铁碳合金的显微组织及分析
实验3--铁碳合金平衡组织观察
实验3 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1．认识铁碳合金的平衡组织。
2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响规律。
．二、概述铁碳合金的显微组织是研究和分析铁碳材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷条件下（退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。
因此我们可以根据Fe －Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（图1-1所示）。
图1-1 Fe－Fe3C相图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泛的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。
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）这两个基本相组成。
但是由于含碳量不同，因而呈现各种不同的组织形态。
用侵蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织。
1．工业纯铁(C<0．02％)，显微组织是单相铁素体，如图11.1。
2．碳钢随含碳量不同可分为：亚共析钢(含C<0．8％)；共析钢(含C：0．8％)，过共析钢(0．8％<含C<2．06％)。
共析钢的显微组织是片状铁素体和渗碳体的机械混合物，由于试片浸蚀后表面具有珍珠的光泽，故称为珠光体，其显微组织如图11.2图11.1 图11. 2材料：工业纯铁材料：T8(0．8％C)处理方法：退火热处理方法；退火腐蚀剂：4％HNO3，酒精溶液腐蚀剂：4％HNO3，酒精溶液显微组织：铁素体(白亮块是晶显微组织：珠光体，(白亮基体粒，黑线是晶粒边界) 是铁素体，细夹条是渗碳体)放大倍数：100×放大倍数；400×图中的白亮基体是铁素体，细夹条是渗碳体，黑线是铁素体和渗碳体的相界面。
如放大倍数低或片层过薄时，则看不到片层结构，而呈暗黑色块状物。
亚共析钢的显微组织是由铁素体与珠光体组成。
铁碳合金的显微组织及分析
铁碳合金的显微组织及分析材科095 陈国滔 40930366引言：铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。
铁碳合金主要包括碳钢和白口铸铁，其室温组成相由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。
由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件及分布状况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。
通过此次实验，分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织和性能之间的相互关系。
一、铁碳合金在金相显微镜下具有的四种基本组织1、铁素体（F ）铁素体是碳溶解于α-Fe 中的间隙固溶体。
工业纯铁用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，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（）渗碳体是铁与碳形成的金属间化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐蚀性强，经4%硝酸酒精浸蚀后，渗碳体仍呈亮白色，而铁素体浸蚀后呈灰白色，由此可区别铁素体和渗碳体。
渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体直接由液体中结晶出，呈粗大的片状；二次渗碳体由奥氏体中析出，常呈网状分布于奥氏体的晶界；三次渗碳体由铁素体中析出，呈不连续片状分布于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。
3、珠光体（P ）珠光体是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物。
经4%硝酸酒精浸蚀后，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。
当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体看到的只是一条黑线，甚至珠光体片层因不能分辨而呈黑色。
4、莱氏体（Ld'）莱氏体在室温时是珠光体和渗碳体所组成的机械混合物。
其组织特征是在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体。
二、铸铁与石墨化1.石墨化的三阶段：● 第一阶段：液相中析出石墨（先共晶） ● 中间阶段：奥氏体中直接析出石墨 ● 第二阶段：共析转变中析出石墨3Fe C2.相图三、各种铁碳合金在室温下的显微组织四、不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表五、实验数据六、实验数据分析1.工业纯铁在室温下具有单相铁素体的组织，显微组织中的褐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片状三次渗碳体。
铁碳合金相图及平衡组织分析
实验三铁碳合金相图及平衡组织分析一、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4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备二、实验原理通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。
按组织分区的Fe-Fe3C相图（一）铁碳合金中的几种基本相和组织（1）铁素体（F）。
它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。
具有磁性及良好的塑性，硬度较低。
用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒。
亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。
（2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%。
用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。
此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。
（3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。
由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。
因此，铁素体后，渗碳体薄。
硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。
1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。
铁碳合金平衡组织显微分析
铁碳合金平衡组织显微分析金相试样的制备一、实验目的1.熟悉金相显微试样的制备过程2.了解掌握金相显微试样的制备方法二、概述在利用金相显微镜作金相显微分析时，必须首先制备金相试样，我们在显微镜中所观察到的显微组织，是靠光线从试样观察面上的反射来实现的。
若试样观察面上的反射光能进入物镜。
我们就可以从目镜中观察到反射的象，否则就观察不到。
图2-1 光线在不同表面上的反射情况由图2-1所示可见，未经制备的试样的表面相当于无数多个与镜筒不垂直的平滑表面，这是不能成象的。
因此，我们要先把试样观察面制备成光滑平面。
但是光滑平面在显微镜下只看到光亮一片，而不能看到显微组织结构特征，故还须用一定的浸蚀剂浸蚀试样观察面，使某些耐浸蚀弱的区域不同程度地受到浸蚀而呈现微观察的凸凹不平。
这些区域的反射光线被散射而呈暗色。
由于明暗相衬，在显微观察中就能表示试试样磨面组织结构的特征了。
金相试样的制备包括试样的切取、镶嵌、磨制抛光、锓蚀等五个步骤。
1. 取样试样应根据分析目的和要求在有代表的位置上截取。
一般地说，取横截面主要观察：1、试样边缘到中心部位显微组织的变化。
2、表层缺陷的检验、氧化、过滤、折叠等。
3、表面处理结果的研究，如表面淬火、硬化层、化学热处理层、镀层等。
4、晶粒度测定等。
通过纵截面可观察：1、非金属夹杂；2、测定晶粒变形程度；3、鉴定带状组织及通过热处理消除带状组织的效果等。
试样一般可用手工切割、机床切割、切片机切割等方法截取(试样大小为φ12×12mm圆柱体或12×12×12mm的立方体)。
不论采用哪种方法，在切取过程中均不宜使试样的温度过高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。
2. 镶嵌当试样的尺寸太小(如金属丝、薄片等)时，直接用手来磨制很困难，需要使用试样夹或利用样品镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金或塑料(如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂等)中，如图2-2所示。
图2-2 试样的镶嵌（见实验室挂图）3. 磨制试样的磨制一般分粗磨和细磨两道工序。
实验一 铁碳合金平衡组织的观察与分析
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（L e）共晶白口铸铁 4.3 L e过共晶白口铸铁 4.3～6.69 L e+二次渗碳体(C I)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。
实验一 铁碳合金平衡组织的显微分析
实验一、铁碳合金平衡组织的显微分析（金相试样的制备）一实验目的：1. 掌握一般金相显微样品的制备过程和基本方法。
2. 熟悉碳钢平衡组织的显微形貌特征及识别方法。
二实验原理：金相试样加工工艺和对各种金相试样的检测，对了解金属的质量、性质是非常重要的。
金相试样的表面加工的手段方法也是各有不同。
但就我们国内金属试样的加工水平来讲，还是停留在比较原始的阶段，就工艺而言，大多数还是手工操作。
工艺流程大致是这样：砂轮片研磨（找平），降幂颗粒的砂纸研磨（3-4次），抛光腐蚀后上镜检测。
金相试样制备步骤：1、取样：从具有代表性的部位处截取直径12～15mm，高12～15mm的圆柱体或边长为12～15mm的方形试样。
例如，检验表面脱碳层的厚度应取横向截面、观察纵裂纹就要取纵向截面。
截取时应保证试样表面的显微组织不发生变化。
用手锯、机床截取、线切割等，但必须注意的是在取样过程中要防止试样受热或变形而引起的组织变化，破坏了其组织的真实性。
为防止受热可在截取过程中用冷却液冷却试样。
金相试样的尺寸要便于手握持和易于磨制，常用的试样尺寸为：Φ12×10或12×12×10，如果不是观察表面组织，可以倒角便于磨制。
根据需要，例如观察表面渗碳层的厚度，为防止在磨制过程中发生倒角，应采用镶嵌法，把试样镶嵌在热塑性塑料或热固性塑料中。
2、镶嵌：比较小或形状不规则的试样，可以镶嵌在低熔点合金或塑料中，以便于磨制和抛光。
3、磨制：截取好或镶好的试样首先在砂轮机上进行粗磨，尽量磨平，同时试样的棱角要倒圆；然后用2#、11/2#、1#等粗砂布和w28、w20、w14、w10、w7、w5金相砂纸按顺序逐级进行磨制，这样砂布或砂纸上的磨粒与试样表面产生的磨痕随着磨粒的减小而变小，直至磨平。
磨制时，当试样表面只有与磨制方向一致的磨痕时，才能更换较细粒度的砂纸（见图2、图3），每次更换砂纸磨制时，试样磨制方向应转90°，这样才能看出上次较粗的磨痕是否磨去。
实验五++铁碳合金平衡组织的观察与分析
实验五铁碳合金平衡组织的观察与分析一、实验目的1．熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。
2．了解由平衡组织估算亚共析钢含碳量的方法。
二、实验说明研究铁碳合金的平衡组织是分析钢铁材料性能的基础。
所谓平衡组织，是指合金在极其缓慢冷却条件下得到的组织。
如图5-1所示。
图5-1 Fe—Fe3C平衡组织相图由Fe—Fe3C相图可以看出，铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体、渗碳体[由分从液体中直接析出的一次渗碳体（Fe3CⅠ）；从奥氏体中析出的二次渗碳体（Fe3CⅡ）；从铁素体中析出的三次渗碳体（Fe3CⅢ）]两个基本相所组成，但对不同含碳量的铁碳合金，由于铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件、形态与分布不同，从而使各类铁碳合金在显微镜表现出不同的组织形貌。
1．工业纯铁工业纯铁是指含碳量低于0.02％的铁碳合金，其显微组织由铁素体和三次渗碳体所组成。
经4%硝酸酒精溶液浸蚀后铁素体晶粒呈亮白色块状，晶粒和晶粒之间显出黑线状的晶界。
三次渗碳体呈不连续的小白片位于铁素体的晶界处。
2．共析钢共析钢是指含碳量0.77％的铁碳合金。
共析钢的显微组织全部由珠光体组成。
在平衡条件下，珠光体是铁素体和渗碳体的片状机械混合物，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，其铁素体和渗碳体均为亮白色；在较高放大倍数时（600×以上），能看到珠光体中片层相同的宽条铁素体细条渗碳体，且两者相邻的边界呈黑色弯曲的细条。
由于珠光体中铁素体与渗碳体的相对量相差较大，按照杠杆定律可计算出两者相对量的比约为8∶1，从而形成了铁素体片比渗碳体片宽的多的特征。
在中等放大倍数下（400×左右），因显微镜的分辨能力不够，珠光体中的渗碳体两侧边界合成一条黑线。
在放大倍数更低的情况下（200×左右），铁素体与渗碳体的片层都不能分辨，此时珠光体呈暗黑色模糊状。
3．亚共析钢亚共析钢是指含碳量为0.02~0.77％之间的铁碳合金。
亚共析钢的显微组织是由先共析铁素体（呈亮白色块状）与珠光体（呈暗黑色）组成。
铁碳合金和铸铁显微组织观察
亚共析钢组织
过共析钢组织
过共晶白口铸铁组织
亚共晶白口铸铁组织
共晶白口铸铁组织
试验四：铸铁旳显微组织观察
一、试验目旳 观察与分析各类铸铁旳显微组织特征，辨认石
墨形态与详细类型，了解铸铁力学性能与组织间旳 关系。 二、试验内容与措施
在金相显微镜下观察多种铸铁旳显微组织，分 辨多种灰铸铁旳基体类型及石墨旳形态、大小、数 量与分布。并绘出多种铸铁旳显微组织示意图。
遇到试样），然后相反转动粗调焦手轮调整焦距，当视场亮度 增强时改用微调焦手轮，直至物象清楚为止。
4）调整孔径光栅和视场光栅，使物象质量最佳。 5）观察试样完毕，应立即关灯，以延长灯泡使用寿命。
（2）金相显微镜旳维护 1）细心操作，不许自行拆卸光学系统。
2）显微镜镜头及试样观察面禁止手接触，若镜 头中有灰尘可用镜头纸或软毛刷轻擦拭。
试验三：铁碳合金平衡组织观察与分析
一、试验目旳 1．进一步熟悉Fe—Fe3C相图，了解不同成份旳 铁碳合金在平衡状态下旳显微组织特征。 2．分析碳钢旳含碳量与其平衡组织间旳关系。 3．加深对平衡状态下铁碳合金旳成份、组织、性 能间关系旳了解。
二、试验原理
利用金相显微镜观察和研究金属内部旳组织和 缺陷旳措施称为显微分析。
珠光体 + 二次渗碳体 珠光体 + 二次渗碳体
+ 莱氏体 莱氏体
过晶白口铸铁
4.30-6.69
莱氏体 + 二次渗碳体
工业纯铁旳显微组织
20钢旳显微组织
45钢旳显微组织
45钢旳显微组织
65钢旳显微组织
T8钢旳显微组织
T8钢旳显微组织
T12钢旳显微组织
T12钢旳显微组织
亚共晶白口铁旳显微组织
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实验五铁碳合金的显微组织及分析
一、实验目的
1、进一步熟悉Fe-Fe3C相图。
2、掌握各相和组织组成以及它们的金相形貌特征（珠光体、铁素体、渗碳体、莱氏体等）。
3、掌握共晶、亚共晶、过共晶白口铸铁的显微组织特征（莱氏体、变态莱氏体，一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体的形成与形貌特点；高温奥氏体转变所得室温产物等)。
4、了解碳含量对各相及组织组成物的形貌和相对量的影响。
二、实验原理简介
1、铁碳合金相图
2、根据组织特征，将铁碳合金按含碳量化分为七种类型：
（1）工业纯铁(< 0.0218%C)；
（2）亚共析钢(0.0218-0.77%C)；
（3）共析钢(0.77%C)；
（4）过共析钢(0.77-2.11%C)；
（5）亚共晶白口铸铁(2.11-4.30%C)；
（6）共晶白口铸铁(4.30%C)；
（7）过共晶白口铸铁(4.30-6.69%C)。
三、实验内容及步骤
实验内容：
1、白口铁凝固组织的观察与分析。
注意：
（1）三次渗碳体的形成及辨认；
（2）网状铁素体与渗碳体的区分；
（3）含碳量对铁素体形态及分布的影响；
（4）二次渗碳体的分布特点，最大析出量。
2、钢的平衡组织及含碳量的影响（固态转变组织）。
注意：
（1）三次渗碳体的形成及辨认；
（2）网状铁素体与渗碳体的区分；
（3）含碳量对铁素体形态及分布的影响；
（4）二次渗碳体的分布特点，最大析出量。
实验步骤：
1、用低倍观察组织的全貌，了解一般规律。
2、用高倍对某相或某些细节仔细观看，找出特点，了解特殊规律。
3、有了该组织的基本形貌特征概念后，画出观察到的组织。
四、实验仪器及设备
1、光学显微镜；
2、标准样品：纯铁、20钢、60钢、T8共析钢、T12钢；亚共晶、共晶、过共晶白
口铁。
五、实验结果
（见附图。
）
六、分析和讨论
图1：工业纯铁，白色等轴多边形晶粒为铁素体，黑色线条为铁素体边界。
图2：20钢，白色晶粒为铁素体，黑色块状为珠光体。
因放大倍数较低，珠光体中的层状结构未能显示出来，故呈黑色块状。
图3：45钢，白色块状为铁素体，黑色块状为珠光体。
因放大倍数较低，珠光体中的层状结构未能清晰显示出来，故呈黑色块状。
图4：T12钢，基体为层状珠光体，晶界上的白色网络为二次渗碳体。
图5：共晶白口铸铁，变态莱氏体中白色基体为渗碳体（共晶渗碳体和二次渗碳体），黑色圆粒及条状为珠光体。
图6：过共晶白口铸铁，基体为黑白相间分布的变态莱氏体，白色板条为一次渗碳体。
由图1、2、3可发现，随着碳含量的增加，显微组织中珠光体的相对量增加。
七、思考题
1、怎样鉴别0.7wt%C 合金的网状铁素体和1.3wt%C 合金的网状渗碳体？
答：网状铁素体或网状渗碳体最简便的方法用化学试剂侵蚀法：碱性苦味酸钠水溶液，将被测试样浸入其中煮沸5min左右，取出水冲干净并吹干，若白色网变为黑色或更深的黑色，则确定为渗碳体，若其颜色不变仍呈白色（不受浸蚀）为铁素体相。
2、冷却速度对组织形貌和相对量有无影响？并举例说明。
答：冷却速度影响铸铁的石墨化,快的冷却速度则为白口化,慢的冷却速度则为石墨化。
例如，铸铁的冷却速度主要决定于铸件的的壁厚和铸型的材料，所以不同壁厚和铸型材料的铸铁其组织形貌以及相对量不同。
八、实验总结
通过本次实验，我进一步熟悉了铁碳合金相图中的相关知识，了解了各相和组织组成以及它们的金相形貌特征，比如珠光体、铁素体、渗碳体、莱氏体等。
同时，我还亲自观察到了共晶、亚共晶、过共晶白口铸铁的显微组织特征并了解到了碳含量对各相及组织组成物的形貌和相对量的影响
通过对实验结果的分析，我进一步巩固了自己读相图、分析条件、得出结论的本，巩固了课堂上所学，锻炼了手绘金相组织的能力。
当然，这次的实验仅仅是一种粗糙的观察，在以后的学习以及研究生活中，我们还得通过对显微组织的观察来分析，找出缺陷原因并加以改进，才能得到满意的产品。
2012.11.15。