fe 3C ）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，因而呈现各种不同的组织形态。

各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表2-1。

类别 含碳量（%）

显微组织

工业纯铁

<0.02 铁素体 碳

钢

亚共析钢 0.02-0.77 铁素体+珠光体 共析钢 0.77 珠光体 过共析钢 0.77-2.11 珠光体+二次渗碳体 白口

铸铁 亚共晶白口铸铁 2.11-4.3 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 共晶白口铸铁 4.3 莱氏体 过共晶白口铸铁 4.3-6.69 莱氏体+一次渗碳体

用浸蚀剂显露的碳钢和白口铁，在金相显微境下具有下面几种基本组织组成物。

(1) 铁素体（F ）——是碳在α-Fe 中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。用3～4%硝酸酒精溶度浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；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 ）——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，渗碳体呈灰白色，若用苦味酸钠溶浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照分析和形成的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铁中呈粗大的

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；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续簿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 ）——是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情

表2-1 各种铁碳合金在室温下的显微组织

(a) 500× (b)2000×（电镜）

图2-3

图2-4 工业纯铁显微组织（200×） 腐蚀剂：4％硝酸酒精溶液 况下是由铁素体与渗碳体相互混和交替排列形成的片状组织。经硝酸酒精液浸蚀后，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2-3所示）。在高度放大时能清楚看到珠光体中平行相间的宽条铁素体合细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜鉴别能力小于渗碳体片厚度，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。

高碳工具钢（过共析钢）经球化处理后还可获得球状珠光体。

(4) 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和物。含碳量为4. 3%的共晶白口铁在1148℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在727℃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础上相间分布着暗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，从形态上难以区别。莱氏体的金相特征可参看图2-8。

根据组织的特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。

工业纯铁

纯铁在室温下具有单项铁素体组织。

含碳量<0.02%的铁碳合金通常为工业

纯铁，它为两相组织，即由铁素体和少量

三次渗碳体组成。图2-4所示为工业纯铁

的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶

界，而亮白色基础则是铁素体的不规则等

轴晶粒，在某些晶界处可以看得不连续的

薄片状三次渗碳体。

(2) 钢 ① 亚共析钢 亚共析钢的含碳量在0.02～0.77%

范围内，其组织由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的增多，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P(%)=0.45/0.77＝56％，铁素体的相对含量为F （%）＝1－56％＝44％。

另外，也可以通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体所各占面积的百分数，近似地计算出钢的含碳量，即含碳量≈P ⨯0.77%,其中P 为珠光体所占面积的百分数。例如：在显微镜下观察到有50%的面积为铁素体，则此钢的含碳量C %＝（50×0.77）/100＝0.4%（室温下铁素体含碳量极微，约为0.008%，可忽略不计），即相当于40钢。图2-5所示为亚共析钢（35钢）的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。

② 共析钢

含碳量0.77%的碳钢为共析钢，由单一的珠光体组成，如图2-3所示。 ③ 过共析钢

含碳量超过0.77%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。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量越多。