铁碳合金平衡组织分析

一、实验目的

①观察和识别铁碳合金（碳钢和白口铁）在平衡状态下的显微组织。

②了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应变化关系。

③熟悉金相显微镜的使用。

二、实验设备

金相显微镜是由光学系统、照明系统和机械系统3部分组成，完善的金相显微镜还有照明装置和其他附件。 金相显微镜的形式很多，通常可分为台式、立式和卧式3类。

XJB⁃1（4X）型金相显微镜构造如图6．1所示。 它是采用倒置式光路，用安装在圆盘形底座15内的低压灯泡作为照明光源，利用灯座偏心套圈8调整光源位置。 光源聚光系统、反射镜3、孔径光阑14等都安装在底座内。

金相试样放在载物台1上，载物台与托盘之间有四方导架，并用黏性油加在两者之间，用手推动，可使载物台在水平面各方向上移动，以改变试样的观察部位。

粗调焦手轮7和微调焦手轮6共轴的安装在传动箱5的两侧。 旋转粗调焦手轮能使载物台迅速上升或下降，达到粗略调焦的目的。 微调焦手轮通过多级齿轮传动机构，使物镜作缓慢升降移动，达到精确调焦的目的。

物镜2安装在球面形的物镜转换器4上，转换器上同时可安装3个不同放大倍数的物镜，通过转换器绕轴旋转而变换观察用的物镜。

目镜9安装在目镜管10上，目镜管用固定螺钉11固定在连接座上。 目镜管成45°倾斜，便于操作者观察。

孔径光阑13用以调节视场大小，一般以调节到其边缘正好与目镜视场同样大小或略小些为宜。 有时为了观察某一试样的局部细微组织，也可将视场光阑缩小到其刚好包围此局部组织，以收到更好的效果。 若视场光阑不在目镜视场正中，可通过两个调节螺钉12将其调到正中位置。

XJB⁃1（4X）型金相显微镜备有物镜、目镜，其放大倍数见表6．1。

表6．1 XJB⁃1（4X）型金相显微镜的物镜和目镜

图6．1 XJB⁃1（4X）型金相显微镜构造

1—载物台；2—物镜；3—半反射镜；4—转换器；5—传动箱；6—微调焦手轮；7—粗调焦手轮；8—偏心套圈；9—目镜；10—目镜管；11—固定螺钉；12—调节螺钉；13—视场光阑；14—孔径光阑

图6．2为国产XJB⁃1（4X）型小型台式金相显微镜光学及照明系统示意图。 由灯泡1发出光线，经过聚光镜组2及反射镜13被会聚在孔径光阑12上，随后经过聚光镜组3，穿过半反射镜4后经补助透镜5再度将光线会聚在物镜6的后方焦平面上。 最后，光线通过物镜，以平行光照亮试样，使其表面得到充分而均匀的照明。 从试样反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10以及棱镜9和棱镜8形成一个物体的放大倒立实像，该像被目镜7再度放大。

三、实验原理

利用金相显微镜观察金属的组织和缺陷的方法称为显微分析，所看到的组织称为显微组织。

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根据Fe⁃C相图来分析。 从相图可知，所有碳钢和白口铁在温室时的组织均由铁素体和渗碳体组成。 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或组织组成物，其基本特征如下：

图6．2 XJB⁃1（4X）型小型台式金相显微镜光学及照明示意图

1—灯泡；2，3—聚光镜组；4—半反射镜；5，10—补助透镜；6—物镜；7—目镜；8，9—棱镜；11—视场光阑；12—孔径光阑；13—反射镜

1．铁素体（F）

铁素体是碳溶于αFe中的固溶体，有良好的塑性，硬度较低（80～120HB），经3％～5％硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色大粒状。 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；当含碳量接近于共析成分时，往往呈断续的网状，分布在珠光体的周围，如图6．3所示。

2．渗碳体（Fe3C）

渗碳体是铁与碳的化合物，含碳量为6．69％，抗浸蚀能力较强。 经3％～5％硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色；若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。 渗碳体的硬度很高，达800HB以上；脆性很大，强度和塑性较差。 经过不同的热处理，渗碳体可呈片状、粒状或断续网状。

3．珠光体（P）

珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物，有片状和珠状两种。

（1）片状珠光体

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％硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆呈白亮色，但其边界被浸蚀呈黑色线条。 在不同放大倍数下观察时，组织具有不一样的特征。

①在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而其边界呈黑色，如图6．4所示。

图6．3 铁素体的显微组织

②中倍（400倍左右）观察时，白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食”而成为细黑条。 这时看到的珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物，如图6．5所示。

图6．4 600倍以上观察的片状珠光体显微组织

图6．5 400倍左右观察的片状珠光体显微组织

③低倍（200倍以下）观察时，连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨，这时，珠光体为黑块组织，如图6．3所示中的珠光体。

（2）球状珠光体

共析钢或过共析钢经球化退火后，得到球状渗碳体。 经3％～5％硝酸酒精浸蚀后，球状珠光体为白色铁素体基体上均匀分布着白色渗碳体小颗粒，其边界为黑圈，如图6．6所示。

根据钢的组织，估计出各组织成分的相对量，便可利用杠杆定律算出含碳量。

4．莱氏体（Ld）

在温室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％硝酸酒精溶液浸蚀后，莱氏体的组织特征是：在白亮的渗碳基体上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体，如图6．7所示。

图6．6 球状珠光体显微组织

图6．7 共晶白口铸铁

莱氏体组织硬度很高，达700HBW，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。

亚共晶白口铸铁的组织包括莱氏体、呈黑粗树枝态分布的珠光体及其周围白亮圈的二次渗碳体，如图6．8所示。 二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连，无界线、无法区别。

过共晶白口铸铁的组织是莱氏体和长白条一次渗碳体，如图6．9所示。

图6．8 亚共晶白口铸铁

图6．9 过共晶白口铸铁

四、实验步骤1．调节金相显微镜

①按放大倍数的要求，选配好物镜及目镜，分别安装在转换器的物镜座上及目镜筒内，并使转换器转至固定位置。

②移动载物台，使物镜位于载物台中心孔的中央，然后把金相试样倒置在载物台上。

③将照明灯泡插头插入低压（6～8V）变压器插座中，然后接通变压器电源，并点亮灯泡。

④旋转粗调焦手轮，直至所观察的像清晰为止。

⑤调节孔径光阑和视场光阑的大小，以获得最佳质量的物像。

⑥观察完毕，应立即关灯，以延长灯泡的使用寿命。

2．观察样品的显微组织

观察表6．2中所列样品的显微组织并联系铁碳相图分析各组织的形成过程。

表6．2 实验要求观察的样品

3．绘出样品的显微组织示意图

绘出所观察样品的显微组织示意图。

五、注意事项

①金相试样放在载物台之前，必须洗净、吹干，并注意操作者手应清洁干燥。

②光学零件必须保持清洁，切不可用手指触摸光学镜片。 若发现镜面上有脏物或灰尘时，应及时用吹灰球吹去灰尘或用擦镜头纸及二甲苯轻轻擦拭清除，但不得用酒精，以防透镜胶被深解。

③在更换物镜时，要防物镜受碰撞而损坏。 在调焦时，要缓慢旋转调焦手轮，谨防物镜与试样接触相碰。

④使用照明灯泡时，必须通过低压变压器，切勿插入220V的电源插座，以免烧毁灯泡。

⑤使用油浸物镜后，应立即用棉花蘸取二甲苯溶液擦净，再用擦镜头纸擦干。

⑥物镜、目镜内的镜片以及显微镜上其他光学构件不能私自拆卸。 若出现故障，应立即报告老师处理。

六、思考题

①珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？ 为什么？

②怎样鉴别0．6％碳钢的网状铁素体和1．2％碳钢的网状渗碳体？

③二次渗碳体呈网状分布时，对钢材的机械性能有何影响？ 应如何避免？

④渗碳体有哪几种？ 它们的形态有何区别？