实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析

PAGEPAGE3实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析1.1典型铁碳合金的平衡组织观察与分析一、实验目的1．通过实验能识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。2．掌握碳含量对铁碳合金平衡组织形貌及相组成比例的影响。二、实验原理简介利用金相显微镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析（或金相分析）。合金在极其缓慢的冷却条件（如退火状态）下所得到的组织称为平衡组织。铁碳合金平衡组织的观察与分析，要依据Fe-Fe3C1．室温下铁碳合金基本组织特征（1）铁素体（F）铁素体是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现白亮色多边形晶粒。在亚共析钢中，铁素体呈块状分布，当合金的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晶界上。（2）渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色；若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈暗黑色，而铁素体仍为白亮色，由此可以区别铁素体和渗碳体。由于铁碳合金的成分和形成条件不同，渗碳体可以呈现不同的形状, （3）珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的两相复合物。在平衡状态下，它是由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆为白亮色，而两相交界呈暗黑色线条。在不同的放大倍数下观察时，组织特征有所区别。如在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而两相交界为暗黑色；在中倍（400倍左右）下观察时，白亮色的渗碳体被暗黑色交界所“吞食”，而呈现为细黑条，这时看到的珠光体是宽白条铁素体和暗黑细条渗碳体的相间复合物；在低倍（200倍以下）下观察时，无论是宽白条的铁素体还是暗黑细条的渗碳体都很难分辨，这时珠光体呈现暗黑色块状组织。 （4）变态莱氏体（Ld）变态莱氏体是珠光体和渗碳体组成的复合物。经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，变态莱氏体的组织特征是，在白亮色渗碳体基体上相间分布着暗黑色块状或暗黑色条状和点状珠光体。 2．室温下典型铁碳合金的平衡组织特征 （1）工业纯铁工业纯铁的碳质量分数小于0.0218%，组织为单相铁素体。铁素体呈白亮多边形晶粒，晶界呈暗色的网络，并在晶界的局部区域分布有微量亮白窄条状三次渗碳体（Fe3CⅢ （2）亚共析钢亚共析钢的碳质量分数为0.0218%～0.77%，组织为铁素体（白亮多边形块状）加珠光体（暗色层状）。 （3）共析钢共析钢的碳质量分数为0.77%，其室温组织为单一的珠光体。其中白亮铁素体和暗色渗碳体以层状相间。 （4）过共析钢过共析钢的碳质量分数为0.77%～2.11%，在室温下的平衡组织为珠光体加二次渗碳体。其中，二次渗碳体呈白亮网状分布在暗色珠光体的晶界上。 （5）亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁的碳质量分数为2.11%～4.3%，室温下的平衡组织为珠光体、二次渗碳体加变态莱氏体。其中变态莱氏体为基体，在变态莱氏体基体上分布着暗色块状或椭圆状的珠光体，在珠光体晶体边缘有一薄层白亮二次渗碳体。（6）共晶白口铸铁共晶白口铸铁的碳质量分数为4.3%，其室温下的显微组织为变态莱氏体，其中渗碳体为白亮基体，珠光体以暗色细条状和点状嵌镶分布在白亮渗碳体基体上。（7）过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的碳质量分数为4.3%～6.69%，其室温下的显微组织为变态莱氏体加一次渗碳体。一次渗碳体呈白亮板条状嵌镶分布在变态莱氏体的基体上。以上七个典型铁碳合金的平衡组织特征，请参阅金相实验室《铁碳合金室温平衡组织》挂图。三、实验设备及实验用品（只需写需要什么设备就可，不必介绍设备）1.金相显微镜（参照图1.1金相显微镜的成象原理）（了解内容不用写）金相显微镜的种类很多，通常可分为台式、立式和卧式三大类。（1）金相显微镜的成象原理最简单的显微镜可看作是由两片透镜组成的光学系统，如图1.1所示。靠近物体的透镜L1叫物镜，靠近眼睛的透镜L2叫目镜,F1是物镜的前焦距，F2是目镜的前焦距，F1′与F2间的距离称为光学镜筒长度，用表示。被观察的物体AB放在物镜的前焦距F1之外的位置，通过物镜后可获得一个倒立的放大实象A1B1，它恰好位于目镜的前焦距F2之内，目镜将此象再次放大，在明视距离S处形成虚象A2B2，A2B2为眼睛这一光学系统的目标。人眼所见到的最终图象，相对物体是倒立的，其放大倍数为物镜倍数和目镜倍数的乘积。（2）金相显微镜结构金相显微镜的构造一般由光学系统、照明系统、机械系统和摄影系统四部分组成。现以国产4X型台式金相显微镜为例，其结构如图1.2所示。其组成有：1）载物台；2）物镜；3）物镜转换器；4）传动箱；5）微动调焦手轮；6）粗动调焦手轮；7）光源；8）偏心圈；9）样品；10）目镜；11）目镜管；12）固定螺钉；13）调节螺钉；14）视场光阑；15)孔径光阑（3）金相显微镜的使用规程与注意事项（参照图1.24X型金相显微镜外形结构图）金相显微镜是一种精密、贵重的光学仪器，因此使用时要求细心、谨慎，要熟读使用说明书。国产4X型金相显微镜的使用规程和注意事项如下：1）根据观察试样所需的放大倍数选用合适的物镜和目镜，并分别安装在物镜转换器上及目镜筒内，并使物镜进入光路。2）移动载物台，使物镜及由物镜内射出的光束位于载物片中心孔的位置。然后将试样的观察面正对着物镜倒置在载物片的中心孔上，并用弹簧片压住。3）将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（6V～8V）变压器接通电源。切勿将插头直接插在220V的电源插座上，以防烧损灯泡。4）转动粗调手轮使载物台下降，同时用眼睛观察，使试样观察面尽可能接近物镜（但不许与物镜相碰），然后向相反方向转动粗调手轮，使载物台缓慢上升以调节焦距。当视场亮度逐渐增强并呈现出影象时，再改用微调手轮进一步调节，直到所观察的物象清晰为止。在旋动粗微调手轮时，动作必须要缓慢，若碰到某种阻碍时应立即停止操作，并报告指导教师查找原因，不得用力强行动作，否则会损坏机件。5）选择合适的滤色片，并适当调节孔径光阑和视场光阑，以获得最佳质量的物象。6）若使用油浸系物镜，要在物镜的前透镜上滴一滴松柏油或直接滴在试样上。油浸系物镜使用后应立即用脱脂棉或镜头纸沾取二甲苯溶液擦拭干净。切忌不得用酒精，以防透镜的胶粘部位被溶解损坏镜头。2．金相试样（了解内容不用写）（1）金相试样的制备方法金相试样的制备过程包括：取样、镶样、磨光、抛光、腐蚀五个步骤。1）取样取样部位的选择，取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理方法，并结合分析目的选择有代表性的部位。截取试样时，应保证被分析部位的组织不发生变化，较软的材料可用锯、车、刨等加工方法；较硬的材料可采取砂轮切割机切割或电火花切割；硬而脆的材料，如白口铸铁可以用锤击的方法取样；在大工件上取样可使用氧气切割。试样截取的大小以便于握持为准，一般直径为15mm～20mm、高为15mm～20mm的圆柱体或边长为15mm～20mm的立方体。试样截取后，还要使用砂轮或锉刀将切割面磨平,并去掉毛刺。2）镶样（参照图1.3金相试样的镶嵌方法）当试样尺寸过小或形状极不规则，如带、丝、片、管等难以握持的试样需要镶嵌。镶嵌的方法主要有机械镶嵌、低熔点镶嵌、塑料镶嵌。3）磨光将截取和镶嵌好的试样先用砂轮磨平，然后在金相砂纸上进行磨光。磨光前要将经砂轮修整的试样用清水冲洗并吹干，然后依次在由粗到细（320号—1200号）的各号金相砂纸上把金相磨面磨光。磨光时将砂纸平放在玻璃板上，用左手按住砂纸，用右手两指夹持试样，使磨面朝下并与砂纸表面均匀接触，在轻微按压力的作用下，在砂纸上朝向一个方向进行磨制，直到磨面上仅留有一个方向的均匀磨痕为止，再更换较细一号的砂纸。每更换较细一号砂纸前，试样都要进行水洗，以便冲洗掉残留砂粒。为便于观察前一号砂纸留下的磨痕的消除情况，在更换砂纸后磨面磨制的方向要与前一号砂纸磨痕方向成90或45。如此依次进行下去，直磨到最细一号（1200号）砂纸为止。4）抛光抛光的目的在于去掉金相磨面上的细微磨痕而获得光亮镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。机械抛光是在抛光机上进行的，它是靠抛光微粉磨料对磨面的机械作用而使其成为光亮的镜面。抛光机主要由电动机和抛光盘组成。抛光盘上铺以细帆布或呢绒、丝绸等抛光织物。抛光时，在旋转的抛光盘上不断地滴入由微粉磨料和软水配成的抛光液。抛光常用的微粉磨料是极细粒度的AI2O3、Cr2O3、MgO，以及金刚石研磨膏。操作时，将试样磨面朝向铺有抛光织物的抛光盘，并均匀地按压在旋转的抛光盘上，并沿抛光盘的边缘到中心不断地做径向往复运动。抛光结束后，先用清水冲洗，再用脱脂棉蘸无水乙醇轻轻擦拭磨面，以拭去磨面的灰雾，最后用吹风机吹干，从而获得一个光亮无痕的镜面。5）腐蚀抛光后的试样镜面在显微镜下只能看到夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等，而看不到组织。要得到有关显微组织的信息，还必须经过组织的显现。常用的显现组织的方法主要有化学浸蚀和电解浸蚀。化学浸蚀是利用浸蚀剂对试样表面进行化学溶解作用或电化学作用，来显示金属的组织。对于纯金属或单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程，试样被浸蚀后表面呈现出凹凸状，在显微镜光源光线的照射下，晶界与晶粒以明暗显示出来。对于两相以上合金的浸蚀，主要是一个电化学浸蚀过程。由于金属组织各组成相的成分不同，所以具有不同的电极电位，试样在浸蚀剂中就在两相之间形成许多“微电池”。电极电位低的一相为阳极，被浸蚀剂溶解形成凹陷状，电极电位高的一相为阴极，在正常电化学作用下不易被溶解，相对阳极相呈现凸状，结果在显微镜下观察到了不同的组织特征。进行化学浸蚀时，应将试样抛面浸入浸蚀剂中，或用脱脂棉沾浸蚀剂涂擦试样抛面进行浸蚀。浸蚀时间要适当，一般当试样原光亮的镜面失去原有的光泽而出现暗灰色时就可停止，并随即用清水冲洗试样，再用沾无水乙醇的脱脂棉轻轻擦拭，拭后用吹风机吹干，既可在显微镜下进行观察和分析。常用的化学浸蚀试剂见表1.1。（2）按表1.2提供的金相样品种类，备好金相试样和显微组织图片。四、实验步骤与方法通过电化教学的手段，使学生了解实验用金相显微镜的原理、结构、使用方法及注意事项；了解金相试样的制备过程与方法。每一位同学，在金相显微镜下认真观察表1.2中所列试样的显微组织，识别不同碳含量合金的组织特征，并分析总结碳含量对合金组织形貌及各相（F、Fe3C在金相显微镜下选择每种合金显微组织的典型区域，并根据组织特征描绘出显微组织示意图。4．记录观察试样的合金名称、碳含量、组织名称、浸蚀剂、观察倍数、组织特征。五、实验报告内容及要求1．通过观察分析，画出表1.2中所列每种铁碳合金显微组织示意图，并用引线和符号标出各种组织的名称，在组织示意图下方填写合金名称、合金碳含量、显微组织名称、观察倍数、浸蚀剂等各个项目内容。2．分析总结碳含量对铁碳合金组织中的两个组成相（F、Fe3C平衡态碳素钢的碳含量与组织、力学性能之间的关系一、实验目的1．深入理解并掌握平衡态碳素钢的碳含量与组织和力学性能之间的关系。2．了解常用布氏硬度计、洛氏硬度计的原理、构造，并掌握其操作方法。3．了解各种硬度之间、硬度与强度之间的换算关系。掌握用硬度测试值估算强度的方法。二、实验原理简介由典型铁碳合金平衡组织观察可知，铁碳合金室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，并且两相组成的相对比例、形状、大小及分布状况均随着合金碳含量的增加而发生变化。由于铁素体和渗碳体两相的力学性能相差悬殊，因此随着合金碳含量的变化，合金的各项力学性能判据将发生变化。在常用的力学性能判据中，硬度是金属材料最常用的性能判据之一。因为相对强度而言，硬度的测试既简便迅速，又不破坏零件，所以用硬度值来推算强度值，即便是近似的，也有十分重要的实用价值。根据大量的实验研究证明，各种硬度值之间，硬度值与强度值之间是有近似的相应关系的。这些近似的相应关系，便于工程技术人员通过材料硬度的测试数据，来分析判断材料的强度。1.常见几种硬度的近似换算公式（1）HB与HR关系：（2）HB与HV关系:当HB400时,HBHV当HB400时,HBHV（3）HV与HRC关系:2.硬度与强度之间的一些经验公式（1）有色金属b与HB有如下关系：b=HB式中的大小与有色金属的种类有关，见表1.3。（2）黑色金属硬度与强度之间关系，见表1.4。三、实验设备及实验用品（（只需写需要什么设备、用品就可，不必介绍设备））1．布氏硬度计（参照图1.4HB-187.5型布氏硬度计结构简图）（1）布氏硬度计结构以HB-187.5型布氏硬度计为例，布氏硬度计的结构如图1.4所示。其组成有：1）机身；2）手柄；3）手轮；4）丝杠；5）工作台；6）压头；7）紧固螺钉；8）主轴；9）弹簧；10）调整旋扭；11）投影屏；12）顶罩；13）杠杆；14）推杆；15）砝码台；16）后盖板；17）活塞；18.变换旋扭（2）布氏硬度计的操作方法（参照图1.5布氏硬度计操作程序示意图）1）将机身后端电源插头接上电源，打开机身右侧下方的电源开关，此时投影屏上显示出图1.5—Ⅰ所示图象。2）将被测表面无氧化皮的试样置放到工作台上，然后顺时针转动手轮，使试样的被测试表面与压头接触，继续缓慢转动手轮，使置放试样的工作台继续升高，直到投影屏上的横向基准线与中线左面标尺刻度线100相重合（上下偏移不大于5个小格）。3）旋转投影屏下方的微调旋钮，使分划板上标尺的100刻度线与投影屏上的横向基准线相重合。此时，预负荷10公斤的力施加在试样的表面上（如图1.5—Ⅱ所示图象）。4）拉动加荷手柄，使其离开死点位置，则主负荷将缓缓地施加在试样上，此时投影屏上的标尺慢慢回行并停止在一定位置（如图1.5—Ⅲ所示图象）。5）将卸荷手柄板回到原位置，使主负荷卸除。此时投影屏上的横向基准线处于标尺的某一位置（如图1.5—Ⅳ所示图象）。6）下降工作台，并取下试样，此时投影屏又恢复到图1.5—Ⅰ的状态（如图1.5—Ⅴ所示图象）。7）取下试样后，使用读数显微镜测量压痕的直径。再根据测得的压痕直径查阅布氏硬度数值表，即可获得布氏硬度值。（3）读数显微镜的使用方法（参照图1.6读数显微镜测量示图）在读数显微镜的测微目镜组中装有两块上下分划板，上分划板刻有0～6毫米长的标尺，见图1.6a。标尺每格的格值为1毫米。下分划板装在上分划板的下面，其上刻有一条长刻线，并和上分划板的标尺相垂直，见图1.6a。当旋动读数指示套（见图1.6b）时，下分划板可左右移动，而上分划板则固定不动。读数指示套由0～100划分了100个小格，每一小格的单位是0.01毫米。使用读数显微镜测量压痕直径时，将仪器置于被测试样上，并使读数显微镜的入光孔朝向光线，被测试样用自然光或灯光照射，然后调节目镜焦距，使视场中同时看清分划板和物象，如图1.6a所示。进行测量时，先旋动读数指示套，使刻有长丝的下分划板移动，同时稍微移动读数显微镜，使竖直长丝与被测压痕的一边相切，得一读数，然后再旋动读数指示套，使竖直长丝与被测压痕的另一边相切，又得一读数，二者之差即为被测压痕的直径。2．洛氏硬度计（参照图1.7HR-150A型洛氏硬度计结构简图）（1）洛氏硬度计的结构以HR-150A型洛氏硬度计为例，洛氏硬度计的结构如图1.7所示。其组成有：1）指示器；2）紧固螺钉；3）交换手柄；4）卸荷手柄；5）加荷手柄；6）齿条；7）缓冲器；8）油针；9）顶杆；10）砝码交换架；11）砝码；12）吊杆；13）调整块；14）加荷杠杆；15）小杠杆；16）接杆；17）顶杆；18）主轴；19）试样；20）工作台；21）工作台螺旋立柱；22）手轮；23）凸轮；24）大齿轮。（2）洛氏硬度计的操作方法1）清理试样表面，使被测表面无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物等。2）根据被测材料的种类，选择压头及