074材料科学基础实验指导北工大lab4.docx
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074材料科学基础实验指导北工大lab4
实验四铁碳合金平衡组织观察
（ObservationofEquilibriumMicrostructuresofFe-CarbonAlloys）
实验学时：
3实验类型：
综合
前修课程名称：
《材料科学导论》，《光学实验技术》
适用专业：
材料科学与工程
一、实验目的
⒈研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。
⒉分析成分对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
二、概述
⒈铁碳合金平衡组织中的基本组成相及组织组成物
铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。
所谓平衡状态的显微组织，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。
我们可根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
Fe-Fe3C相图简示如下：
铁碳合金的平衡组织主要是指：
碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切相关。
此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe-Fe3C相图的理解。
从Fe-Fe3C相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。
但是，由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对量、析出条件及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态和形貌。
各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见下表：
类 型
含碳量（C%）
显微组织
工业纯铁
工业纯铁
＜0.02
F
碳钢
亚共析钢
0.02～0.77
F+P
共析钢
0.77
P
过共析钢
0.77～2.11
P+Fe3CⅡ
白口铸铁
亚共晶白口铁
2.11～4.3
P+Fe3CⅡ+Ld’
共晶白口铁
4.3
Ld’
过共晶白口铁
4.3～6.69
Ld’+Fe3CⅠ
样品浸蚀后，在金相显微镜里，碳钢和白口铸铁具有下面几种基本组织组成物：
⑴铁素体（F）──是碳在α-Fe中的固溶体。
铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度较低。
用3～4%的硝酸酒精浸蚀后，工业纯铁样品在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。
⑵渗碳体（Fe3C）──是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3～4%的硝酸酒精浸蚀后，渗碳体呈亮白色（若用苦味酸纳溶液浸蚀，则渗碳体能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）。
按照合金成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现出不同的形态：
一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是从铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。
⑶珠光体（P）──是铁素体和渗碳体的机械混和物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。
经硝酸酒精浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到不同特征的珠光体组织。
在高倍放大时能清晰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的厚度，这时，珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线；当组织较细，且放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，珠光体呈现黑色模糊状或块状。
⑷变态莱氏体（Ld’）──是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。
含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，称为莱氏体（Ld）；其中奥氏体在冷却时析出二次渗碳体，并在723℃以下分解为珠光体，此时称为变态莱氏体（Ld’）；其显微组织特征是在亮白色的基底（渗碳体）上相间地分布着暗黑色的斑点及细条状的珠光体。
二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。
⒉典型铁碳合金的显微组织
根据组织特点及含碳量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。
钢又可根据含碳量分为亚共析钢、共析钢、过共析钢；铸铁根据含碳量也可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁。
⑴ 工业纯铁
纯铁在室温下具有单相铁素体组织。
含碳量＜0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和极少量的三次渗碳体组成。
显微组织中的黑色线条是铁素体的晶界，亮白色的基底是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。
⑵ 亚共析钢
亚共析钢的含碳量在0.02%～0.77%范围内，其显微组织是由铁素体和珠光体组成。
用4%的硝酸酒精浸蚀后，铁素体为亮白色，珠光体为暗黑色。
随着含碳量的增加，组织中的铁素体量逐渐减少，而珠光体的量不断增加；当含碳量大于0.60%时，铁素体由块状变成网状分布在珠光体的周围。
根据含碳量，可以由杠杆定律求得铁素体和珠光体的相对量。
另外，由显微镜中观察铁素体和珠光体各自所占面积的百分数，可近似地计算出钢的含碳量，即，碳含量≈P×0.77%，其中P为珠光体所占面积百分数。
⑶ 共析钢
含碳量为0.77%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成。
⑷ 过共析钢
过共析钢的含碳量在0.77%～2.11%，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。
钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。
经硝酸酒精浸蚀后，二次渗碳体呈亮白色网分布在珠光体的周围。
⑸ 亚共晶白口铸铁
含碳量是2.11%～4.3%，在室温下的组织由珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体所组成。
经硝酸酒精浸蚀后，组织呈现：
暗黑色的树枝状的珠光体（枝晶态）和斑点状变态莱氏体，二次渗碳体的空间位置是在珠光体的周围，但形态上与共晶渗碳体无法区分。
⑹ 共晶白口铸铁
含碳量为4.3%，室温下的组织由单一的变态莱氏体组成。
经浸蚀后，显微组织为暗黑色粒状或条状珠光体分布在亮白色的渗碳体的基底上。
有时通俗地称为“斑点组织”。
⑺ 过共晶白口铁
含碳量为4.3%～6.69%，在室温下的组织是一次渗碳体和变态莱氏体。
经浸蚀后，一次渗碳体呈亮白色的粗大条片状分布于斑点状的变态莱氏体的基底上。
三、实验材料及设备
⒈4X1普通金相显微镜；
⒉铁碳合金平衡组织显微金相图谱；
⒊各种典型铁碳合金平衡组织的金相样品。
本次实验中所提供的金相样品列表如下：
编号
材料
热处理
组织名称及特征
浸蚀剂
建议观察使用放大倍数
1
工业纯铁
退火
F+三次渗碳体
4%硝酸酒精
100×
2
08钢
退火
F+P
4%硝酸酒精
100×
3
20钢
退火
F+P
4%硝酸酒精
400×
4
45钢
退火
F+P
4%硝酸酒精
400×
5
65钢
退火
F+P
4%硝酸酒精
400×
6
T8钢
退火
P
4%硝酸酒精
400×
7
T12钢
退火
P+二次渗碳体
4%硝酸酒精
400×
8
亚共晶白口铁
铸态
Ld’+P
4%硝酸酒精
100×
9
共晶白口铁
铸态
Ld’
4%硝酸酒精
100×
10
过共晶白口铁
铸态
Ld’+一次渗碳体
4%硝酸酒精
100×
四、实验内容及步骤
⒈实验前同学应首先复习相关的课堂内容，预习、阅读实验指导书。
⒉在显微镜下观察所提供样品的组织。
⒊实际估算特定照片碳钢的含碳量。
⒋记录碳钢退火处理后的洛氏硬度值（HRB）。
⒌根据下面的说明，填充、回答相关问题，绘制指定的显微组织。
五、实验过程
⒈通过观察实际提供的样品，确定下列照片的材料标识是否正确，在括号内标识出正确的钢号。
08钢（）20钢（）
45钢（）65钢（）
08钢、20钢、45钢、65钢，均属亚共析钢，根据确定的正确的材料的金相组织，请说明亚共析钢组织的共性是：
（）；
区别在于：
（）。
⒉下面是工业纯铁的3张不同情况的照片，根据实际样品的观察、分析，按照要求回答、填写：
图1（100倍）
图2（400倍）图3（400倍）
由实际样品观察及图1可知，工业纯铁的室温平衡组织是：
（）；
在图2中，不同的铁素体晶粒呈现出不同的灰度上的区别，其原因是：
（）；
在图3中，在多个（常见的是3个）晶粒交汇处的薄片状的组织组成物是三次渗碳体，根据图片及实际样品的观察，总结三次渗碳体的形貌特征是：
（），在组织中其含量：
（），最易分布于：
（），其分布特征的原因是：
（）。
⒊根据下图，确定此碳钢的含碳量。
珠光体占的面积有：
（）；含碳量近似为：
（）。
⒋根据实际样品的观察及下列照片、图片，回答相应的问题：
图1（200倍）图2（500倍）
图3（1000倍）图4（7000倍）
上述照片、图片均是T8钢的显微组织，差别在于观察时选取的物镜不同，最终的放大倍数不同，其中，图4（7000倍）的图片是电镜照片的示意。
T8钢是共析钢，组织是100%的珠光体。
图4是珠光体组织组成物最清楚的示意：
在平衡状态下，片状珠光体的显微组织是宽条铁素体和细条渗碳体相间组成，且两者相邻的边界呈黑色弯曲的细线。
根据实际样品及图片，请问，在实际观察中，在不同的条件下，珠光体的形貌会有几种形态：
（）；当珠光体的层片结构可以分辨时，通常情况下，同学们看到的珠光体中的渗碳体应当是呈现什么样的形貌：
（），原因是：
（）。
[根据显微镜观察原理及分辨能力来分析]
在400倍观察时，同学们可以看见不同的珠光体区域，其层片厚薄不同，是不是不同区域珠光体的实际片层厚度存在明显差别：
（）；原因是：
（）。
⒌根据观察及下列图片所示，T12钢的组织形貌的特征是：
（）。
T12钢200倍
T12钢500倍T12钢1000倍
其中，二次渗碳体的空间3维形貌用比较形象的比喻可以是：
（）；
因此说，二次渗碳体在材料中所起的作用是：
（）。
⒍根据样品观察、理论，铁碳合金的硬度从工业纯铁起，依次08钢、20钢、45钢、65钢、T8钢、T12钢，其硬度会呈现怎样的变化：
（）。
⒎根据观察，白口铁组织中，在共晶、亚共晶、过共晶组织中共有的组织组成物是：
（）；其中，亚共晶组织中有许多块状、椭圆状的珠光体，被称之为枝晶状的珠光体，其原因是：
（
…………………………………………………………………………）；
过共晶中的一次渗碳体，在组织中呈现一定宽度的长条状，其3维空间形态是：
（）。
共晶（100倍）共晶（100倍）
过共晶（100倍）亚共晶（100倍）
在白口铁中存在着多种不同结晶过程形成的渗碳体：
一次、共晶、二次、三次，除了三次渗碳体的数量极少可以忽略外，其它的渗碳体，在组织观察时，是否能够区分：
（）；其原因是：
（）。
⒏手工记录一个任意选择的样品的显微组织，根据常规图像记录的要求，标识出需要说明的项目：
材料名称、热处理状态、腐蚀剂、放大倍数、用箭头表示出不同组织组成物。
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