铁碳合金平衡组织观察及性能分析
实验一 铁碳合金平衡组织观察及性能分析
一、实验目的
1、了解金相显微镜的基本结构和原理，熟悉其使用方法；
2、观察和识别铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织；
3、进一步了解Fe-Fe3C相图在铁碳合金组织分析中的应用；
4、初步了解铁碳合金的组织、性能与用途之间的关系。
二、实验仪器设备及材料
1、XDJ-200型金相显微镜
2、铁碳合金平衡显微组织试样一套
3、观察试样所对应的图谱一套
三、实验内容概述
（一）金相显微镜的基本结构、原理及使用方法
1、金相显微镜的基本原理
金相显微镜的成像原理是利用一组透镜即物镜将试样的组织第一次放大，再用另一组透镜即目镜将第一次放大的像再次放大，就可以获得更高放大倍数的显微组织即我们所看到的组织。所以，显微镜的放大倍数M指物镜放大倍数M1和目镜放大倍数M2的乘积。
2、金相显微镜的基本结构
金相显微镜的种类和形式很多，主要有台式、立式和卧式三大类。但它们的基本结构
都大致相同，通常由光学系统、照明系统和机械系统三大系统组成。
（1）光学系统：由灯泡发出的光线经聚光镜及反光镜聚焦到孔径光栏，再经过聚光镜组聚集到物镜的后焦面，最后经物镜平行均匀的照射到试样表面。从试样表面反射回来的光线经物镜组和辅助透镜由半反射透镜转向，经过辅助透镜及棱镜组形成一个倒立放大的实像，该像再经过目镜第二次放大，就是我们在目镜中看到的放大的组织图。
（2）照明系统：由底座内变压系统、小灯泡（6V20W）、聚光镜、反光镜、电源开关、光亮度调节钮和孔径光栏等组成。
（3）机械系统：载物台：用于放置金相试样，其与下面托盘之间有四方导架，中间夹有粘性油，可使载物台沿任意方向移动（移动范围约8×8㎜）。
物镜转换器：转换器呈球面型，上有三个螺孔用于安装不同放大倍数的物镜。
调焦手轮：微调焦手轮和粗调焦手轮共轴的安装在传动箱的两侧。旋转粗调焦手轮能使物镜转换器迅速上升或下降，达到粗略调焦的目的。微调焦手轮通过多级齿轮传动机构，使物镜作缓慢升降运动，达到精确调焦的目的。
目镜镜筒：目镜筒成45度倾斜用固定螺钉固定在半球型座上，用于安装物镜，便于操作者观察。
孔径光阑：用以调节射向物镜的入射光束的粗细。一般调节到物象最清晰及使人感到舒适为原则，约为3～5㎜。在更换物镜后必须重新调节孔径光阑。
视场光阑：用以调节视场大小。一般调节到其边缘正好与目镜视场内切或外切。
3、金相显微镜的使用方法
（1）根据观察试样所需的放大倍数要
求，正确选取物镜和目镜，分别安装在物镜转换器上和目镜筒内；
（2）接通电源，将侧面光亮度调节钮置于光亮度最低位置，再打开电源开关；
（3）调节载物台中心与物镜中心对齐，将制备好的试样观察表面朝下放在载物台中心；
（4）转动粗调焦手轮，使物镜转换器缓慢上升，眼睛从下往上观察，使试样观察表面和物镜尽可能的接近，但不能接触，然后反向转动粗调焦旋钮，眼睛在目镜中可以看到模糊的图
像时，立即停止粗调焦手轮，转动微调焦手轮，直至图像最清晰为止；
（5）适当调节孔径光阑和视场光阑，选用合适的滤色片，以获得最理想的图像；
（6）两手张开按住载物台的支架，用拇指和食指前后左右移动载物台，观察试样的不同部位，以便全面分析并找到最具代表性的显微组织；
（7）观察完毕后应及时切断电源，以延长灯泡使用寿命。
4、金相显微镜使用注意事项
（1）金相试样放在载物台之前，必须洗净、吹干，并注意操作者手的清洁干燥。
（2）操作时必须特别细心，绝对不能有任何剧烈动作。旋转粗微调手轮时，动作要慢，若朝一个方向旋不动时，应朝另外一个方向旋转，若调不清晰可再轻轻的调粗调手轮。
（3）显微镜镜头的玻璃部分严禁用手指触摸或用其它东西擦拭，若有灰尘必须用专用镜头纸或软毛刷轻轻擦拭。在更换物镜时，一定要调节粗调手轮使物镜和试样即载物台下面远离，否则会损坏物镜。
（二）铁碳合金平衡组织特征
铁碳合金的平衡组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态即接近平衡状态）所得到的组织。所有碳钢和白口铸铁的室温平衡组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。但由于含碳量不同，铁素体（F）和渗碳体（Fe2C）的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，所以会有各种不同的组织形态。一般有以下几种基本组织：
铁素体（F）：是碳溶入α-Fe中形成的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良
好塑性（伸长率为30%～50%），硬度低（HBS50～80）。用３%～4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现亮白色的等轴晶粒，亚共折钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。
2、渗碳体（Fe3C）：是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%，质硬而脆（硬度约800HBW）。耐腐蚀性强，经3%～4%硝酸酒清溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色。若用碱性苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体则被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同
的形态。一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出物，呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续的薄片状或点状分布于铁素体的晶界处，数量极少。在显微镜下观察时，无论是一次渗碳体、二次渗碳体，还是三次渗碳体都是亮白色或暗黑色，成分结构均相同，只是析出过程和形态不同而已。
3、珠光体（P）：是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，在一般退火处理状态下是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层片状组织。经3%～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。在高倍放大镜能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度而无法分辩，因此，当组织较细而放大倍数低时，珠光体的片层不能分辩而呈黑色。过共析钢经球化退火以后，可获得粒状珠光体。珠光体的性能一般都较好，抗拉强度约为1000Mpa，伸长率约为10%，硬度约为HBS240。
4、莱氏体（Ld′）：是珠光体与二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物。菜氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基体上相间地分布着暗黑色斑点状或细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。
（三）铁碳合金的分类
1、工业纯铁：含碳量＜0.0218%，室温下的平衡组织为亮白色等轴状铁素体和少量以不连续薄片状或点状分布在暗黑色的铁素体晶界上的三次渗碳体组成。由于工业纯铁中的渗碳体量很少，故塑性韧性好，而硬度、强度低，一般屈服强度为100～170MPa,抗拉强度为180～270MPa，伸长率为30%～50%，断面收缩率为70%～80%，冲击韧度为160～200J/cm3，硬度(HBS)为50～80。因此，不能用作受力零件及结构材料。其主要用途是利用它所具有的磁性，工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有较高的磁导率，可用于要求软磁性的场合，如各种仪器仪表的铁芯等。
2、碳钢：0.0218%＜含碳量＜2.11%
（1）亚共折钢：0.0218%＜含碳量＜0.77%
室温下的平衡组织为亮白色的铁素体和暗黑色层片状的珠光体，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应的增加，二者的含量可通过杠杆定律求出，其中，P%=（ωc-0.0218）/（0.77-0.0218）×100%。根据在显微镜下观察到的珠光体和铁素体各自所占的面积百分数，大体上可估算出碳钢中碳的质量分数：ωc≈P×0.77（式中P表示珠光体所占的面积百分数，此式只适于平衡状态）。
20钢：含碳量=0.2%，室温下的平衡组织
中暗黑色层片状为珠光体，低倍为小块状，亮白色块状为铁素体，珠光体的含量为P%=25.97%，塑性韧性高，并且有良好的焊接性和冷冲压性，无回火脆性，切削性低，但经正火处理可提高其切削性。屈服强度σs≥245MPa,抗拉强度σb≥412MPa,伸长率δ5≥25%,断面收缩率ψ≥55%,硬度(HBS)≤156（910℃正火）。因此，20钢一般用于不受很大应力而要求韧性好的各种机械零件，如管子、拉杆、轴套、螺钉等。
40钢：含碳量=0.4%，强度较高，切削性能良好，是一种高强度的中碳钢，焊接性能较差，但可焊接。室温下的平衡组织中暗黑色层片状为珠光体，亮白色块状为铁素体，珠光体的含量P%=50.55%。屈服强度 σs≥335MPa,抗拉强度σb≥570MPa,伸长率δ5≥19%,断面收缩率ψ≥45%,硬度(HBS)≤217（热轧）(退火态≤187)，冲击韧度Aku2≥47J/㎝2。因此，40钢一般用来制造机器的运动零件，心部强度要求不高，表面耐磨性好的淬火零件及截面尺寸较小，负载较大的调质零件。如辊子、轴、传动轴、活塞杆、连杆、齿轮、圆盘等。
60钢：含碳量=0.6%，高强度的中碳钢，具有相当高的强度、硬度及弹性，冷变形能力及塑性较差，组织中暗黑色层片状的为珠光体，亮白色不连续的网状为铁素体，铁素体也有亮白色小块状，含量较少，其中P%=77.28%。屈服强度σs ≥401.8MPa,抗拉强度σb≥676.2MPa,伸长率δ5≥12%,断面收缩率ψ≥35%,硬度(HBS)≤255（热轧）(退火态≤229)。因此，60钢主要用于制造耐磨、强度较高受力较大、摩擦工作以及相当弹性的弹性零件，如轴、偏心轴、离合器、钢丝绳、弹簧圈等。
（2）共析钢：含碳量=0.77%，室温下其显微组织由单一的层片状珠光体组成，如T8钢。T8钢经淬火回火以后，可得到较高的硬度和良好的耐磨性，但强度和塑性不高，用于制造切削刃口在工作中不变热的、硬度和耐磨性较高的工具，如木工铣刀、斧、凿、手锯、打眼工具、钳工装配工具等。
（3）过共析钢：0.77%＜含碳量＜2.11%，室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，含碳量越高，渗碳体网愈多、愈完整。如T12钢，二次渗碳体网用硝酸酒精溶液腐蚀呈白色，若用苦味酸钠溶液热腐蚀后，呈暗黑色。连续网状的二次渗碳体，使强度、塑性、韧性显著降低，淬火变形大。经过一定的热处理，可用于制造冲击小、切削速度不高、高硬度的各种工具，如：铣刀、车刀、钻头、铰刀、丝锥、板牙、刮刀、锉刀、锯片等。
3、铸铁：2.11%＜含碳量＜6.69%
（1）亚共晶白口铁：2.11%＜含碳量＜4.3%
用硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状的莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不
易分辨。
（2）共晶白口铁（含碳量为4.3%）
室温组织由单一的莱氏体组成，经腐蚀后，在显微镜下，变态莱氏体呈豹皮状，由珠光体，二次渗碳体及共晶渗碳体组成，珠光体呈暗黑色的细条状及斑点状，二次渗碳体常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨，呈亮白色。
（3）过共晶白口铁：4.3%＜含碳量＜6.67%
室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色粗大片状的一次渗碳体。过共晶铁液冷却时，先析出粗大的初生渗碳体，由于它在液体中可以自由生长故呈板条状或片状。
（四）硬度测试：
1、洛氏硬度计的使用
1）、清理试样表面，并根据试样的材料、形状，查表选择压头、载荷和工作台。本次实验所用试样均为平衡组织的材料，可以选用淬火钢球压头，100kgf载荷。
2）、将试样置于载物台上，加予载荷。即按顺时针方向转动升降丝扛手轮，使试样与压头缓慢接触直至表盘小指针从小黑点移动到小红点，大指针指向上方左右5度时为止。调整读数表盘，如作HRC、HRA硬度试验时，使大指针与表盘上黑字C处对准。试验HRB时，使大指针与表盘上红字B处对准。
3）、加主载，平稳地板动加载手柄，停留10秒后，扳回手柄至原来位置卸去主载。由表盘上直接读出硬度值。HRC、HRA读外圈黑刻度数字。HRB读内圈红刻度数字，然后逆时针转动手轮，卸下试样。
4）、用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度值，各压痕中心距和压痕中心至试样边缘的距离不得小于3mm，填入下表。
材料名称 硬度值HRB
1 2 3 平均值
工业纯铁
20钢
40钢
60钢
T8钢
T12钢
2、洛氏硬度计操作注意事项
1）、试件上各压痕中心的距离及压痕中心至试件边缘距离均不得小于3mm。
2）、施加初试验力时，只允许向上移动，直至初试验力加好为止，不得中途退回，又继续向上移动。
3）、使用本硬度计硬度块时严禁两面使用，因为有压痕的一面有金属残余变形，将会影响硬度计的校准。
4）、硬度计使用完毕，应罩上机衣，以防灰尘进入机内。
5）、对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块，固定后方可测试。对圆试件一般要放在V形槽中测试。
6）、加载前要检查加载手柄是否放在卸载位，加载时动作要轻稳，不要用力太猛。加载完毕加载手柄应放在卸载位置，以免仪器长期处于负荷状态，发生塑性变形，影响测量精确度。
四、实验步骤
1、根据金相图谱，在低倍（100×）观察和识别各试样的组织；
2、在高倍（400×）仔细观察各试样的组织特征；
3、根据
组织特征，画出所观察试样的组织示意图；
4、测试给定各试样的硬度值，填入表中；
5、绘出硬度值与含碳量的关系曲线图。
五、实验要求
1、明确本次实验的实验目的；
2、画出所观察的组织示意图，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明；
3、绘出硬度值与含碳量的关系曲线图；
4、写出本次实验的心得体会。
六、实验思考题（选做）
珠光体在高倍和低倍观察时有何不同？
某工厂仓库积压了许多碳钢，由于钢材混杂不知何种材料，先找出一根经退火处理，然后制成金相试样，在显微镜下观察，发现有20%暗黑色的珠光体。请问此钢成分是什么？性能如何？有什么用途？