[材料科学]材料类课程配套实验指导书 1.docVIP

四 铁碳合金平衡组织观察 一、实验目的 1．观察和识别铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织特征； 2．牢固建立铁碳合金中成分、组织和性能之间的变化规律； 3．应用杠杆定律计算碳钢中的含碳量。 二、概述 1．碳钢和白口铸铁的平衡组织 合金在极缓慢冷却条件（如退火状态）下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可以根据Fe-C状态图来分析。从状态图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的组织均由铁素体相和渗碳体相组成。但由于含碳量的不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不一样，因而将组成各种不同特征的组织。碳钢和白口铸铁的显微组织见表1所示。 表1 碳钢和白口铸铁的显微组织 铁碳合金 含碳量/% 显微组织 亚共析钢 0.028～0.77 铁素体（F）+珠光体（P） 共析钢 0.77 珠光体（P） 过共析钢 0.77～2.11 珠光体（P）+ 二次渗碳体（Fe3CⅡ） 亚共晶白口铁 2.11～4.30 珠光体（P）+ 二次渗碳体（Fe3CⅡ）+莱氏体（Ld′） 共晶白口铁 4.30 莱氏体（Ld′） 过共晶白口铁 4.30～6.69 莱氏体（Ld′）+ 一次渗碳体（Fe3CⅠ） 2．各种基本组织特征 1）铁素体（F）：是碳溶入α-Fe中的间隙固溶体，有良好的塑性，硬度低（HB80～120），经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜呈白色大颗粒状或块状（如图1）。随着钢中含碳量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状分布（如图2、3）；当含碳量接近共析成分时，往往呈断续网状，分布在珠光体的周围（如图4）。 2）渗碳体（Fe3C或Cm）：是铁与碳的化合物，含碳量为6.69%，抗侵蚀能力较强。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色（如图5、6所示）；若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色（如图7所示），由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到HB800以上，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。 3）珠光体（P） 是铁素体和渗碳体的机械混合物。 珠光体一般经退火得到，是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织，疏密程度不同。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，铁素体和渗碳体皆成白亮色。在不同放大倍数下观察时，珠光体组织具有不太一样的特性。 在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条为铁素体、突起细条为渗碳体，它们皆为白亮色，而边界为黑色阴影。在中倍（400倍左右）观察时，白亮色的渗碳体细条被两边黑条阴影所掩盖。而成为黑色细条。这时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。在低倍（200倍以下）观察时，由于显微镜的放大倍率低，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也分辨不清，这时的珠光体是一片模糊的暗色块状组织。 4）莱氏体（Ld`） 在室温时是珠光体和渗碳体的混合物。此时渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种，但它们相连在一起而分辨不开。经3%～5%硝酸酒精溶液侵蚀后，莱氏体的组织特征是，在白亮色渗碳体基体上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体（如图9）。 莱氏体组织硬度很高，达到HB700，性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见到。 亚共晶白口铸铁的组织是莱氏体、呈黑色大块树状的珠光体及珠光体周围白亮圈的二次渗碳体（如图8）。二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连、无界线，无法区分。 过共晶白口铁的组织：莱氏体和长白条一次渗碳体（如图10所示）。 3．钢的组织与含碳量计算 根据Fe-Fe3C状态图，利用杠杆定律可以计算钢的含碳量；也可以计算各组织（或相）的百分量。 已知含碳的碳素钢，可计算所含铁素体和珠光体量的百分数（计算时可忽略铁素体中的少量碳，将其看作纯铁，珠光体含碳量可看成0.8%）。 例1：已知含碳量为0.4%的碳钢，球P和F各占多少？ 从显微镜视场中可估测出P与F各占多少？然后计算钢的含碳量。 例2：观察到显微组织中有60%的面积为珠光体，40%的是F是，求钢的含碳量。 三、实验内容 观察分析表2所列碳钢和白口铸铁的组织。然后画出组织示意图。 表2 试样与显微组织 序号 试样名称 腐蚀剂 显微组织 1 工业纯铁 4%硝酸酒精溶液 F 2 0.20%碳钢 4%硝酸酒精溶液 F+P 3 0.45%碳钢 4%硝酸酒精溶液 F+P 4 0.80%碳钢 4%硝酸酒精溶液 P(用两种放大倍数) 5 1.2%碳钢 4%硝酸酒精溶液 P+ Fe3CⅡ 6 1.