铁碳合金平衡组织观察分析
一、实验目的
1．认识不同成分的铁碳合金在平衡状态下的组织形态,了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质,形态及分布持征；
2．加深理解铁碳合金的化学成分-组织-性能之间的关系；
3．分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响。
二、设备仪器 1．金相显微镜； 2．金相图谱；
3．各种铁碳合金的显微样品（见表1）。 三、试验原理
图1 Fe-Fe3C相图
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（如图1所示）。
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）和渗碳铁（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数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。
用浸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组成物。 （1）铁素体（F）——在碳在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等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分析；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。
（2）渗碳体（Fe3C）——是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.67%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能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。按照成分和形成条件的不同，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，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）——是铁素体和渗碳体的机械混合物，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（如图2所示）。在高倍放大时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，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。
（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%的共晶白口铸铁在1147℃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，并在723℃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相间地分布着暗黑色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。莱氏体的金相特征可参看图7。
根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。 1．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，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。图3所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基底则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界可处以看
到不连续的薄片状三次渗碳体。 2．钢 1）亚共析钢
亚共析钢的含碳量在0.02%～0.8%范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成。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地增多，两者的相对量可由杠杆定律求得。
另外，也可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算钢的碳含量，即碳含量≈P×0.8%，其中P为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢的含碳量C%=0.4%（室温下铁素体含碳量极微，约为0.008%，可忽略不计），即相当于40钢。
图4所示为亚共析钢（20钢和45钢）的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。 2）共析钢
含碳量为0.8%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成。 3）过共析钢
含碳量超过0.8%的碳钢称为过共析钢，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。
图5表示含碳量为1.2%的过共析钢的显微组织。组织形态为层片相间的珠光体和细小的网络状渗碳体，经硝酸酒精溶液浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体呈白色细网状，如图5（a）所示；若采用苦味酸钠溶液浸蚀，渗碳体就被染成黑色，而铁素体仍保留白色，如图5（b）所示。 3．铸铁
1）亚共晶白口铸铁
含碳量＜4.3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体，如图6所示。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状莱氏体。 2）共晶白口铸铁
共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经浸蚀后，在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色。如图7所示。 3）过共晶白口铸铁
含碳量大于4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白粗大条片状的一次渗碳体，如图8所示。
图2 不同放大倍数下的珠光体显微组织
。
图3 工业纯铁显微组织
(a)20钢 （100×） (b)45钢（100×）
图4 亚共析钢显微组织
浸蚀剂： 4%硝酸酒精溶液 浸蚀剂： 碱性苦味酸钠溶液
图5 过共析钢显微组织
图6 亚共晶白口铸铁显微组织 图7 共晶白口铸铁显微组织
图8 过共晶白口铸铁显微组织
四、实验步骤
1．实验前学生应复习讲课中有关部分并阅读实验指导书，为实验做好理论方面的准备。 2．在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定其所属类型。
3．绘出所观察到的显微组织图。画图时应抓住组织形态的特征，并在图中表示出来。 4．算出20号钢的金相组织中珠光体所占的面积百分数。 五、实验报告要求（记录、计算及数据处理） 1．明确本次实验目的。
2．画出所观察样品的显微组织示意图，用箭头和代表符号标明各组织组成物，并注明材料牌号、浸蚀剂和放大倍数等。
3．根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能影响的规律。 4．算出20号钢的金相组织中珠光体所占的面积百分数。
表1 几种铁碳合金的显微样品
编号 1 样品材料 工业纯铁 处理工艺 退火状态 浸蚀剂 4%硝酸酒精 组织名称及特征 铁素体（呈等轴晶粒）和微量三次渗碳体（薄片状） 2 20钢 退火状态 4%硝酸酒精 铁素体（呈块状）和少量珠光体 3 45钢 退火状态 4%硝酸酒精 铁素体（呈块状）和相当数量的珠光体 4 65钢 退火状态 4%硝酸酒精 铁素体（呈块状）和较多数量的珠光体 5 T8 退火状态 4%硝酸酒精 铁素体（宽条状）和渗碳体（细条状）相间交替排列 6 T12 退火状态 4%硝酸酒精 珠光体（呈浅色基底）和细网络状二次渗碳体 7 8 共晶白口铁 亚共晶白口铁 铸造状态 铸造状态 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 莱氏体，即珠光体（黑色细条及斑点状）和渗碳体（亮白色） 珠光体（呈黑色枝晶状）、莱氏体（斑点状）和二次渗碳体（在枝晶周围） 9 过共晶白口铁 铸造状态 4%硝酸酒精 莱氏体（暗色斑点）和一次渗碳体（粗大条片状）