实验四 铁碳合金的平衡组织观察

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、实验原理碳钢合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。

碳钢合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态）所得到的组织，其相变过程均按相图进行，因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织。

如图1所示，含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％的合金为白口铸铁。

所有碳钢C）这两个基本相所和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体（F）和渗碳体（Fe3组成。

只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量及分布形态有所不同，因而呈不同的组织形态。

图1铁碳平衡组织图1）铁素体碳溶于α-Fe晶格问隙中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。

其组织和性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，而强度与硬度较低。

C。

2）渗碳体渗碳体是碳和铁以一定比例化合成的金属化合物，用分子式Fe3硬度高（HBW=800)，塑性和冲击韧度几乎为零，脆性很大。

3）珠光体由铁菜体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P表示。

其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

4）莱氏体是铁碳合金中的共晶混合物，即碳的质量分数（含碳量）为4.3%的液态铁碳合金，在1480摄氏度时，同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。

由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，故在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体组成。

为区別起见将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体（Ld)，727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体(L'd)。

莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高塑性差。

三、实验材料材料名称成分处理过程浸蚀剂工业纯铁<0.02％ C 退火4％ HNO 3 酒精溶液亚共析钢0.2％ C 退火4％ HNO 3 酒精溶液亚共析0.4％ C 退火4％ HNO 3 酒精溶液共析钢0.8％ C 退火4％ HNO 3 酒精溶液过共析钢 1.0％ C 退火4％ HNO 3 酒精溶液1.2％ C过共析钢 1.2％ C 退火碱性苦味酸钠亚共晶白口铁C<4.3％铸态4％ HNO 3 酒精溶液共晶白口铁C=4.3％铸态4％ HNO 3 酒精溶液过共晶白口铁C>4.3％铸态4％ HNO 3 酒精溶液四、组织观察1）工业纯铁（C<0.02％) ，显微组织是单相铁素体（F），如图1。

钢铁合金平衡组织的观察与分析实验目的实验说明实验内容实验方法指导实验报告要求思考题一：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)了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。

(3)进一步熟悉金相显微镜的使用。

二：实验说明碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系。

因此，熟悉并掌握它们的组织是对钢铁材料使用者最基本的要求。

1．碳钢和白口铸铁的平衡组织平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下(如退火状态)所得到的组织。

铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe—Fe3C相图来分析。

从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体(F)和渗碳体(C)组成。

但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。

碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表1。

表1各种铁碳合金在室温下的显微组织2．各种相组分或组织组分的特征碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其组织中各相组分和组织组分的形状和性能如下：铁素体：铁素体经w(HNO3)=3％~5％酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白亮色多边形晶粒，如图1所示。

随着钢中碳质量分数的增加，铁素体质量分数减少，当其质量分数较多时呈块状分布(图2)，碳质量分数接近共析成分时往往呈断续的网状分布在珠光体的周围。

铁素体具有良好的塑性和韧性，但硬度较低，一般为80~120 HBS，强度也较低。

图1 工业纯铁的显微组织图2 w(C)=0.45%碳钢的显微组织渗碳体：渗碳体经w(HNO3)=3~5%酒精溶液浸蚀后，也呈白亮色。

一次渗碳体呈长条状分布在莱氏体之间，如图3所示；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上，如图4所示；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状，如图5、图6所示。

图3 过共晶白口铸铁组织中的一次渗碳体图4 过共析钢(w(C)=1.2%)组织中的二次渗碳体图5 中倍下的珠光体图6 高倍下的珠光体铁素体和渗碳体经w(HN03)=3％~5％酒精溶液浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则渗碳体被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。

铁碳合金平衡组织观察铁碳合金是一种重要的金属材料，具有广泛的应用前景。

铁碳合金的平衡组织观察是了解其性质和应用的基础。

本文对铁碳合金平衡组织观察进行详细的介绍，包括铁碳相图、铁碳合金平衡组织的表征方法和其微观结构。

一、铁碳相图铁碳相图是用来描述铁碳合金在不同温度下的相组成和组织形态的图表。

在铁碳相图中，纵坐标代表温度，横坐标代表碳的含量。

铁碳相图的铁基部分是由α铁和γ铁组成的固溶体区域，随着温度的升高，γ铁的比例逐渐增加。

铁碳相图中还包括铁碳化合物的区域，包括Fe3C和Fe2C两种化合物。

Fe3C是铁碳化合物中最重要的一种，也是铁碳相图中最重要的一个组成部分之一。

在铁碳相图中，α铁和Fe3C之间的线称为共析线，表示这两种组成的混合物在一定温度下达到平衡，形成的组织为珠光体。

铁碳相图中还包括了一些其他的组织形态，例如珠光体+渗碳体的奥氏体、珠光体+耐热铁素体的混合组织等。

铁碳合金的平衡组织表征方法包括金相分析、显微组织分析和扫描电子显微镜分析。

其中，金相分析是最常用的方法。

金相分析需要进行金相样品的制备，首先是将样品打薄或抛光，使其表面光滑，然后进行腐蚀，使得组织结构得以显现。

显微组织分析可以增加对样品的了解和理解，对于铁碳合金的深入研究非常有帮助。

扫描电子显微镜分析可以进行更为精细的结构分析，可以分析材料中微观结构的分布和组成，对铁碳合金的机械性能和工艺制备有较大的帮助。

铁碳合金的平衡组织中，包含了多种微观结构，其中最为重要的是珠光体、渗碳体和贝氏体。

珠光体是铁碳合金中最为普遍的组织形态，其由铁素体和Fe3C交替构成，呈现出光泽和条纹状。

渗碳体是由碳元素在铁中扩散形成的一种组织形态，通常出现在低碳铁碳合金中，具有均匀光泽。

贝氏体是由铁素体和Fe3C组成的一种组织形态，常常出现在高碳铁碳合金中，具有相对较大的强度和韧性。

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。

铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1、观察和识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织；2、了解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、性能之间的相互关系；3、熟悉金相显微镜的使用。

二、实验原理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。

铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织。

铁碳合金其组织组成物为铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）及莱氏体（Ld），它们的形貌因含碳量不同而改变。

按其含碳量与平衡组织的不同，可分为工业纯铁，碳钢及白口铸铁3类。

1. 工业纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组织。

含碳量小于0.0218%的铁碳合金通常称为工业纯铁。

它是两相组织，即由F和少量Fe3C组成。

从显微组织可见，F为亮白色的不规则等轴晶粒，黑色线条是F的晶界。

2.碳钢碳钢含碳量在0.0218%~2.11%范围内的铁碳合金称为碳钢。

按其含碳量与平衡组织的不同，可分为亚共析碳钢，共析碳钢和过共析碳钢3种。

(1)亚共析钢：含碳量在0.0218%~0.8%范围，其组织有F和P所组成。

随着含碳量的增加，P的数量增多，F的数量减少，P为F片和Fe3C片相间组成，显片层状。

经浸蚀（本实验所用浸蚀剂均为3%硝酸酒精溶液）后在显微镜下观察P呈黑色，F为白色。

(2)共析钢：含碳量为0.8%的碳钢称为共析钢，它由单一的P组成。

在显微镜下观察组织全部为层状P，它是F和Fe3C的共析组织。

(3)过共析钢：含碳量在0.8%~2.11%范围，其组织由P和Fe3CⅡ组成。

钢中的含碳量越多，Fe3CⅡ的数量越多。

在显微镜下观察基体为层状P呈黑色，晶界上的白色细网络状为Fe3CⅡ。

3.白口铸铁白口铸铁是含碳量为2.11%~6.69%范围内的铁碳合金，按其含碳量及平衡组织的不同，又可分为亚共晶白口铸铁，共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁3种。

铁碳合金平衡组织的显微分析铁碳合金是由铁和碳构成的合金，是工业中广泛应用的重要材料之一、铁碳合金的组织特点对其力学性能和热处理性能具有重要影响。

因此，对铁碳合金的显微组织进行分析是非常重要的。

铁碳合金的显微组织分析主要包括光学显微镜和扫描电子显微镜两种方法。

下面将结合这两种方法对铁碳合金的平衡组织进行分析。

铁碳合金的平衡组织主要包括珠光体、渗碳体和残余奥氏体。

光学显微镜是一种常见的显微分析方法，通过对样品进行打磨、腐蚀和显微观察，可以清晰的观察到铁碳合金的组织特征。

首先，通过光学显微镜观察，可以明显看到铁碳合金的珠光体组织。

珠光体是一种石墨化的组织，由球状的珠粒组成。

珠光体的颗粒大小和分布情况对铁碳合金的力学性能和热处理性能有着重要的影响。

接下来，通过光学显微镜还可以观察到渗碳体的存在。

渗碳体是一种碳在铁中的溶解度有限的组织，它以板状或带状的形式分布在铁基体中。

渗碳体的含量和分布情况对铁碳合金的硬度和耐磨性能有着重要的影响。

此外，在光学显微镜下还可以观察到残余奥氏体的存在。

残余奥氏体是在快冷过程中不能完全转变为珠光体的奥氏体。

其含量和分布情况对铁碳合金的韧性和硬度也有一定的影响。

然而，光学显微镜只能观察到宏观组织，对于一些细小的组织特征无法进行观察和分析。

这时候就需要扫描电子显微镜(SEM)来进一步分析。

扫描电子显微镜是一种表面观察的显微镜，通过扫描样品表面并感应到样品表面反射的电子来形成影像。

它具有高分辨率和高放大倍数的优点，可以观察到铁碳合金的细小组织特征，如碳化物颗粒的形状和分布情况。

通过扫描电子显微镜观察，可以发现铁碳合金中的碳化物颗粒往往呈片状或者棒状，并分布在铁基体中。

碳化物颗粒的形状和分布对铁碳合金的硬度和耐蚀性有着重要的影响。

除了显微镜分析外，还可以使用X射线衍射(XRD)和电子探针X射线显微镜(EPMA)对铁碳合金的组织进行分析。

XRD可以用于定性和定量分析组织相的成分和含量，而EPMA则可以用于元素的定量分析和元素的分布状况。

铁碳合金平衡组织观察铁碳合金是一种重要的工程材料，其平衡组织对其性能起着至关重要的影响。

平衡组织观察是通过对铁碳合金样品进行显微镜观察，以了解其组织结构和相变规律的研究方法。

铁碳合金的平衡组织主要包括铁素体、珠光体和渗碳体。

铁素体是铁碳合金中最基本的组织，其由纯铁和少量的碳组成，具有良好的塑性和韧性。

珠光体是一种由铁素体和碳化物组成的复合组织，具有较高的硬度和强度。

渗碳体是一种碳浓度较高的组织，具有较高的硬度和耐磨性。

铁碳合金的平衡组织观察可以通过金相显微镜和扫描电子显微镜等设备进行。

在观察过程中，需要对样品进行精细的制备和腐蚀处理，以便清晰地观察到各个组织相的形貌和分布情况。

铁碳合金的平衡组织观察可以帮助我们了解其相变规律和力学性能。

在加热过程中，铁碳合金会经历铁素体→奥氏体→珠光体→渗碳体的相变过程。

相变过程中伴随着晶粒的长大、相界面的变化和碳的扩散等现象，这些变化对材料的力学性能和使用性能产生重要影响。

通过平衡组织观察，我们可以了解到不同碳含量下的铁碳合金的组织结构差异。

当碳含量较低时，铁碳合金主要由铁素体组成，具有良好的塑性和韧性；当碳含量逐渐增加时，珠光体的含量逐渐增加，硬度和强度也逐渐提高；当碳含量进一步增加时，渗碳体开始出现，材料的硬度和耐磨性显著提高。

平衡组织观察还可以帮助我们了解不同热处理条件下铁碳合金的组织演变规律。

通过控制加热温度、保温时间和冷却速率等参数，可以使铁碳合金的组织发生相应的变化。

例如，快速冷却可以使铁碳合金中的珠光体相转变为奥氏体相，从而提高材料的硬度和强度；而缓慢冷却则有利于珠光体相的形成，提高材料的韧性和可加工性。

铁碳合金平衡组织观察是研究铁碳合金组织结构和相变规律的重要手段。

通过对铁碳合金样品的显微镜观察，可以了解不同碳含量和热处理条件下的组织演变规律，为优化铁碳合金的制备工艺和改善其性能提供科学依据。

实验5. 铁碳合金显微组织的观察与分析Fe-Fe3C相图是研究碳钢和白口铸铁的重要工具，也是分析这些在平衡状态或接近平衡状态下显微组织的基础。

根据Fe-Fe3C相图，含碳量小于2.11%的合金称为碳钢，含碳量大于2.11%的合金称为白口铸铁。

在室温下铁碳合金的基本组成相为铁素体与渗碳体，不同含碳量的合金，在组织上差异是这两个基本的相对量、形态及分布不同。

在铁碳合金中渗碳体的相对量，存在形态以及分布状况，对合金的性能影响很大，在碳钢中渗碳体一般可以认为是一个强化相。

见图9-1。

图9-1 按组织分区的Fe-Fe3C相图一、工业纯铁在退火状况下的显微组织含碳量低于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。

工业纯铁在含碳量小于0.008%时，其显微组织为单相铁素体。

如图9-2所示。

图中有的晶粒呈暗色，这是由于不同晶粒受腐蚀的程度不同造成的。

在含碳量大于0.008%时，工业纯铁的组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。

三次渗碳体由铁素体中析出，沿铁素体晶界呈片状分布。

二、碳钢在退火状态下的显微组织含碳量在0.0218~2.11%范围的铁碳合金称为碳钢。

碳钢按含碳量与平衡组织的不同可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。

1．亚共析钢含碳量在0.0218~0.77%之间的铁碳合金称为亚共析钢，所亚共析钢冷却到室温后显微组织均为先共析铁素体和珠光体组成。

随着含碳量的增加珠光体所占的比例也不断增加，当增加到0.77时(铁素体在珠光体周围呈网状分布)，整个组织为珠光体。

用显微镜观察放大倍数低于400×时，先析出铁素体呈亮白色，珠光体呈暗黑色如图9-3所示。

由于铁素体和珠光体比重相近，若忽略铁素体中所含的微量碳，根据杠杆定理和亚共析钢显微组织中先共析铁素体与珠光体所占的相对面积，就可以估算出该钢的含碳量。

例如：当不珠光体和铁素体的面积各占一半时，钢的含碳量为0.77%0.50.4%⨯≅，由此可定此钢为40#碳素钢。

但须注意，如果亚共析钢从奥氏体相区以较快的速率冷却下来，而因共析转变时过冷度增大，共析体含碳量偏低，故其显微组织中珠光体的含量就要比缓冷时增加，此时若仍用上述方法来估算出的结果其含碳量将会偏高。

铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1、观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

2、分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。

二、概述基本概念：相组成物、组织组成物相组成物—组成显微组织的基本相，有确定的成分及结构，但没有形态上的概念。

铁碳合金有两个基本相即铁素体F和渗碳体Fe3C。

组织组成物—在结晶过程中形成的有清晰轮廓的独立组成部分。

经硝酸酒精溶液浸蚀的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有如下几种基本组织组成物。

(1)铁素体（F）—是碳在a-Fe中的固溶体。

铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。

用3%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，如工业纯铁；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体呈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，其含碳量为6.67%，质硬而脆，耐蚀性强，经硝酸酒精溶液浸蚀后，呈亮白色。

按照成分和形成条件的不同，渗碳体呈现不同的形态：一次渗碳体是直接从液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布，室温下分布于珠光体周围；三次渗碳体是由铁素体中析出的，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。

(3) 珠光体（P）—是铁和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况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。

高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可得到球状珠光体。

(4)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%的共晶白口铁在1147ºC 时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并哉723ºC以下分解为珠光体。

莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。