钢铁合金平衡组织的观察与分析

钢铁合金平衡组织的观察与分析

实验目的 实验说明 实验内容 实验方法指导 实验报告要求 思考题 一：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、形态及分布特征。 (3)进一步熟悉金相显微镜的使用。 二：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对钢铁材料使用者最基本的要求。 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。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据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(C)组成。但是，由于碳质量分数的不同、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1。 表1各种铁碳合金在室温下的显微组织

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w(HNO3)=3％~5％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1所示。随着钢中碳质量分数的增加，铁素体质量分数减少，当其质量分数较多时呈块状分布(图2)，碳质量分数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80~120 HBS，强度 也较低。

图1 工业纯铁的显微组织

图2 w(C)=0.45%碳钢的显微组织

渗碳体：渗碳体经w(HNO3)=3~5%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所示；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上，如图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5、图6所示。

图3 过共晶白口铸铁组织中的一次渗碳体

图4 过共析钢(w(C)=1.2%)组织中的二次渗碳体

图5 中倍下的珠光体

图6 高倍下的珠光体

铁素体和渗碳体经w(HN03)=3％~5％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。

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w(HN03)=3％~5％酒精溶液浸蚀后，其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁索体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。在600倍以上的显微镜下观察时，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6所示。 在200倍以下的显微镜下观察时，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w(HNO3)=3％~5％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7所示。莱氏体硬度为700HBS，性脆。它一般在w(C)>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，而且可以看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体，如图8所示。

图7 共晶白口铸铁(莱氏体)组织

图8 亚共晶白口铸铁组织

三：实验内容 (1)观察表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-Fe3C 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2 铁碳合金试样牌号及处理状态

四：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、高倍对这些典型组织进行仔细观察，这样，整体和局部观察结合起来，才能对一块金相试样做出全面分析。金相显微镜放大倍数小于200倍时称低倍，200~600倍时称中倍，大于600倍时称高倍。

(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。

五：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，说明碳质量分数对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规

六：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)未知样品的碳质量分数。