实验一--铁碳合金平衡组织观察.

实验一 铁碳合金平衡组织观察

一、 实验目的

1．认识铁碳合金的平衡组织。

2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响规律。 ．

二、 概 述

1．工业纯铁(C

2．碳钢随含碳量不同可分为：亚共析钢(含C

共析钢的显微组织是片状铁素体和渗碳体的机械混合物，由于试片浸蚀后表面具有珍珠的光泽，故称为珠光体，其显微组织如图

11.2

图11.1 图11. 2

材 料：工业纯铁 材 料：T8(0．8％C)

处理方法：退火 热处理方法；退火

腐蚀剂：4％HNO 3，酒精溶液 腐 蚀 剂：4％ HNO 3，酒精溶液 显微组织：铁素体(白亮块是晶 显微组织：珠光体，(白亮基体 粒，黑线是晶粒边界) 是铁素体，细夹条是渗碳体)

放大倍数：100× 放大倍数；400×

图中的白亮基体是铁素体，细夹条是渗碳体，黑线是铁素体和渗碳体的相界面。如放大倍数低或片层过薄时，则看不到片层结构，而呈暗黑色块状物。

亚共析钢的显微组织是由铁素体与珠光体组成。铁素体是碳在 一Fe 中的固溶体，其组织是白亮色。在亚共析钢中，随含碳量的增加铁素体量逐渐减少，如图11.3至共析成分时铁素体量接近于零，而形状亦由颗粒状逐渐变成网状分布于珠光体周围。珠光体的量则随含碳量的增加逐渐增多，至共析成分时全部为珠光体组织。

过共析钢的显微组织由珠光体和网状渗碳体(二次渗碳体) 组成。渗碳体是碳和铁的化合物(Fe3C 含碳量为6．67％) 。在过共析钢中，随含碳量的增加渗碳体的量增多，如图11.4。

图11. 3 图11. 4

材 料：20钢(0．2％C) 材 料：T12钢(1．2％C)

热处理方法：退火 热处理方法：退火

腐 蚀 剂：4％HNO 3，酒精溶液 腐 蚀 剂：4％HNO 3酒精溶液

显微组织：珠光体(暗黑色块状) 显微组织：珠光体(暗黑色基体)

+铁素体(白有块，细 +渗碳体(白亮细网)

黑线是铁素体晶界) 放大倍数：200×

放大倍数：100×

从T 12钢的显微组织中看出，用硝酸酒精溶液浸蚀后渗碳体是白亮的，而且是网状分布。

3．白口铁亦随其含碳量不同而分为亚共晶白口铁(2．06％C ～4．3％C) ，共晶白口铁(43％

C) ；过共晶白口铁(4．3％C ～6．67％C) 三种。

共晶白口铁的显微组织全部是莱氏体。含碳4．3％C 的铁水冷到1147℃时产生共晶转变，形成奥氏体和渗碳体的机械混合物称莱氏体。随温度的继续下降，莱氏体中的渗碳体不发生变化，而奥氏体则和过共析钢一样沿奥氏体晶粒边界析出二次渗碳体(与莱氏体中的渗碳体连在一起，在显微镜下分辨不出来) 。而奥氏体的含碳量将沿ES 线逐渐减少，冷到727℃时，剩余的奥氏体转变成珠光体，因此其室温组织是珠光体和渗碳体组成的莱氏体称为变态莱氏体。其显微组织如图11.5。

亚共晶白口铁在1147℃产生共晶转变后，由初生奥氏体和莱氏体组成。初生奥氏体和莱氏体中的奥氏体，在随后冷却过程中，将因析出二次渗碳体而含碳量逐渐降低，至727℃时奥氏体含碳量降到0．8％而转变成珠光体。因此亚共晶白口铁室温的显微组织是变态莱氏体与珠光体组成如图11. 6 ，在亚共晶白口铁中莱氏体的相对量将随含碳量的增加而增多。

过共晶白口铁在高温时由初生（一次）渗碳体与莱氏体组成。一次渗碳体在随后冷却过程中不再发生相变，故其显微组织（在室温时）由白亮的条状一次渗碳体与莱氏体组成如图11.7，一次渗碳体的相对量将随过共晶白口铁的含碳量的增加而逐渐增多。

图11.5 图11.6

材 料：共晶白口铁(4．3％C) 材 料：亚共晶白口铁

热处理方法：铸造状态 热处理方法：铸造状态

腐 蚀 剂：4％HNO 3，酒精溶液 腐 蚀 剂：4％HNO 3酒精溶液

显 微 组织：渗碳体 (白亮基体)+ 显微组织：珠光体+变态莱氏体（大黑

珠光体(灰黑色粒长条 块是珠光体，白色的渗碳体

状) 即变态莱氏体。 基体上分布着细小的黑点为

放大倍数：100× 变态莱氏体）

放大倍数：100×

材 料：过共晶白口铁

热处理方法：铸造状态

腐 蚀 剂：4％HNO 3酒精溶液

显微组织：一次渗碳体（白亮的

大条状）+变态莱氏体

（基体）

放大倍数：100×

图11. 7

三、 实验步和方法

1．观察以下个中种成分的铁碳合金显微组织工业纯铁、20号钢、45号钢、T8钢、T12钢、亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁八种金相组织；

2．观察组织时注意观察各种组织的特点；含碳量对组织相对量的影响；用不同腐蚀剂浸蚀过共析钢，其组织有何变化？

3．实验报告内容：

1）分别在直径为50mm 圆内画出所观察各种试片的显微组织图，并注明纲号、热处理方法、腐蚀剂、显微组织、放大倍数。

2）说明含碳量对铁碳合金平衡组织影响规律。

附录 显微分析

一、显微样品制备与金相显微镜的使用方法

1．了解正确制备显微样品的过程。

2．熟悉金相显微镜的构造原理及正确的使用方法。

二、概述

利用显微镜将金属组织高倍放大后进行观察分析的方法称为显微分析。在金属显微镜下所观察到的金属组织称为显微组织或金相组织。这种分析方法的特点是在特制的试片上用能放大数十倍至两三干倍的金相显微镜来观察金属中细小的组织及缺陷，从而了解金屑组织及缺陷与性能之间的关系。这在检查金属材料的质量和分析产生缺陷的原因等方面起着重要的作用。

显微试片的制备

1．取样：取样应根据检查目的取有代表性的部位。试样不宜过大，一般直径和高各为10—15mm 为宜。如过大可用锯或切割机切小(切时应注意不能使金属的组织发生变化) 。样品太小(如金属薄片或细丝等) 无法磨制，可将试样镶在电木、硫磺或其它易熔金属中或用夹具夹住进行磨制。

2．研磨：试样取好后用砂轮磨平，再用一套粗细不同的砂纸逐次磨光。我国生产的金相砂纸有I ／0、2／0、3／0、4／0、5／0、6／0、7／0七种。其中7／0最细，磨光时通常是将砂纸放在一块玻璃上，一手按住砂纸，一手拿住试片并用一定的压力，使试片表面和砂纸均匀接触后用力向前推磨。每换一道砂纸需使前道砂纸所留下的磨痕全部消失，为了确切地掌握这一点，在换砂纸时应将试样的研磨方向调转90度。前道砂纸上的粗纱粒带到下道砂纸上去时将在试样上造成新的深痕，因此最好在换砂纸时洗手和洗试样或用布擦净。实际上一块试样不需要磨七种砂纸，只要选三种就足够。

3．抛光：磨光后的试样还需要经过抛光是磨痕全部消失而获得光亮如镜的磨面。抛光常在抛光机上进行。抛光机的主部分是用电动机带动的水平旋转圆盘。盘上面铺有帆布或绒布，抛光时要不断地滴上抛光液（Al 2O 3、Cr 2O 3、MgO 等极细的磨料加水形成的悬浮液）。在抛光时注意用力均匀，不可过轻或过重以免试样刮破抛光布或飞出，抛光布湿度要合适（以抛光好的试样离开抛光盘4—5秒钟后，水分挥发完为好）过湿则降低抛光速度并使钢铁中的夹杂物或石墨拖出，过干则使磨面发暗出现斑点。抛光时试样左右旋转，快抛好时可由盘边向中心移动，以提高抛光面的质量。当抛到试样光亮如镜时将试样在流水中洗涤干净后用酒精冲去残留水滴，再用吹风机吹干、电炉烤干或用滤纸吸干以防出现锈斑。

如只观察金属中的夹杂物或石墨，可将经过上述方法制备好的试样直接放在显微镜下进行研究。

4．腐蚀，为了显示金属的组织，应将抛光后洗净的试样进行腐蚀。不同的金属试样采用不同的腐蚀剂。钢和铁最常用的腐蚀剂是4%的硝酸酒精溶液，或4%的苦味酸酒精溶液。腐蚀的方法：一般是先在试样抛光面上滴上酒精（使腐蚀均匀）后浸于腐蚀剂中（也有用棉花沾腐蚀剂在试样表面上拭擦或用滴管把腐蚀剂均匀地滴在磨面上），腐蚀到发光的表面失去光泽而呈银灰色后立即将试样移于清水中冲洗，以免腐蚀剂继续作用而致腐蚀过度，然后再滴上洒精冲掉试样表面的水分，并立即用吸水纸，吹风机或电炉将试样干燥。

腐蚀时应注意不用手接触磨面否则腐蚀不均匀，试样浸在腐蚀剂中要晃动，这样可以避免在试样表面上形成气泡或沉淀产物，防止出现腐蚀不均的缺陷。

经过以上各步手续处理后的试样即可放在金相显微镜下进行观察。

腐蚀能够显示试样金相组织的原因是：合金中各相(如铁素体、奥氏体、渗碳体等) 的电极电位是不同的，当合金侵在酸溶液中，电位低的便成为阳极被溶解。例如珠光体中的铁

素体的电位比渗碳体低，故铁素体被溶解了，又如铁素体中的晶界电位低，故晶界被溶解了的历害成为凹沟，晶粒被腐蚀的少，基本上还是一个平面，经金相显微镜放大后，就能看到白亮的铁素体晶粒和黑色的晶粒边界，从而可以了解铁素体的晶粒大小形状。

金相显微镜

1．金相显微镜的放大原理

金相显微镜的放大作用是通过两组透镜来完成的。对着被观察物体的透镜组，叫做接物镜，对着眼睛的叫接目镜。其放大的光学原理如图11.8所示。

图11.8 显微镜成像的光学图解

1—接物镜； 2—接目镜 。

上图表示在显微镜中得到放大物象的光学简图。所观察的物体AB 放在接物镜之前较其焦点(F1) 略远些。光线由物体上反射穿过接物镜经折射后得到一个倒立的放大实象A ′B ′，落在接目镜焦点(F2) 之内。人眼通过起放大作用的接目镜观察实象A ′B ′，结果得到最后的倒立放大的虚象A "E" 也就是在显微镜下研究实物时我们所观察到的结果。

2．显微镜的放大倍数

A 'B ' AB

A ''B ''目镜的放大倍数： M 2= A 'B '

A ''B ''显微镜的总放大倍数： M = AB 物镜的放大倍数： M 1=

即：显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜单独放大倍数之乘积。

有的显微镜为了避免镜筒过长使用不便，在结构上把物镜与目镜的距离缩短，因此这些显微镜的放大倍数M=KM1M 2，K 称为镜筒系数，K 值一般都标在物镜上。

显微镜放大倍数选择原则：一般金相显微镜的放大倍数：

在选用显微镜的放大倍数时，并非放大倍数越高越好，而应“低高结合”先用低倍观察，整体的了解；然后逐渐提高放大倍数，仔细地进行局部观察。这样结合起来，才能对一块显微样品作全面的了解。

3．显微镜的构造

一般金相显微镜的结构包括三个系统，光学系统、照明系统、机械系统，有的显微镜还有照相系统。下面就前三个系统分别进行介绍。

1）光学系统：主要包括接物镜、接目镜。

接物镜：接物镜在显微镜中是最主要的而且最贵重的部分，它是由许多不同形状、不同种类的玻璃制成的透镜所组成。位于接物镜前端的透镜是一块平凸的玻璃，叫做前端透镜，其他

位于前端透镜之后的透镜叫做校正透镜。前端透镜的用途是为了放大，校正透镜是用来校正前端透镜所引起的光学上的缺陷。

接目镜：接目镜可以分为：普通的、校正的及投影的接目镜。

普通接目镜结构最简单，它由两个平凸透镜所组成。两个平凸透镜间放一光圈。安装光圈是为了限制显微镜的视场。它能限制边缘的光线。

校正目镜能够补尝透镜光学上的缺陷，通常在镜筒上标有“C ”或“K ”字样。 投影接目镜在照象时应用，其构造与校正目镜相似。

2）照明系统：各种型号的金相显微镜的照明原理基本相同，但有不同的结构，现以“蔡斯”金相显微镜照明图11.9为例进行说明：

图11.9 “蔡斯”金相显微镜照明光程图

1—光源； 2—聚光透镜； 3—光圈； 4—滤光片；

5—反光镜； 6—物镜； 7—试片； 8—载物台；

9—平面平行玻璃片(或棱镜) ； 10—平面玻璃；

11—棱镜； 12—目镜。

由光源射出的光线通过聚光透镜使光线更集中，在通过光圈使光线减少散射，经滤光片使白光变成单色光减少光学缺陷，在滤光片中还可以再加一片毛玻璃，使光线变得柔和、均匀，不易使眼睛疲劳。单色光射到平面镜9上光线穿过平面镜，另一部分反射后经接物镜6落到试片表面7上，经7的反射，通过接物镜后落到接目镜12上，使用这种照明方法接物镜的整个孔径都起作用，但未能利用全部光线来照明，因而影响试片上的光亮程度。这种照明方法观察组织清楚，是一种常用的方法。

如果9用棱镜时，则光线能全部反射到试片上，使试片上比较明亮，但是物镜的孔经只有一半起作用。射于试片上的光线是斜的，使物象易于产生暗影而显出凸起的表面。这两种照明的方法各有优缺点，因此在现代显微镜中同时具备，在使用时任选一种。

上面所说的照明方法是最常用的，用这种照明的方法观察试片时其光线在试片表面上反射的情况如图11.10。当光线射到试片表面平滑部分时光线射回到目镜，我们可以看到是明亮的组织，如铁素体晶粒。如光线射凹沟部分，光线产生乱反射，在目镜里看不到，因此是黑色的，如铁素体晶粒边界的地方。

观察共析钢珠光体组织时，由于细薄而硬的渗碳体凸起，相界因受侵蚀而形成凹沟，在斜射光线下便产生阴影和乱反射，以致在显微镜下看到黑暗的线条，铁素体和凸起的渗碳体仍然光亮。但在倍数较低的显微镜下细薄的渗碳体则成黑色，因为它太薄，也就是两条黑线相距太近，中间就显不出亮的来。

图11.10 在金相显微镜下 图11.11“蔡斯”金相显微镜机械结构简图 能看清试片组织的示意图 1—目镜；2—镜筒；3—棱镜罩；4—滤光片； 1—被观察的试片； 5—三棱镜；6—光源；7—物镜；8—试片； 2—在目镜里看到的显微组织； 9—载物台；10—载物台前后调动螺丝；

3—照射的光线。 11—载物台左右调动螺丝；12—底座；

13—玻璃片；14—平面镜；15—载物台上下

调动螺丝；16—细调节螺丝；17—主架；

18—滑动架臂；19—粗调节螺丝。

“蔡斯”金相显微镜机械结构如图11.11所示。镜架分可动部分和固定部分，底座是不可动的，可动部分主要是通过调整螺丝改变物镜和试样的距离。调整螺丝分粗动和微动两部分，以保证准确地调整焦距。载物台是放试片的平台，一般它是可以任意移动的，以保证可以观察试片磨面的各个部位。载物台上有夹紧试样的压片。镜筒是放置目镜的。每台金相显微镜都有一个小变压器，供给照明灯泡的低电压和控制开关。

另一种常用的“蔡斯”金相显微镜的光学系统和机械构造如图5。

图11.12 “蔡斯”金相显微镜光学和机械结构图

1—试片；2—载物台；3—夹样板；4—照明灯泡；5—聚光镜；

6—反光镜；7—调节光圈用的钮圈；8—光圈；9—调整视野光

圈用的钮圈；10—调整视野光圈的螺钉；11—物镜；12—目镜；

13—支架；14—粗调螺丝；15—微调螺丝

4．金相显微镜的使用及维护

金相显微镜是精密的光学仪器，每台价值一千五百元至一万元左右。

使用时必须十分小

心爱护，进室前要换鞋，书包、大衣等等杂物不要带入室内，手要洗净，防止尘土损坏显微镜。使用时要切实遵守下列操作规程：

1）试样要清洁、干燥，不得残留有水分和酒精等。

2）使用前先检查一下附件是否齐全、正常，如有缺损，立即向辅导教师提出。

3）使用时要细心，不要粗暴地碰撞和挪动显微镜。对物镜尤其要小心使用。

4）调焦距时不得用力过大，如发生拧不动，应立即报告指导教师并检查原因。

5）观察试样时应先将物镜小心地移至接近试样位置，然后再一面由目镜观察，一面转动粗调螺丝，使物镜远离试片，当看见试片表面上有亮光时就可改用微动螺丝调到组织看清为止。

6）不准用手、手巾等擦目镜、物镜等一切玻璃部件，如发现脏物防碍使用，可通知辅导教师用软毛刷或擦镜头纸擦净。

7）不用的附件应立即放回附件盒规定的位置并立即盖好。

8）使用完毕后要还原，盖好，由教师检查后方能离开实验室。