实验四铁碳合金平衡组织观察

一、实验目的：

1． 了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织 。

2． 分析成分对铁碳合金显微组织的影响，从而理解成分、组织与性能之间       的相互关系。

二、实验原理及内容：

 铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，平衡组织指合金在极其缓慢的冷却速度下得到的组织。在实验条件下，退火态的铁碳合金组织可以看成平衡组织。铁碳合金平衡组织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，它们性能与其显微组织密切相关。

1. 铁碳合金平衡状态图

铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。可以根据铁碳相图（如图5-1所示），来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

图5-1 Fe－Fe₃C相图

 从—相图上可以看到所有的碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素体（F）和渗碳体（）这两个基本相组成，但是由于含碳量的不同，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，其性能也各不相同。

2.几种基本组织组成物

    用侵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。

 表1 各种铁碳合金在室温下的平衡组织

3、 各种组成相或组织组成物的特征

a)    铁素体(F)是碳溶于α-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)。

b)   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(Fe₃C_Ⅰ)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(Fe₃C_Ⅱ)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。

c)    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。

d)   莱氏体(Ld＇)是一个两相组织。在727℃以上是奥氏体和渗碳体的机械混合物。在727℃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)。

⑴        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。

⑵        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：

三、主要仪器设备

   金相显微镜

四、操作方法与实验步骤

1、讨论Fe-Fe3C相图 

    1）分析各相及组织组成物的本质。 

    2）分析不同含碳量的铁碳合金的凝固过程、室温组织及其形貌特征。     3）总结铁碳合金的组织、性能与含碳量的关系。 

2、 观察、分析并画出工业纯铁、不同碳钢及白口铸铁（下表所示）的三种组织示意图。 1） 熟悉金相显微镜的构造和使用方法； 

2） 按观察试样所需的总的放大倍数，选好物镜和目镜； 

3） 移动载物台，使物镜位于载物台孔的中央，将试样的观察面正对物镜倒置在载物台上； 

4） 按照明灯泡的使用电压，接通低压变压器电源，使灯泡发亮； 

5） 检查微动指使刻线，将其调到上下极限刻线的中间，以便微调操作； 6） 旋转粗调手论调焦，当视场中出现模糊影像时，再转动微调手论，直到影像清晰为止； 

7） 观察完毕，应立即关灯，延长灯泡寿命。 

Fe-C合金平衡组织观察样

五、实验观测结果分析

     根据所观察组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律即：含碳量很低（<0.0218%）时，铁碳合金显微组织为单相铁素体，硬度、强度低，塑性、韧性好。随着含碳量的升高，强度先增大后减小，硬度增加，塑性、韧性减小。铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体。其显微结构为铁素体与渗碳体层片相间。它经溶液浸蚀后，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后呈黑色线条。当放大倍数较高时，可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体；当放大倍数较低时，珠光体的层片状结构就不能分辨了，此时珠光体呈黑色的一团。

1）工业纯铁，由铁素体和三次渗碳体组成，其中黑色线条是铁素体的晶界、而亮白色基 体是铁素体的不规则等轴晶粒。在晶界上存在

 少量三次渗碳，呈现出白色的不连续的网状，

 由于量少，有时看不出

                                                      图1）工业纯铁400倍

 2）45钢，其组织由铁素体和珠光体所组成，

其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。                               

                                                              

                                                      图2）45钢400倍

 

3）T8钢，由单一的珠光体组成，

     黑色的层状珠光体

                                                    图3）T8钢400倍

 

 4）T12钢，组织由珠光体和二次渗碳体组成。

显微组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳

体。经侵蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体

则呈现白色网状。

                                 图4）T12钢  400倍

5）亚共晶白口铸铁，组织为珠光体、二次渗

碳体和莱氏体，如图所示。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，其中二次渗碳体与共晶渗碳      图5）亚共晶白口铸铁，400倍

体混在一起，不易分辨。 

6）共晶白口铁，共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，共晶渗碳体呈亮白色                 图6）共晶白口铁，400倍

7）过共晶白口铸铁，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状的莱氏体基体上分

  布着亮白色的粗大条片状的一次渗碳体。          图7）过共晶白口铸铁，400

六、实验体会

    通过本次实验，我更直观地观察了不同铁碳合金的组织结构，了解了铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征，分析并掌握了平衡状态下铁碳合金的组织和性能之间的关系。 本次实验虽然操作简单，但是仍然有很多需要注意的细节，比如说对于金相显微镜调节的一些技巧。这次实验课让我熟练运用铁碳合金相图分析了室温下合金的各种组织形态，了解碳钢和白口铸铁的组织和性能变化。最后对于何老师的悉心指导，我表示衷心的感谢。谢谢老师！

第二篇：铁碳合金平衡组织观察