《工程材料与成形技术基础》课程 实验指导书 朱凌云编 王顺花审 兰州交通大学机电工程学院 材料系 2013.05.01
实验一铁碳合金平衡组织分析 一、实验目的 L.观察和分析侠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.熟悉金相显微镜的使用。 二、概述 碳铜和特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 并举握它们的组织是对钢铁材料的使用者最基本的要求。 1,碳钢和白口铸铁的平衡组织 半衡组织一最是指合金在极为缓慢冷知的条件下（根火状态）所得到的组织。铁误合 金在平衡状态下的显微组织可以根据Fe-FCC相图来分机，如图1-l为标注组织的Fe-FcC 相图 L+8 1200 THFeC+Ld FeC+Ld S/YHFe-C 6 P+Fe.Cn P+FeC+Ld FeC+Ld' 200 Ld' P! Fe 66 图1-1标注组织的Fe-Fe.C相图 从相图可知，所有碳钢和白口待铁在室温时的显微组织均山铁素体(F)相和渗碳体杆 所组成。但是，山于碳含量的不同，结品条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、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。碳钢和白口特铁在室温下的显微组 织见表1-1 表1-1各种侠碳合金在室温下的显微组织 合金分类 碳含量(%) 显微组织 工业纯铁 <0.0218 铁素体 亚共析钢 0.0218-0.77 铁素体+珠光体 共析钢 0.77 殊光体 过共析银 07-2 珠光体 二次渗碳体 亚共品白口铸铁 2.11-4.3 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 共品白口铸铁 4.3 莱氏体 过共品白口特铁 4.3-6.69 次渗碳体+莱氏体 2 各种组成相或组织组成物的特征
(1)铁素体(F) 铁者体是碳容于a-F的隙固溶体。供素体为体心立方品格，具有磁性和良好的塑性 硬度较低，一般为HB80-120,经3-5%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白色品粒 1-2).随者钢中碳含量的增加， 铁素体量减少。铁素体量较多时呈块状分布（图13）。 当银 中碳舍量接进共厂成分时，铁素体往往早断续的树状，分于珠光体的周围（图1-4）。 图1-2工业纯铁的显微组织图 图1-3含0.4%C碳钢的显微组织 (2)渗碳休 渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物（℉，C),它的碳含量为6.69%，抗浸蚀能力较强 经3一5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色（图15） 图1-4含0.6%C碳钢的显微组织 图15含1,2%C碳钢的显微组纷 次渗候体(C)是直接从液体中析出的，呈长白条状，分布在莱氏体之间：二次海 碳体(C)是山奥氏体(A)中析出的，数量较少，背沿奥氏体品界析出，在奥氏体转变 成珠光体后，它呈树状分行在珠光体的边界上。另外，经不同的热处理后，渗碳体可以呈片 状、粒状或断续状 渗碳体的硬度很高 ,可达HB8O0以上。它是一种硬而胞的相，强度和塑性都很 (3)床光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的共析机械混合物。它是山佚素体片和渗候体片相互交替排列 形成的层片状组织。经3-5%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后，试样磨面上的条状铁素体 和参张体因边界被浸饨早照色线条，在不同放大倍数的显微镜下观察时.且有小太一一样的结 征。在600倍以上的高倍下观察时，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（图16）：在40左右的中倍观察时，白亮的渗候体细 条被两边黑色的边界线所“吞食”，而变成黑条，这时所看到的珠光体是宽白条的供素体利 细黑条的渗碳体相间的混合物（图17）：在200倍以下的低倍观察时，山于显微镜的鉴别 2
率较低，宽白条的侠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。图13中的黑块即是珠光体组织。 图1-6高倍下的珠光体 图17中倍下的殊光体 (4)莱氏体(Le') 莱氏体在室温时是珠光体和接碳体的机械混合物.浚碳体中包括共品接碳体和一次浚碳 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，茱氏体 的组织特征是，在白高伍的参送休甚木上分若许多电色占（块）状或条状的洗光公（图 110)。莱氏体硬度很高 达HB700,性脆 它一般存在于含碳量大于2.11%的白口特铁中， 在某些高碳合金钢的特造组织中也常有出现 图1-8亚共品白口铸铁的显微组织 图19过共品白口铸铁的显微组织 在亚共品白口铸铁中，莱氏体被黑色粗树枝状 所分割，而日可看到在珠光体周围有一圈白亮的 次渗碳体（图1-8）。 在过共品白口铸铁中 ,菜氏体被相大的白色长 条状的一次渗碳体所分割（图19）。 3.亚共析钢的含碳量估算 亚共析钢的碳含量在0.0218%-0.77%范国内，￥ 衡状态下组织为铁素体和珠光体。随者碳含量的增 铁素体的数量逐渐减少 而珠光体的数量则桥 应地增多，两者的相对币量可山杠杆定律求得。例 图110共品白口铸铁的显微组织 ,碳含量为0.45%钢(45钢)，其珠光体的相对重量为： P(%)=0.45/0.77×100=58%,铁素体的相对重量为P(%)=0.77-0.45)/0.77×100-42% 31
:反过来，因珠光体、铁素体和渗碳体的比重相近，也可以通过在显微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念碳量。例，在显微镜下视察到的有 50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢的碳含量C%=50%×0.77-0.4%,即 当于40钢（铁素体在室温下含碳量极微为0.008%，可忽略不计） 三、实验方法指导 1。实验内容及步理 (1)在本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成分合金的组织形成过程，并通 过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立 成分与组织之间相互关系的概念 (2)实验前学生应复习讲课中的有关部分并阅读实验指导书，为实验做好理论方面的 准备 (3)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。 (4)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 (5)根据显微组织近似地确定亚共析铜(20或45钢)中的半均含碳量。 2.实验设备及材料 (1)金相显微镜： (2)金相图谱： (3)各种铁碳合金显微组织样品 3.注意事项 (1)在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍 放大，对部分地区进行详细的观察。 (2)在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样重叠起来，以免引起显微 组织模糊不清，影响观察。 (3)画组织图时应抓住组织形念的特点，画出典型区城的组织，注意不要将磨痕或夹 杂画图上 四、实验报告要求 1.明确本次实验目的。 2.回出所观察过的组织，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图 回在直径为30m的圆内，并将组织组成物名称以箭头引出标明。 3.根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种亚共析钢的含碳量 五、思考问题 1.珠光体组织在低倍观察和高倍观察时有何不同？为什么？ 2.渗碳体有哪几种？它们的形态有什么差别？ .4
附录一金相显微镜的基本原理、构造及使用 一、 金相显微镜的基本原理 金相显微镜的光学原理如图1-1所示，光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件 物镜和目镜分别山两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜组成物镜O,对着人眼的一组 透镜组成目镜02。现代显微镜的物镜、目镜都山复杂的透镜系统组成。 物镜使物体AB形成放大的倒立实象AB(称中间象)。目镜再将AB'放大成仍倒立的 虚象A"B”,其位脊正好在人眼的明视距离处（即距人眼250m处），我们在显微镜目镜中 看到的是这个虚象AB, 金相显微镜的主要性能下： 1,金相显微镜的放大倍数 放大倍数山下式来确定 M=MM n-LfDf 式中M 金相显微镜放大倍数 M指 物镜的放大倍数 M 一目镜的放大倍数 下—物镜的焦距 F 日错的住 图111金相显微镜的光学原理 金相显微镜的光学镜筒长度 明视距离(250mm) F,f越短或L越长，则金相显微镜的放大倍数越大。在使用时，显微镜的放大倍 就是物镜和目镜的放大倍数的乘积。有的小型显微镜的放大倍数需乘一个镜筒系数，因为它 的绪简长度比规定的显微镜简短 2.金相显微镜的鉴别率 金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辩试样上两点间最小距离d的能力，在普通光线 下，人眼能分辨两点间的最小距离为0.15-0.30mm,即人眼的鉴别率d为0.15-0.30mm,而显 微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21×10mm。显然，d值越少，鉴别* 就越高。鉴别率是显微镜的一个最重要的性能。它可山下式计算： d小2A 式中： -入射光线的波长 物镜的数值孔径 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜无关，光线的波长可 通过滤色片来选择。兰色光的波长(=0.44u)比黄绿光的(=0.55u)短，所以鉴别率较黄 绿光的大25%。当光线的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径来调节显微镜的鉴别率。 3.物镜的数值孔径 数值孔径A表示物镜的集 光能力，如图1-12所示。 A =nsin 式中 物镜与试样之间介质 的折射率：p 物镜孔径角的 n越大或p角越大，则A越 (b)油物 大。山于p总是小于90的，所 以在空气介质(=1)中使用时， 图112不同介质物镜的孔径角
A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜与试祥之间充满松柏油介质(=1.5时)，A值 最高可达14。这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头），每个物镜招有 个设计额定的A值。它标刻在物镜体上。 4.放大倍数、数值孔径 、鉴别之间的关系 显微镜的同一放大倍数可山不同倍数的物镜和目镜来组合。！45倍的物镜乘以10倍的 目镜、15倍的物镜乘以30倍的目镜邵是450倍，所以对于同一放大倍数，存在者如何合理 选用物镜和日镜的问题。这甲，应该首先确定物镜，然后根据计算选定日镜，并必须使显微 镜的放大倍数在该物镜数值孔径的50-1000倍之间，即M=500A-1000A,这个范围称有效 放大倍数范围。若M 500A ,则未能充分发挥物镜的鉴别率。若MP10O0A,则造成虚伪 大，细微部分将分辨不消。 5,透镜成象的缺跑 (1)球面象第 图113所示，当来自A点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，山于透镜表 面呈球形，光线不能交 而使放大后的象模糊不清 此现象称为球面象差。降低球面 象差的小法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外 在使用显微镜时，也 可采取调节孔径光烂，适当控制入射光束粗细，成少透镜表面面积等方法，把球面象差降低 到最低程度， (2)色象第 图113所示，白色光是山六种单色光组成，当来自A点的白色光通过透镜后，山于各 单色光的波长不同 折射率不一样，使光线折射后不能交于一点，紫光折射量强，红光折射 最弱，结果使成象模糊不清，此现象称为色象差。 绿红 素绿 单透 转绿红 餐绿红 清色差透镜 复消色差透镜 a>8 问球面像差 (b色像差 图113透镜产生像差示意图 消除色象差的方法，一是制造物镜时的进行校正。根据校正程度，物镜可分为消色差物 镜和复消色差物镜。消色差物镜常与普通日镜配合。用于低倍和中倍观察：复色差物镜与补 偿目镜配合，用于高倍观察。二是使用滤色片得到单色光。常用的滤色片有蓝色、绿色或黄 色等】 -6-
二、金相显微镜的构造 金相显微镜的种类和形式很多，但最常见的形式有台式、立式和卧式三大类。金相显微 镜的构造通常山光学系统、照 明系统以及机械系统二大部分组成。有的显微镜还附带有照 摄影装置。现以国产XB1型金相显微镜为例进行说明。 XP-3A型双目金相显微镜的结构与光路见图1-14所示。山灯泡发出一束光线，经聚光 镜组及反光镜被汇聚在孔径光栏上，然后经过聚光镜，再度将光线聚集在物镜后焦面上，最 后经过物镜，使试样表面得到充分均匀的照明。从试样反射回来的光线复经物镜、辅助透镜、 半反射镜、以及棱镜，造成一个物体的倒立放大实象。该象再经场透镜和日透镜组成的目 放大，即可得到所观察的试样表面的放大图参 金相显微镜各部件的功能及使用简单介绍！下： 照明系统照明系统是该仪器的主要组成部分之一，底座内装有一-8V低压丝灯泡作 为光源。利用灯华的偏心圈将其紧周在圆形底盘内。灯前另有聚光镜（一），反光镜和孔 光栏组成的部件都安装在圆形底盘上。另外还有视场光栏及安装在支架上的聚光镜（二） 通过 一系列透镜及物镜本身的作用 使试样表面扶得充分均匀的照明， 显微策调焦装置在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦旋钮，两者在同一部位。随粗调 旋钮转动，通过内部齿轮转动，使支承载物台的弯臂作上下运动，在粗调旋钮的一侧有制动 装置，用以固定调焦后载物台的位置，微动旋钮转动内部一组齿轮，使其沿着滑轨缓慢移动 右你知上刻有分府，每小格表示高动升隆0002m。休齿轮刻有药条白线，相连 架上有 一条白线，用以表示微动升降的极限位置，微调时不可超过出这 范围。则将会损 坏机件 载物台（样品台）用于装置金相试样。载物台和下面托盘之间有导架，移动结构采用粘 性油膜联结。在手的推动下，可使我物台在水平面上作一定范围的移动，以改变试样的观察 部位。 南毫水径光性次孔装在明反上面特03分 ,它表示孔径大小 ,场光栏装在物镜支架下面，可以旋转动花套圈来调节视场光栏大小。布套 上方有两个滚花螺钉，用来调节光栏中心。通过调节孔径和视场光栏的大小，可以提高最后 反映象的质量。 物镜转换器转换器呈球面形，上面有二个螺孔。可安装不同放大倍数的物镜，旋动转 换器可使物镜镜头进入光路，并与不同的目镜搭配使用，即狄得各种放大倍数 日镜筒 目镜简甲45°倾斜 式安装在附有棱镜的半球形座上。还可将日镜转向90°呈 水平状态，以配合照相装置进行显微摄影。 三、显微镜使用注意事项 金相显微镜是贵币的精密光学仪器，在使用时必须【分爱护，自觉遵守实验室的规章制 度和操作程学。 1.制次操作显微镜前，应首先了解显微镜的基本原理、构造以及各主要附件的作用等 并要了解显微镜使用注意事项。 2.金相试样要干净，不得残删有酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜的透镜。使用时不能用 毛种铠透特。擦镜头要用镜头纸。 3.照明灯泡电压一般为V。必须通过降压变压器使用，千力不可将其打泡插头直接插 入220v电源，以免烧毁灯泡 4.燥作要细心 个得有相暴和脚烈的动作。安装、史换镜头及其它附件时要细心。严 禁拆卸显微镜和镜头等重要附件。 5.调焦距时应先将载物台下降，使样品尽量靠近物镜（不能接触），然后用目镜观察。 先用双手旋转粗调焦旋钮，使裁物台慢慢上升，待看到组织后，再调节微讽焦旋钮直全图象 7
清晰为止。 6.使用时出现故障应立即报告辅导老师，不得自行处理。 7.使用完毕，关闭电源。将镜头与附件放回附件盒。将显微镜恢复到使用前状态，并 填写使用登记本，经辅导老师检查无误后，方可离开实验室 手绝 一动手秘 一松紧调节手算 丘定暂何 节要红 所动酒免手轮 打使 一座 (a)结构图 镜组 纯副随（一） 半板光德。 双日接组 景光箴组〔二) 杂光 色片 光箭(-】 光 反光练 山)光学系统图 图1-14XP3A型双目金相显微镜 .8
附录二金相试样的制备 为了在金相显微镜下确切地、清楚地观察到金属内部的显微组织，金属试样必须进行料 心的制备。试样制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。现筒要叙述如下。 一、取样 取样部位及观察面的选样，必须根据被分析材料或零件的失效特点、加工工艺的性质以 及研究的日的等因素来确定。 例如，研究铸造合金时，山于它的组织不均匀，应从铸件表面、中心等典型区域分别切 取试样。全面地进行金相观察。 研究零件的失效原因时，应在失效的部位取样。并在完好的部位取样，以便于作比较性 的分析。 对于到材，册究材料表层的缺路和非众属夹杂物的分布时，应在垂直L制方向上切取 该向试样：研究夹杂物的类型、形状、材料的变形程度，品粒被拉长的程度、带状组织等 应在平行于轧向切取纵向试样 在研究热处理后的零件时，因为组织较均匀可自山选取断面试详。对于表面热处理后的 令件，要注意观察表面情况，如氧化层、脱碳层、渗碳层等。 取样时，要注意取样方法，应保证不使试样被观察面的金相组织发生变化。对于软材料 可用锯、车等方法：硬材料可用水冷砂轮切片机切取或电火花线切制：硬而胞的材料（如白 口铸铁)则可用锤击：大件可用氧气切割等等 试样尺寸不要太大，一般以高度为10-15mm,观察面的边长或直径为15-25mm的方形 或圆杜形较为合适。 二、镶样 一般试样不无粮样。尺，讨于细小，细效、速片，细管成形状不现叫，以及有特殊要 求（例如要求观察表层组织）试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来 样方法很多：有低熔点合金的策、电木粉嵌 、环氧树脂镶 ,夹具夹持法等等 目前一般多用电木粉镶嵌，采用专门的镶样机。用电木粉镶嵌时要加一定的温度和压力，这 能使马氏体回火和软金属产生塑性变形等。在这种情况下，可改用夹具夹持法。 还可以用环氧树脂加凝固剂来钱嵌试样，其配方！下：环氧树脂100g,邻苯二甲酸二 丁脂20g,乙二胺20g。但必须停7-8h后方可使用。 磨制 1.粗磨 软材料（有色金属）可用锉刀壁平。一般纲铁材料通常在砂轮机上磨平。磨样时应利用 砂轮侧面，以保证试样磨平。打磨过程中，试样要不断用水冷却，以防温度升高引起试样组 织变化。另外，试样边缘的棱角如没有保存的必要，可最后磨圆（倒角），以免在细磨及抛 光时划破砂纸或抛光布。 2细磨 细磨有手工磨和机械磨两种。手工磨是用手拿持试样，在金相砂纸上磨平。我国金相砂 纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号几种。细磨时，依次从01号磨至05号。 必须注意，每出换一道砂纸时，应将试样的麻制方向调转90°，即与上一道麻痕方向垂直， 以便观察上一道磨痕是杏被磨去。另外，在磨制软材料时，可在砂纸上涂一层润滑剂。如机 油、汽油、甘油、皂水等 以免砂粒嵌入试样磨面 为了加快麻制速度，减轻劳动强度。可采用在转盘上贴水砂纸的预摩机上进行机械磨光 水砂纸按相细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号等。用 水砂纸盘磨制时，要不断加水冷却。山200号连次磨到900号砂纸，每换一道砂纸，将试洋 91