铁碳合金平衡组织观察-实验指导书

铁碳合金平衡组织观察实验指导书一、实验目的1、熟悉碳钢和白口铁平衡组织的特征及识别的方法；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、应用杠杆定律估算碳钢中的含量。二、实验内容观察分析表7—1所列碳钢和白口铁的组织。然后画下组织示意图表1序号样品名称腐蚀剂显微组织1工业纯铁4%硝酸酒精F+少量Fe3CⅢ20.20%碳钢∥F+P30.45%碳钢∥F+P40.8%碳钢∥P（用两种放大倍数）51.2%碳钢∥P+Fe3CⅡ61.2%碳钢热苦酸钠酒精P+Fe3CⅡ（呈黑色）7未知碳钢4%硝酸酒精F+P8亚共晶白口铁∥P+Fe3CⅡ+Ld′9共晶白口铁∥Ld′10过共晶白口铁∥Fe3CⅠ+Ld′三、实验内容讨论：根据铁碳合金状态图，铁碳合金随着含碳量及加热温度的变化，可出现十几种不同的固态组织，其中，奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体是最常遇到的基本组织，它们对确定碳钢和白口铁平衡状态（退火）和近平衡状态（正火）的组织和性能具有实际意义。Fe—Fe3C二元相图1、铁碳合金的基本组织及特征(1)奥氏体（A）：碳溶解γ—Fe中的间隙固溶体。它的最大溶碳量为2.11%，碳钢中的奥氏体仅能在高温下（大于723℃）存在，在高温金相显微下可观察到。而在某些合金钢，也称奥氏体钢中（如高锰钢，18—8不锈钢），由于含有大量扩大γ相区的元素，才能在室温下观察到。此外碳钢和合金钢在淬火后有时还保留部分奥氏体至室温。碳钢中的高温奥氏体组织，在光学显微镜下呈多边形晶粒，基晶粒内部往往出现平行的孪晶带，这是由于加热和冷却过程中所产生的热应力使奥氏体发生塑性变形所致。奥氏体的硬度较低，约为HB170—220，塑性好，所以钢在压力加工时，都要加热到形成奥氏体温度。（2）铁素体（F）：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶体。它的溶碳量随着温度的改变而变化，其最大溶碳量在723℃为0.02%。经3~5%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白色的多边形晶粒，黑色网是晶粒边界。重浸蚀后晶粒呈现明暗不同的颜色，这是由于各晶粒的位向不同，显示出各晶粒具有不同的耐腐蚀性。亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体量增加而铁素体量减少，当铁素体量多时，它呈块状分布，而当钢的含碳量接近共析成分时，F在P的边界上呈网状分布。铁素体硬度低，一般为HB80—120，强度也较低。但塑性和韧性都好，所以低碳钢是适合作为冷冲压材料。（3）渗碳体（Fe3C）：是铁和碳的一种化合物，含碳量为6.67%，在铁碳合金中，当碳含量超过其溶解度时，多余的碳就以Fe3C出现。渗碳体的抗腐蚀能力较强，经3~5%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色。Fe3CⅠ直接从液体中析出，呈粗大条状分布在莱氏体中。Fe3CⅡ由奥氏体中析出，由于量少而沿奥氏体晶界析出，随后奥氏体变成珠光体，故Fe3CⅡ呈网状分布在P的边界上。渗碳体的硬度很高，HB达800，它是一种硬而脆的相，所以强度、塑性都很差。故单纯Fe3C或以Fe3C为基体的铁碳合金没有实用价值，只有在铁素体基体上配合适量渗碳体才可用。（4）珠光体（P）：它是铁素体和渗碳体两相的机械混合组织。是由高温奥氏体冷却到723℃发行共析反应所得到的F和Fe3C交替形成的层片状组织。经3~5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在低的倍数下观察，其中铁素体与渗碳体无法分辨，呈现黑色乌云状，在中等倍数下观察，片状珠光体中铁素体呈白亮色，而渗碳体呈黑色条纹状，这是因为在片状珠光体中铁素体片宽。当倍数很高时，铁素体和渗碳体片状形态都能真实地反映出来。渗碳体和铁素体都保持成平面，由于前者不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外，但在两者接界处，由于浸蚀时电化学作用较剧烈产生凹陷在直射光照射下光线被散射，而呈黑色。片状珠光体硬度为HB190~230，随片层间距的变小而硬度升高。（5）莱氏体（Ld）：它是一个两相共晶组织，在723℃以上是奥氏体和渗碳体共晶的机械混合物。在723℃时，莱氏体发生共析反应，而变成珠光体，所以室温下所观察的莱氏体组织是渗碳体+珠光体的机械混合物，渗碳体中包括共晶Fe3C和Fe3CⅡ，但由于连在一起而分辨不开，经3~5%硝酸酒精溶液浸蚀后，Ld的组织特征是在白亮色Fe3C基体上分布着许多黑色点状或条状的P。莱氏体和珠光体不同在于前者是在渗碳体的基体上分布着珠光体，后者是在铁素体基体上分布着渗碳体。莱氏体硬度很高达HB700，性脆，它一般存在于含碳量大于2.11%的白口铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也会出现。2、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铁素体和渗碳体，可选用染色剂着色，通常用碱性苦味酸钠水溶液（2克苦味酸、25克氢氧化钠、100毫升水）煮沸15分钟，渗碳体被染成黑色，铁素体仍为白色。由此可区别F和Fe3C，这说明同一组织不同的浸蚀剂浸蚀可显示不同的特征。3、亚共析钢的含碳量估算：亚共析钢平衡组织为铁素体+珠光体。已知珠光体平均含碳量为0.8%，如果忽略铁素体中的碳份（723℃0.02%到室温0.006%的变化），根据杠杆定律，从显微镜下观察到珠光体含量面积百分数乘上0.8%即为碳钢的含碳量。如显微组织中珠光体面积百分数约占75%，则该试样含碳量约为75%×0.8=0.6%。四、实验要求：1、对表中列举的一系列样品进行细致的观察，研究每一个样品的组织特征，并联系铁碳相图了解其组织形成的过程。注意含碳量与金相组织之间的关系。2、待认识了各种组织之后，抓住特征，描绘每个样品显微组织的示意图。3、仔细阅览碳钢与白口铁的金相图谱。4、对未知亚共析钢样品进行含碳量的估算。五、实验报告要求：1、写出实验目的、内容。2、画出所观察样品的组织示意图，注明处理条件，腐蚀剂，放大倍数，组织，名称等，并用箭头标明示意图中所示组织，简述其形态及分布特点。3、回答问题：（1）根据所观察组织说明含碳量对铁碳合金和性能有何影响。（2）根据杠杆定律确定未知样品的含碳量。