工程材料及其成型技术
实验指导书
材料科学与工程教研室
辽宁工业大学 2017年8月
1
目 录
实验一 铁碳合金平衡组织观察…………………………… 1 实验二 碳钢的热处理及硬度测定……………………………7 实验三
11 2
常用钢、铸铁和有色合金显微组织观察……………实验一 铁碳合金平衡组织观察
一、 实验目的
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特征。 2、 了解铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布规律。 3、 分析并掌握平衡状态下铁碳合金的成分与组织、性能之间的关系。
二、 实验设备及样品
1、金相显微镜（XJP—3C型）若干台； 2、投影仪一台。
3、典型铁碳合金平衡组织试样若干块。
三、 实验内容及原理
钢和铸铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系。熟悉并掌握铁碳合金的平衡组织，对于合理使用钢铁材料具有十分重要的意义。
1、 纯铁、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（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根据Fe－FeC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）相和渗碳体（FeC）相所组成。但是，由于碳含量的不同，结晶条件的差别，铁素体和渗碳体相的相对数量、形态、分布和混合情况不一样，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。
3
表--1 典型铁碳平衡组织金相试样的材料、工艺及组织
编号 1 2 3 4 5 6 7 典型试样 工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 处理状态 退火 退火 退火 退火 铸造 铸造 铸造 显 微 组 织 铁素体（F）+三次渗碳体（Fe3CⅢ） 铁素体（F）+片状珠光体（P） 片状珠光体（P） 片状珠光体（P）+二次渗碳体（Fe3CⅡ） 珠光体+二次渗碳体+莱氏体（Ld′） 莱氏体（Ld′） 莱氏体（Ld′）+ 一次渗碳体（Fe3CⅠ）
, ,铁碳合金平衡组织随含碳量的不同可分为七类：
（1）、工业纯铁 含碳量≤0．0218 的铁碳合金为工业纯铁,其平衡状态的显微组织为大量铁素体和极少量的三次渗碳体。铁素体呈不规则白色块状，三次渗碳体呈角块状或条状分布在铁素体晶界上。
（2）、亚共析钢 含碳量在0．0218～0．77之间的铁碳合金为亚共析钢，其室温平衡组织为铁素体和珠光体。显微镜下铁素体呈白色块状，珠光体呈黑色块状。随含碳量的变化，铁素体与珠光体的相对量也发生变化，碳含量为Wc0.65%的亚共析钢,其平衡组织中的F常呈白色网状包围在P周围。
（3）共析钢 碳含量为0.77的铁碳合金是共析钢，其室温平衡组织全部为珠光体。珠光体是由铁素体片与渗碳体片相互交替排列形成的片层状组织，在电镜下其片层组织形貌清晰可见。在光学显微镜下，高倍观察时可见其片层形貌，低倍下观察，由于显微镜的分辨率低，珠光体呈黑色块状。
（4）过共析钢 碳含量在0.77～2.11之间的铁碳合金为过共析钢，其室温平衡组织为二次渗碳体和珠光体，二次渗碳体呈白色网状分布在珠光体周围。
（5）亚共晶白口铸铁 碳含量在2.11～4.3之间的铁碳合金为亚共晶白口铸铁,其室温平衡组织是P+Fe3CⅡ+Ld′。粗大黑色的P呈树枝状分布，白色的Fe3CⅡ围绕在粗大
4
的P周围，显微镜下无法与Ld′基体分清，Ld′则是由条状或粒状P和Fe3C基体组成。
（6）共晶白口铸铁 碳含量为4.3的铁碳合金是共晶白口铸铁，室温平衡组织全部为Ld′。Ld′是P和Fe3C的机械混合物，即由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。 （7）过共晶白口铸铁 碳含量为4.3～6.69的铁碳合金是过共晶白口铸铁，室温平衡组织为莱氏体（Ld′）+ 一次渗碳体（Fe3CⅠ）。FeC呈白色条带状分布在Ld′基体上。
2、 两种组成相的显微特征
（1）铁素体（F） F是碳溶于 α－Fe的间隙固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度较底，一般为80～120HB，经3%～5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白色晶粒。随着钢中碳含量的增加，铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状分布。当钢中碳含量接近共析成分时，铁素体往往成断续的网状，分布于珠光体的周围。
（2）渗碳体（Fe3C） 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%硝酸酒精溶液侵蚀后呈百亮色（如用碱性苦味酸钠溶液浸蚀后，Fe3C则成黑色）。一次渗碳体（Fe3C?）是直接从液体中析
出的，呈长白条状，分布在莱氏体之间。二次渗碳体（Fe3CⅡ）是由奥氏体中析出的，数量较少。（Fe3CⅡ）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。三次渗碳体（Fe3CⅢ）是由铁素体中析出的，数量极少，往往予以忽略。珠光体中的共析渗碳体呈片状，它使珠光体的强度较高。莱氏体中的共晶渗碳体作为莱氏体的基体，使莱氏体的硬度高、脆性大、塑性极差。
（3）亚共析钢的碳含量和性能的估算
亚共析钢的室温平衡组织为F+P。随着碳含量的增加，F的含量逐渐减少，P的含量逐渐增加。亚共析钢的碳含量可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计，
5
工程材料实验指导书
