实验报告
铁碳合金平衡组织观察和分析
一、实验目的
1.了解并熟悉金相显微镜的使用方法
2.通过观察和分析,熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
3. 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。加深对铁碳合金的成分、组织和性能之间关系的理解。
二、实验内容
1. 观察表中所列金相样品的显微组织,研究每一个样品的组织特征,并联系铁碳相图分析其组织形成过程。
三、实验报告要求
1.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,并注明试样编号、材料名称、热处理状态、放大倍数和浸蚀剂。。
2.根据所观察的组织,说明碳含量对铁碳含金的组织和性能影响的大致规律。
四、思考题
渗碳体有哪几种?它们的形态有什么差别?
附录二 金相试样的制备
金相样品的制备一般包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。现简述如下:
一、 取样和镶嵌
取样部位及观察面的选择,必须根据被分析材料或零件的失效分析特点、加工工艺的性质,以及研究目的等等因素来确定。
进行失效分析研究时,应在失效部位完整地取样。
对于轧材,研究非金属夹杂物的分析和材料表面缺陷时,应垂直于轧制方向(即横向)取样;研究夹杂物的类型、形状、材料变形度、带状组织等时,应平行于轧制方面上(即纵向)取样。
对热处理后的零件,因为组织较均匀可任意选择取样部位和方向;对于表面处理过的零件,在表面部位取样,要能较全面地观察到整个表面层的变化。
取样时要注意方法,要避免因取样导致观察面的组织变化。一般软材料可用锯、车等方法;硬材料可用水冷砂轮切片机场割或电火花线切割;硬而脆的材料则可用锤击;大件可用氧割。等等。
试样大小一般以手拿操作方便即可(如直径10~15mm,高10mm的圆柱体)。若样品过小(如细丝、薄片)或形大辩论不规则,以及有特殊要求9例如要求观察表面组织),则必须进行镶嵌。
镶嵌方法有:低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌等,此外还可用夹肯来夹持试样。
二、磨制
软材料粗磨可用锉刀锉平,一般钢铁用砂轮机磨平,打磨时用水冷,以防温度升高引起组织变化。
细磨可用手工磨或机械磨。手工磨是在金相砂纸上研磨。国产金相砂纸按粗到细分为01、02、03、04、05等号。研究磨时依次用01号磨至05号,且每换一号砂纸时将试样转90°(即与上道磨痕方向垂直),以便观察上道磨痕是否被磨去。研究磨软材料时,可在砂纸上涂一层润滑剂,如机测、汽油、甘油、肥皂水等,以免砂粒嵌入试样表面。
为了加快研磨速度,可采用在转盘上贴上水砂纸的预磨机时行机械磨。水砂纸按粗细有200、300、400、500、600、700、800、900号等。用水砂纸盘磨样时,应不断加水冷却。同样,每换一号砂纸时试样用水冲洗干净,也调换90°方向。
三、抛光
为了使磨面成为镜面,细磨后的试样还需进行抛光。抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光等方法,其中使用最广的是机械抛光。
机械抛光在专用抛光机上进行。抛光盘上装不同材料的抛光布(粗抛时常用帆而或粗呢,精抛时沿抛光盘上不断滴注抛光液(水或,,的悬浮液)或在抛光盘上涂极细的金刚石研磨膏。试样磨面应均匀地、平正地压在旋转的抛光盘上。待试样表面磨痕全部消失且呈光亮的镜面时,抛光过程就告结束。
电解抛光是将试样放入电解槽中,作为阳极,用不锈钢板或铅板作阴极,通以直流电流,使试样表面凸起的磨痕被溶解而抛光。化学抛光是依靠化学溶液对试样表面的电化学溶解而获得抛光表面的方法。
四、浸蚀
除观察试样中的某些非金属夹杂物或铸铁中的石墨形态等情况外,金相样品在抛光后还需进行浸蚀处理。
抛光后的试样只有通过浸蚀后才使显策组织显现出来,如图3所示。金相显微镜光源的光线照到试样表面,由于有的组织或是昌界易腐蚀而呈现凹凸不平,表面与入射光线垂直的组织将大部分把光线反射回
图3 金相显微组织成像原理图
去,在显微镜视场中呈白亮状;而有些组织由于表面不垂直于入射光线,而使许多光线散射掉,只有很少的光线反射回去,在显微镜视场中呈灰暗状。由此明暗不同产生衬度而形成图象。
金属材料的常用化学浸蚀剂见表9(见下页)。
浸蚀时,可钭试样磨面浸入腐蚀剂中,也可用棉花沾浸蚀剂擦拭表面。浸蚀的深浅根据组织的特点和观察时的放大倍数来确定。高倍观察浸蚀要轻一些。一般待试样表面颜色稍发暗时间即可。浸蚀后用水冲洗,再用洒精清洗,最后用吹用机吹干或用吸水纸、棉花等吸干。
表9 常用的金相试剂
金相显微镜的使用及维护
2.研究金相显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜可分为台式、立式和卧式三大类,构造由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成。有的显微镜还附有摄影装置。现以本室使用的4X型台式金相显微镜为例加以说明。
(1)光学系统
4X型金相显微镜的光学系统如图13所示。由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径栏9,再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面,最后通过物镜平行照射到试样7的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5,由半反射镜4转向,经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实象。该象再经过目镜15的放大,就成为在目镜视物中能看到的放大映象。
图13 4X型金相显微镜的光学系统
(2)照明系统
在金相显微镜的底坐内装有一低压(6~8V、15W)灯泡作为光源,由变压器降压供电,靠调节次级电压(6~8V)来改变灯光的亮度。聚光镜,孔径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上,视场光栏及另一聚光镜则安在支架上。它们组成显微镜的照明系统,使试样表面得到充分、均匀的照明见图14。
(3)机械系统
图14 4X型金相显微镜构造
显微镜调焦装置:在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮,两者在同一部位。随粗调手轮的转动,支承载物台的弯臂作上下。运动在粗调手轮的一侧有制动装置,用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格,每一格表示物镜座上下微动0.002mm。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条白线,用以指示微动升降范围,当旋到极限位置时,微动手轮就自动被限制住,此时,不能再继续旋转而应倒转回来使用。
载物台(样品台):用于放置金相试样,载物台和下面托盘之间有导架,用手推动,可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动,以改变试样的观察位置。
孔径光栏和视物光栏:孔径光栏装在照明反射镜座上面,调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细,以保证物象达到清晰的程度。视物光栏设在物镜支架下面,其作用是控制视场范围,使目镜中视物明亮而无阴影,在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉,用来调整光栏中心。物镜转换器:转换器呈球面状,上有三个螺孔,可安装不同放大倍数的物镜,旋动转换器可使各物镜镜头进入光路,与不同的目镜搭配使用,可获得各种放大倍数。
目镜筒:目镜筒呈45°倾斜安装在有棱镜的半球形座上,还可将目镜转向90°,呈水平状态以配合照相装置进行摄影。
金相显微镜属于精密仪器,使用时务必小心谨慎,在操作前须熟悉其构造,原理及各零部件的作用,相互关系,切不可随意乱动乱折。
(1) 操作步骤:
①根据要求的放大倍数,选择物镜和目镜的倍数,将所选物镜和目镜安装于显微镜上;
② 安装是照明装置,先将显微镜光源插头接变压器,再将变压器插入电源插座。(切不可将显微镜光源插头直接插入电源插座!!否则光源灯泡烧毁);
③ 拧动镜架上的粗调手轮,将物镜抬高,把试样置于样品台上,对准物镜,检查调节滤光片、光圈、反射镜的位置,使样品台上有一明亮的小圆光点;
④ 拧动镜架上的粗调手轮,使物镜接近试样表面(切勿触及!!)
⑤ 从目镜观察,同时拧粗调手轮,使物镜由紧挨着样品表面开始慢慢向上,(切不可拧反方向,使物镜压到样品表面上,造成物镜破碎)。调到亮度最大附近就出现模糊现象,然后拧动镜架上的微调手轮,即可得清晰的物象;
⑥ 观察时,最好不要紧闭一眼,否则容易疲劳,若长时间观察眼睛感觉疲劳,可稍加休息再看;
⑦ 观察完毕或另换试样时务须将镜筒上提,时物镜抬高,然后取下或更换试样;
⑧ 显微镜用毕,切断电源,目镜置于镜盒中,套上目镜罩,用干净毛巾或显微镜罩将显微镜盖好。
(2) 维护注意事项:
① 安装,换取物镜、目镜时,切勿使镜头触及硬物,切不可失手跌落,严禁用手、毛巾、手绢、棉花或一般纸张去擦拭镜头,镜头上若有赃物油污,必须用特制的擦镜纸轻轻擦拭;
② 显微镜光源为低压电灯,必须使用固定的变压器,不得直接接220V电源;
③ 要熟悉镜筒、样品台升降手轮的拧动方向,拧动时不要用力过猛,拧不动了是拧到头了,应反向拧回,不可粗暴用力;
④ 显微镜出现故障,应立即报告指导老师或实验人员,不得擅自拆卸部件;
⑤ 不能将浸蚀后未冲洗、冲洗后未干燥的样品置于样品台上,以免显微镜头、样品台等受浸蚀。
实验项目名称: 铁碳合金平衡组织观察与分析
一、 实验目的和要求(必填)
1. 通过观察和分析,熟悉铁碳合金在平衡状态下的显微组织,熟悉金相显微镜的使用;
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. 分析并掌握平衡状态下铁碳合金的组织和性能之间的关系。
二、 实验内容和原理(必填)
2.1 概述
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,因此熟悉掌握它们的组织,对于合理使用钢铁材料具有十分重要的实际指导意义。
⑴ 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(Fe3C)所组成。但是,由于碳含量的不同,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平衡组织见表1。
表1 各种铁碳合金在室温下的平衡组织
a) 工业纯铁——室温时的平衡组织为铁素体(F),F为白色块状(如图1所示);
b) 亚共析钢——室温时的平衡组织为铁素体(F)+珠光体(P),F呈白色块状,P呈层片状,放大倍数不高时呈黑色块状(如图2所示)。 碳质量分数大于0.6%的亚共析钢,室温平衡组织中的F呈白色网状包围在P周围(如图3所示);
c) 共析钢——室温时的平衡组织是珠光体(P),其组成相是F和Fe3C(如图4、5所示);
d) 过共析钢——室温时的平衡组织为Fe3CⅡ+P。在显微镜下,Fe3CⅡ呈网状分布在层片状P周围(如图6所示);
e) 亚共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为P+Fe3CⅡ+ Ld'。Fe3CⅡ网状分布在粗大块状的P的周围,Ld' 则由条状或粒状P和Fe3C基体组成(如图7所示);
f) 共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为Ld',由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成(如图8所示);
g) 过共晶白口铸铁——室温时的平衡组织为Fe3CⅠ+ Ld', Fe3CⅠ呈长条状,Ld'则由条状或粒状P 和Fe3C基体组成(如图9所示)。
⑵ 各种组成相或组织组成物的特征
a) 铁素体(F)是碳溶于α-Fe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,一般为80HB~120HB,经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下观察呈白色晶粒,见工业纯铁的组织(如图1所示)。亚共析钢中,随着钢中碳质量分数的增加,珠光体量增加而铁素体量减少。铁素体量较多时,呈块状分布(如图2所示)。当钢中碳质量分数接近共析成份时,铁素体往往呈断续的网状,分布于珠光体的周围(如图3所示)。
b) 渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的复杂结构的间隙化合物,它的碳质量分数为6.69%,抗浸蚀能力较强。经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色。
一次渗碳体(Fe3CⅠ)是直接从液体中析出的,呈长白条状,分布在莱氏体中;二次渗碳体(Fe3CⅡ)是由奥氏体(A)中析出的,数量较少,皆沿奥氏体晶界析出,在奥氏体转变成珠光体后,它呈网状分布在珠光体的边界上。另外,经不同的热处理后,渗碳体可以呈片状、粒状或断续网状。
渗碳体的硬度很高,可达800HB以上,它是一种硬而脆的相,强度和塑性都很差。
c) 珠光体(P)是铁素体和渗碳体的共析机械混合物,它是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后,试样磨面上的条状铁素体和渗
碳体因边界被浸蚀呈黑色线条,在不同放大倍数的显微镜下观察时,具有不太一样的特征。
在600倍以上的高倍显微镜下观察时,每个珠光体团中是平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体,它们都呈白亮色,而其边界呈黑色(如图5所示)。
在400倍左右的中倍显微镜下观察时,白亮的渗碳体细条被两边黑色的边界线所“吞食”,而变成为黑条,这时所看到的珠光体是宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体相间的混合物(如图4所示)。
在200倍以下的低倍显微镜下观察时,由于显微镜的鉴别率较低,宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨,这时的珠光体是一片暗黑,成为黑块的组织。
d) 莱氏体(Ld')是一个两相组织。在727℃以上是奥氏体和渗碳体的机械混合物。在727℃时,莱氏体中奥氏体发生共析反应而变成珠光体,所以在室温时莱氏体组织是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体,两种渗碳体相连在一起,没有边界线,无法分辨开。经3%~5%硝酸酒精浸蚀后,莱氏体的组织特征是,在白亮色的渗碳体基本上分布着许多黑色点(块)状或条状的珠光体(如图8所示)。
莱氏体硬度很高,达700HB,性脆。它一般存在于碳质量分数大于2.11%的白口铸铁中,在某些高碳合金钢的铸造组织中也有出现。
在亚共晶白口铸铁中,莱氏体被黑色粗树枝状的珠光体所分割,而且可看到在珠光体周围有一圈白亮的二次渗碳体(如图7所示)。在过共晶白口铸铁中,莱氏体被粗大的白色长条状的一次渗碳体所分割(如图9所示)。
⑶ 铁素体与渗碳体的区别
铁碳合金平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。F和Fe3C经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后均呈白亮色,有时为了区别晶界网状是铁素体还是渗碳体,可用碱性苦味酸钠水溶液(2g苦味酸、25g氢氧化纳、l00ml水)煮沸15min,渗碳体被染成黑色,铁素体仍为白色(图10),这样就可区别F和Fe3C。
⑷ 亚共析钢碳的质量分数的估算
亚共析钢的碳的质量分数在0.0218%~0.77%范围内,平衡状态下组织为铁素体和珠光体,随着碳质量分数的增加,铁素体的数量逐渐减少,珠光体的数量则相应地增多,两者的质量分数可由杠杆定律求得。例如,碳的质量分数为0.45%的钢(45钢),其珠光体、铁素体的质量分数分别为:
反之,因珠光体、铁素体和渗碳体的密度相近,也可以通过在显徽镜下观察到的珠光体和铁素体各自所占面积的百分数近似地计算出钢的碳质量分数。例如,在显微镜下观察到约有50%的面积为珠光体,50%的面积为铁素体,则此钢的碳的质量分数为:
即此钢相当于40钢(铁素体在室温下碳含量极微,可忽略不计)。
2.2 实验内容
1) 学习金相显微镜的构造原理及操作使用方法。
2) 学习金相试样的制备步骤和方法。
3) 学习碳钢和白口铁金相试样的制备。
4) 利用金相显微镜进行试样组织观察与分析。
三、 主要仪器设备
金相显微镜
四、 操作方法与实验步骤
1. 观察样品的显微组织,研究每一个样品的组织特征,并联系铁碳相图分析其组织形成过程。
2. 用铅笔绘出所观察样品的显微组织示意图。画图时要抓住各种组织组成物形态的特征,并用箭头和代表符号标出各组织组成物。
五、 实验数据记录和处理
10 45
A3 HT
KT QT
T8 T12
六、 实验结果与分析(必填)
1. 根据所观察组织说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响的大致规律。
答:含碳量很低(<0.0218%)时,铁碳合金显微组织为单相铁素体,硬度、强度低,塑性、韧性好。随着含碳量的升高,强度先增大后减小,硬度增加,塑性、韧性减小。
2. 珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同? 为什么?
答:铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体。其显微结构为铁素体与渗碳体层片相间。它经溶液浸蚀后,其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色,而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。当放大倍数较高时,可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体;当放大倍数较低时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团。
七、 讨论、心得
通过本次实验,我更直观地观察了不同铁碳合金的组织结构,了解了铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征,分析并掌握了平衡状态下铁碳合金的组织和性能之间的关系。
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