实验一-铁碳合金平衡组织的观察与分析.doc

实验一 铁碳合金平衡组织的观察与分析
一、实验目的
1．认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；
2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响。建立起Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系；
3．了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律。
二、概述
平衡状态是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下完成转变的组织状态。在实验条件下，退火状态下的碳钢组织可以看成是平衡组织。

图1是以组织组成物表示的铁碳合金相图。在室温下碳钢和白口铸铁的组织都是由铁素体和渗碳体两种基本相构成。但是由于含碳量不同、合金相变规律的差异，致使铁碳合金在室温下的显微组织呈现出不同的组织类型。表1列出各种铁碳合金在室温下的显微组织。

表1 各种铁碳合金在室温下的显微组织
合金分类
含碳量/%
显微组织
工业纯铁
<0.0218
铁素体（F）

碳钢
亚共析钢
0.0218～0.77
F+珠光体(P)
共析钢
0.77
P
过共析钢
0.77～2.11
P+二次渗碳体(CΠ)

白口铸铁

亚共晶白口铸铁
2.11～4.3
P+ CΠ+莱氏体（Le）
共晶白口铸铁
4.3
Le
过共晶白口铸铁
4.3～6.69
Le+二次渗碳体(CI)

铁碳合金显微组织中，铁素体和渗碳体两种相经硝酸酒精溶液浸蚀后均呈白亮色，而它们之间的相界则呈黑色线条。采用煮沸的碱性苦味酸钠溶液浸蚀，铁素体仍为白色，而渗碳体则被染成黑色。

图1 以组织组成物表示的铁碳合金相图
铁碳合金的各种基本组织特征如下：
1.工业纯铁
含碳量小于0.0218％的铁碳合金称为工业纯铁，其显微组织为单相铁素体或铁素体+极少量三次渗碳体。为单相铁素体时，显微组织由亮白色的呈不规则块状晶粒组成，黑色网状线即为不同位向的铁素体晶界，如图2(a)所示。当显微组织中有三次渗碳体时，则在某些晶界处看到呈双线的晶界线，表明三次渗碳体以薄片状析出于铁素体晶界处，如图2(b)所示。

（a）250X （b）700X
图2 工业纯铁的显微组织

2.碳钢
碳钢按含碳量的不同，将组织类型分为3种：共析钢、亚共析钢和过共析钢。其组织特征如下：
(1)共析钢
含碳量为0.77％的铁碳合金称为共析钢，其显微组织是珠光体。珠光体是层片状铁素体和渗碳体的机械混合物。两相的相界是黑色的线条，在不同放大倍数条件下观察，则具有不同的组织特征，在高倍数（>500倍）电镜下观察时，能清晰地分辨珠光体中平行相间的宽条铁素体和细片状渗碳体，如图3(a)所示。在300～400倍光学显微镜下观察时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时所看到的渗碳体片就是一条黑线．如图3(b)所示。珠光体有类似指纹的特征。

图3 共析钢的珠光体组织

(2)亚共析钢
含碳量为0.0218%～0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，室温下的显微组织是铁素体＋珠光体。铁素体呈白色不规则块状晶粒，珠光体在放大倍数较低或浸蚀时间长、浸蚀液浓度加大时，则为黑色块状晶粒，如图4所示。

图4亚共析钢的显微组织（300×）

在亚共析钢的组织中，随着含碳量的增加，组织中的珠光体量也增加。在平衡状态下，亚共析钢组织中的铁素体和珠光体的相对量可应用杠杆定律计算。通过在显微镜下观察组织中珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，可以近似估算出钢的含碳量。即钢的含碳量≈P(面积%)×0.77%

(3)过共析钢
含碳量为0.77%～2.11%的铁碳合金称为过共析钢，室温下的显微组织为珠光体+二次渗碳体。二次渗碳体呈网状分布在原奥氏体的晶界上，随着钢的含碳量增加，二次渗碳体网加宽，用硝酸酒精溶液浸蚀时，二次渗碳体网呈亮白色，如图5(a)所示。若用煮沸的碱性苦味酸钠溶液浸蚀，则二次渗碳体呈黑色，如图5(b)所示。

图5 过共析钢的显微组织（300×）

3.白口铸铁
白口铸铁的含碳量为2.11%～6.69%。在白口铸铁的组织中含有较多的渗碳体相，其宏观断口呈白亮色，因而得名。按含碳量不同，其组织类型也分为3种：共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁。
（1）共晶白口铸铁
共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，室温显微组织是低温莱氏体。低温莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物，如图6所示。其中白亮的基体是渗碳体，显微组织中的黑色细小颗粒和黑色条状的组织是珠光体。

图6共晶白口铸铁（100X） 图7亚共晶白口铸铁（100X） 图8过共晶白口铸铁（200X）

（2）亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁的含碳量为2.11%～4.3%，室温的显微组织是珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体，如图7所示。图中较大块状黑色部分是珠光体，呈树枝状分布，其周边的白亮轮廓为二次渗碳体，在白色基体上分布有黑色细小颗粒和黑色细条状的组织是莱氏体。通常二次渗碳体与共晶渗碳体（即莱氏体中的渗碳体）连在一起，又都是白亮色，因此难以明确区分。

（3）过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁的含碳量为4.3%～6.69%，其室温显微组织为莱氏体＋ 一次渗碳体，如图8所示。图中呈白亮色的大板条状（立体形态为粗大片状）的是一次渗碳体，其余部分为莱氏体。

三、实验内容
观察八种试样，根据铁碳合金相图判断各组织组成物，区分显微镜下看到的各种组织。
工业纯铁试样1个，亚共析钢试样2个、共析钢试样1个、过共析钢试样1个、亚共晶白口铸铁试样1个、共晶白口铸铁试样1个、过共晶白口铸铁试样1个。

四、实验报告要求
1、写出实验目的；
2、画出你观察到的试样的组织图，标明各组织组成物名称、材料名称、处理条件、浸蚀剂、放大倍数等(不要将划痕、夹杂物、锈蚀坑等画到图上)。
3、计算碳钢（亚共析钢试样2个、共析钢试样1个、过共析钢试样1个）室温下各组织组成物的相对重量。
4、讨论铁碳合金含碳量与组织的关系。

五、注意事项
金相显微镜的成像原理可参阅有关书籍。实验课上所用的显微镜已经调整好了，观察时只要转动微调螺旋，看清楚即可。显微镜是精密的光学仪器，使用时一定要当心。制备试样很费时间，所以我们要爱护制好的试样表面，不要用手直接触摸试样表面，更要避免被硬物划伤，在实验过程中不要用手去动试样。

实验结果记录：

材料牌号： 材料牌号：
处理状态： 处理状态：
浸蚀剂： 浸蚀剂：
放大倍数： 放大倍数：

材料牌号： 材料牌号：
处理状态： 处理状态：
浸蚀剂： 浸蚀剂：
放大倍数： 放大倍数：

材料牌号： 材料牌号：
处理状态： 处理状态：
浸蚀剂： 浸蚀剂：
放大倍数： 放大倍数：

材料牌号： 材料牌号：

处理状态： 处理状态：
浸蚀剂： 浸蚀剂：
放大倍数： 放大倍数：
实验二 金相分析及热处理综合实验
一、实验目的及要求
本实验为综合性实验，要求学生在老师指导下独立完成，包括：原材料检测（金相组织、硬度）→ 热处理（淬火）→ 终检（金相组织、硬度）的全过程并得出相关实验结果。
1、熟悉金相分析基本方法（金相试样的制备、观察、金相显微镜的使用）
2、熟悉钢的热处理工艺及操作（淬火工艺、热处理炉的使用）
3、熟练掌握洛氏硬度计的操作，了解工业生产中常用硬度检测方法

二、实验设备及材料
1、设备：
金相显微镜 热处理炉及控温仪表 洛氏硬度计 砂轮机 预磨机 抛光机 吹风机
2、试样材料：20 45 T10(任选一种)
3、消耗材料：Cr203抛光液 4％硝酸酒精溶液 棉花 水砂纸 金相砂纸 抛光布 水

三、实验步骤及方法
每人一个试样，做完该试样实验的全过程。
第1步：粗磨
用砂轮机或锉刀将试样待观察面制成平面，再用粗砂纸磨制，得到平整磨面为止。
第2步：冲洗 清水洗净并擦干
第3步：细磨
消除粗磨后的磨痕，得到平整而光滑的磨面。依次在由粗到细的三种不同粒度的砂纸上把磨面磨光。
方法：将砂纸放在玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，并使磨面朝下，均匀用力沿直线向前推行，返回时试样要离开砂纸，如此反复，直至磨面上的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致时为止。每换一种砂纸，试样的磨制方向转动90°，即与上一道磨痕方向垂直。
第4步：冲洗 清水洗净
第5步：抛光
去除细磨时留下来的细微磨痕和变形层，是靠极细的抛光粉末与磨面间产生相对磨削和滚压作用来消除磨痕，使其成为光滑的镜面。抛光时应在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液采用Cr2O3细粉末在水中的悬浮液。
第6步：冲洗 清水洗净

第7步：浸蚀 浸蚀剂为3-5％硝酸酒精溶液
方法：将试样磨面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。时间要适当，一般磨面发暗时就可停止，如浸蚀不足可重复浸蚀；如浸蚀过度，则需重新抛光后，再来一次。
第8步：冲洗 先用清水冲洗，再用酒精冲洗。
第9步：吹干 用吹风机吹干试样或用棉球擦干后即可进行观察。
第10步：显微观察（XJP-200金相显微镜）
要求画出观察到的组织示意图，标明材料牌号、放大倍率、浸蚀剂及所观察到的组织组成物的名称。
第11步：硬度测试（HR-150A洛氏硬度计或HRD-150电动洛氏硬度计或TH320全洛氏硬度计）
要求记录测试的数据，每个试样(在不同部位)测三个点，取其平均值。
第12步：热处理（SX系列或SG系列或RJM系列热处理炉）
同种牌号试样放同一热处理炉进行热处理，并依据铁碳相图上的临界温度确定好热处理温度及保温时间。淬火时，试样用钳子夹好，出炉、入水迅速，并不断在水中搅动，以保证热处理质量。取放试样时炉子要断电。
第13步：热处理后的试样用砂纸磨去两端氧化皮。
第14步：重复第1步至第11步进行操作。

四、实验结果记录

材料的牌号：

热处理工艺：加热温度 保温时间 冷却方式

热处理前
热处理后
硬度值：
硬度值：
组织组成：
组织组成：
处理状态：
处理状态：

示意图：

放大倍率：

浸蚀剂：
示意图：

放大倍率：

浸蚀剂：

五、实验报告要求
1、写出实验目的；
2、写出实验过程；
3、实验结果记录，示意图上应标明组织组成物名称；
3、根据热处理原理，分析热处理前后的组织变化情况，对比热处理前后的硬度值，分析硬度值变化的原因；
4、本次实验的体会。

六、注意事项
1、本实验加热所用的设备都为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地。在取、放试样时必须先切断电源。
2、往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关要迅速，炉门打开时间不宜过长。
3、试样在淬火液中应不断搅动，以免因冷却不均而出现软点。
4、在观察显微组织时，可先用低倍全面地观察，找出典型组织，再用高倍放大，局部详细观察。移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面，以免影响观察。
5、硬度测试时，试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨；如测试圆柱形试样的侧面，应放在带有“V”型槽的工作台上操作，以防试样滚动。
6、加载应细心操作，以免损坏压头，若加载阻力太大，应停止加载，立即报告。
7、测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。
8、金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。

附件1：硬度计操作方法指导

硬度是材料对另一较硬的物体压入表面抵抗塑性变形的一种能力，硬度试验简单易行，又无损于零件，故应用较广。常用的硬度试验方法有布氏硬度（用于黑色、有色金属的原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测验）和洛氏硬度（用于热处理后的金属产品的性能检测）。

HR-150A洛氏硬度计：
检测洛氏硬度HRC，所用压头为120°金刚石圆锥，负荷1500N，是根据压痕深度来确定硬度值指标，测定时，需要两次施加载荷（预载荷和主载荷）。
方法：将试样放在试样台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为止，将表盘大指针调整至零点，此时已预加载荷（10kgf），其目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。然后旋转摇柄加上主载荷，当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续3－4秒，再反向旋转摇柄，直至自锁为止，即卸除主载荷，此时大指针退回若干格，由表盘可直接读取洛氏硬度值（HRC读外圈黑刻度）。
TH320全洛氏硬度计：
本硬度计功能设置方法详见其操作规程。
将试样放置在样品台中央，顺时针平稳转动手轮，使样品台上升，试样与压头接触。此时屏幕上出现压头运动过程示意图，最后一格表示加载初试验力终止位置。平缓转动手轮，直到压头达到终止位置，同时伴有蜂鸣报警，此时应立即停止转动手轮。
如果手轮转动有少量过量，不影响测量结果即精度，如果转动过量较大，试验机自动报警，并提示此时应重新开始。
初试验力加载完成后，测试开始自动进行。依次完成一下过程：主试验力加载，加载完成后开始设定保持时间倒计时，保持总试验力，时间到后立即开始卸载，最后显示测试结果。
逆时针转动手轮，样品台下降，全部试验力卸除，所有试验参数自动记忆，等待下次测试。

附件2：普通热处理工艺及常用钢材应用举例

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）