铁碳合金平衡组织观察

实验Ⅰ　铁碳合金平衡组织观察

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）分析含碳量对铁碳合金相及组织组成物的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。

二、概述

Fe-Fe₃C平衡相图是铁基二元相图中最重要的相图。根据相图可以分析铁碳合金平衡组织的形成过程及其特点。所谓平衡组织，是指在一定温度、一定成分和一定压力下合金处于最稳定状态下形成的组织。要获得这样的组织，必须使合金在非常缓慢的冷却条件下进行。通常将缓冷（退火）后的组织看做平衡组织。铁碳合金显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，因此认识和分析铁碳合金的平衡组织对了解材料的性能有着十分重要的意义。此外，观察和分析铁碳合金平衡组织，有助于理解Fe-Fe₃C平衡相图的建立，同时又可借助相图进一步来分析问题。

1．铁碳合金的分类

铁碳合金是以其含碳量来分类的，其中含碳量小于0.02%为纯铁，0.02%～2.11%的为碳钢，大于2.11%的为白口铸铁。

2．铁碳合金的平衡组织

铁碳合金的平衡组织主要有四种：铁素体、渗碳体、珠光体和变态莱氏体。铁碳合金在常温下其基本相只有两相，即铁素体和渗碳体。由于含碳量的不同，这两个基本相的相对量、形态和分布情况有很大的不同，因此呈现出各种不同的组织形态。下面介绍一下各种显微组织的基本特征。

（1）铁素体：碳在α-Fe中的间隙固溶体。用4%的硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下呈明亮的等轴晶粒（如图5-14所示），亚共析钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。

（2）渗碳体：铁与碳形成的间隙化合物。其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经4%的硝酸酒精溶液侵蚀后，渗碳体呈亮白色。若用苦味酸钠溶液侵蚀（苛性钠25g，苦味酸2g，加水100mL，在100℃煮沸5~10min），则渗碳体能被染成暗黑色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。

根据渗碳体形成的条件不同，我们把在过共晶白口铸铁中直接从液态中形成的渗碳体称为一次渗碳体，其形态呈粗大条片状。把在过共析钢和亚共晶白口铸铁中，从奥氏体中沿晶界析出的渗碳体称为二次渗碳体，其形态呈网状分布在珠光体的周围。把从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体，其形态呈不连续薄片状，存在于铁素体晶界处，由于数量极微，可忽略不计。一次、二次、三次渗碳体是同一种物质，由于它们形成的条件不同，用数字分别加以区分。

（3）珠光体：是铁素体和渗碳体的两相机械混合物，有片状珠光体和球状珠光体两类。片状珠光体是经一般退火后得到的铁素体和渗碳体的片层相间交替排列的组织。经4%的硝酸酒精侵蚀后，在显微镜下由于放大倍数不同而有不同的特征：在600倍以上观察时，可见珠光体中宽条铁素体和细条渗碳体平行相间排列都呈白亮色，而边界呈黑色；在400倍左右观察时，由于显微镜分辨能力降低，白亮的细条渗碳体被黑色的边界所“吞没”而呈黑色，这时看到的珠光体是宽条白亮色铁素体和细条黑色渗碳体（如图5-20所示）在200倍以下观察时，宽条白亮色的铁素体难以区分，这时的珠光体特征是暗黑色。

球状珠光体是过共析钢球化退火后的组织，片状分布的渗碳体形成了球状，经4%的硝酸酒精腐蚀后，球状珠光体的特征是：白色颗粒状渗碳体分布在白亮色的铁素体基体上，它们的边界是黑色（如图7-8（d）所示）。

（4）变态莱氏体：室温下由珠光体、二次渗碳体和渗碳体组成的机械混合物。在共晶温度时由奥氏体和渗碳体组成，其形态是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体，在共晶线和共析线之间，随着温度的下降从奥氏体中析出二次渗碳体，并在727℃以下奥氏体发生共析转变形成珠光体。由于莱氏体中共晶渗碳体和二次渗碳体连在一起，没有边界线，所以它的显微组织特征是白亮色的渗碳体基体上分布着许多黑色点（块）状或条状的珠光体（如图5-26所示）。

在亚共晶白口铸铁中，莱氏体被黑色树枝状珠光体所分割，在珠光体周围可看到一圈白亮色的二次渗碳体（如图5-28所示）；在过共晶白口铸铁中，莱氏体则被粗大的白色条片状一次渗碳体所分割（如图5-30所示）。

3．各种组织的力学性能

铁碳合金的成分不同，它的组织组成物的相对量及组织形态不同，所表现出的力学性能也不同。为了掌握铁碳合金的力学性能，必须控制各种组织的相对量及形态。铁素体韧塑性较好，渗碳体硬而脆，珠光体是这两相的机械混合物，莱氏体则是渗碳体和珠光体的混合物。铁素体、渗碳体和珠光体的力学性能见表Ⅰ-1所示

表Ⅰ-1　各类组织的力学性能

4．亚共析钢含碳量的计算

根据Fe-Fe₃C相图，利用杠杆定律可计算钢的含碳量；也可计算各组织或相的百分含量。

（1）已知钢的含碳量，计算铁素体和珠光体相对百分比含量（计算时可忽略铁素体中的含碳量）。

例如，含碳量为0.45%钢，其珠光体的相对量值为

（2）通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占视场面积的百分数，近似地估算出钢的含碳量。即

C%=P（%）×0.77%

例如：在显微镜下观察到有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则钢的含碳量

C%=50%×0.77%=0.385%

即相当于40钢（铁素体在室温下含碳量极微，可忽略不计）。

三、实验内容

表Ⅰ-2列出所要观察铁碳合金典型成分材料的显微组织样品.

表Ⅰ-2　铁碳合金典型成分材料的显微组织样品

四、实验方法指导

1．实验内容要求

（1）在实验中。应根据铁碳合金相图分析所观察材料组织的形成过程，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉碳钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。

（2）在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定其所属类型。

（3）根据要求画出所观察材料的显微组织示意图。画图时应抓住组织形态的主要典型特征。注意不要将磨痕或杂质画在图上。

（4）根据显微组织近似地确定未知钢样的平均含碳量。

2．实验设备及材料

（1）金相显微镜

（2）金相图谱

（3）各种铁碳合金样品（如表І-2所示）

3．注意事项

（1）金相显微镜是精密光学仪器。镜头是它的最重要部件，因此严禁用手触摸镜片及带有玻璃装置的地方，以免污染影响使用。不得随意将镜头拧动或取出。操作要细心。

（2）不得将试样在载物台上移动，不得用手指触摸试样表面，以免试样表面被划伤形成划痕或试样表面被污染，造成组织模糊不清形成假象，影响组织的真实性。给我们的观察和分析带来不便。

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，并注明材料名称、含碳量、侵蚀剂及放大倍数，并用箭头引出标明各组织组成物。

（3）根据所观察组织，说明含碳量对铁碳合金组织和性能影响的大致规律。

（4）利用杠杆规律确定未知样品的大约含碳量。

（5）本次实验心得体会。