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铁碳合金平衡组织分析

时间:2022-11-01 百科知识 版权反馈
【摘要】:合金在极缓慢冷却条件下得到的组织为平衡组织。铁碳合金的平衡组织可根据FeC相图来分析。从相图可知,所有碳钢和白口铁在温室时的组织均由铁素体和渗碳体组成。一般经退火得到,是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织,疏密程度不同。共析钢或过共析钢经球化退火后,得到球状渗碳体。莱氏体组织硬度很高,达700HBW,性脆。一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中,在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见。

一、实验目的

①观察和识别铁碳合金(碳钢和白口铁)在平衡状态下的显微组织。

②了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应变化关系。

③熟悉金相显微镜的使用。

二、实验设备

金相显微镜是由光学系统、照明系统和机械系统3部分组成,完善的金相显微镜还有照明装置和其他附件。 金相显微镜的形式很多,通常可分为台式、立式和卧式3类。

XJB⁃1(4X)型金相显微镜构造如图6.1所示。 它是采用倒置式光路,用安装在圆盘形底座15内的低压灯泡作为照明光源,利用灯座偏心套圈8调整光源位置。 光源聚光系统、反射镜3、孔径光阑14等都安装在底座内。

金相试样放在载物台1上,载物台与托盘之间有四方导架,并用黏性油加在两者之间,用手推动,可使载物台在水平面各方向上移动,以改变试样的观察部位。

粗调焦手轮7和微调焦手轮6共轴的安装在传动箱5的两侧。 旋转粗调焦手轮能使载物台迅速上升或下降,达到粗略调焦的目的。 微调焦手轮通过多级齿轮传动机构,使物镜作缓慢升降移动,达到精确调焦的目的。

物镜2安装在球面形的物镜转换器4上,转换器上同时可安装3个不同放大倍数的物镜,通过转换器绕轴旋转而变换观察用的物镜。

目镜9安装在目镜管10上,目镜管用固定螺钉11固定在连接座上。 目镜管成45°倾斜,便于操作者观察。

孔径光阑13用以调节视场大小,一般以调节到其边缘正好与目镜视场同样大小或略小些为宜。 有时为了观察某一试样的局部细微组织,也可将视场光阑缩小到其刚好包围此局部组织,以收到更好的效果。 若视场光阑不在目镜视场正中,可通过两个调节螺钉12将其调到正中位置。

XJB⁃1(4X)型金相显微镜备有物镜、目镜,其放大倍数见表6.1。

表6.1 XJB⁃1(4X)型金相显微镜的物镜和目镜

图6.1 XJB⁃1(4X)型金相显微镜构造

1—载物台;2—物镜;3—半反射镜;4—转换器;5—传动箱;6—微调焦手轮;7—粗调焦手轮;8—偏心套圈;9—目镜;10—目镜管;11—固定螺钉;12—调节螺钉;13—视场光阑;14—孔径光阑

图6.2为国产XJB⁃1(4X)型小型台式金相显微镜光学及照明系统示意图。 由灯泡1发出光线,经过聚光镜组2及反射镜13被会聚在孔径光阑12上,随后经过聚光镜组3,穿过半反射镜4后经补助透镜5再度将光线会聚在物镜6的后方焦平面上。 最后,光线通过物镜,以平行光照亮试样,使其表面得到充分而均匀的照明。 从试样反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10以及棱镜9和棱镜8形成一个物体的放大倒立实像,该像被目镜7再度放大。

三、实验原理

利用金相显微镜观察金属的组织和缺陷的方法称为显微分析,所看到的组织称为显微组织。

合金在极缓慢冷却条件(如退火状态)下得到的组织为平衡组织。 铁碳合金的平衡组织可根据Fe⁃C相图来分析。 从相图可知,所有碳钢和白口铁在温室时的组织均由铁素体和渗碳体组成。 但由于含碳量的不同,结晶条件的差异,铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不一样,因而将组成各种不同特征的组织或组织组成物,其基本特征如下:

图6.2 XJB⁃1(4X)型小型台式金相显微镜光学及照明示意图

1—灯泡;2,3—聚光镜组;4—半反射镜;5,10—补助透镜;6—物镜;7—目镜;8,9—棱镜;11—视场光阑;12—孔径光阑;13—反射镜

1.铁素体(F)

铁素体是碳溶于αFe中的固溶体,有良好的塑性,硬度较低(80~120HB),经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色大粒状。 随着钢中含碳量的增加,铁素体量减少。 铁素体量较多时呈块状;当含碳量接近于共析成分时,往往呈断续的网状,分布在珠光体的周围,如图6.3所示。

2.渗碳体(Fe3C)

渗碳体是铁与碳的化合物,含碳量为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;若用苦味酸钠溶液热浸蚀,则被染成黑褐色,而铁素体仍为白色,由此可区别开铁素体和渗碳体。 渗碳体的硬度很高,达800HB以上;脆性很大,强度和塑性较差。 经过不同的热处理,渗碳体可呈片状、粒状或断续网状。

3.珠光体(P)

珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合物,有片状和珠状两种。

(1)片状珠光体

一般经退火得到,是铁素体和渗碳体交替分布的层片状组织,疏密程度不同。 经3% ~5%硝酸酒精溶液或苦味酸溶液浸蚀后,铁素体和渗碳体皆呈白亮色,但其边界被浸蚀呈黑色线条。 在不同放大倍数下观察时,组织具有不一样的特征。

①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,而其边界呈黑色,如图6.4所示。

图6.3 铁素体的显微组织

②中倍(400倍左右)观察时,白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食”而成为细黑条。 这时看到的珠光体是宽白条铁素体和细黑条渗碳体的相间混合物,如图6.5所示。

图6.4 600倍以上观察的片状珠光体显微组织

图6.5 400倍左右观察的片状珠光体显微组织

③低倍(200倍以下)观察时,连宽白条的铁素体和细黑条的渗碳体也很难分辨,这时,珠光体为黑块组织,如图6.3所示中的珠光体。

(2)球状珠光体

共析钢或过共析钢经球化退火后,得到球状渗碳体。 经3%~5%硝酸酒精浸蚀后,球状珠光体为白色铁素体基体上均匀分布着白色渗碳体小颗粒,其边界为黑圈,如图6.6所示。

根据钢的组织,估计出各组织成分的相对量,便可利用杠杆定律算出含碳量。

4.莱氏体(Ld

在温室时是珠光体和渗碳体的混合物。 此时,渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体两种,但它们相连在一起而分辨不开,经3%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后,莱氏体的组织特征是:在白亮的渗碳基体上均匀分布着许多黑点(块)状或条状珠光体,如图6.7所示。

图6.6 球状珠光体显微组织

图6.7 共晶白口铸铁

莱氏体组织硬度很高,达700HBW,性脆。 一般存在于含碳量大于2.11%的白口铸铁中,在某些高碳合金钢的铸造组织中也常可见。

亚共晶白口铸铁的组织包括莱氏体、呈黑粗树枝态分布的珠光体及其周围白亮圈的二次渗碳体,如图6.8所示。 二次渗碳体与莱氏体中的渗碳体相连,无界线、无法区别。

过共晶白口铸铁的组织是莱氏体和长白条一次渗碳体,如图6.9所示。

图6.8 亚共晶白口铸铁

图6.9 过共晶白口铸铁

四、实验步骤1.调节金相显微镜

①按放大倍数的要求,选配好物镜及目镜,分别安装在转换器的物镜座上及目镜筒内,并使转换器转至固定位置。

②移动载物台,使物镜位于载物台中心孔的中央,然后把金相试样倒置在载物台上。

③将照明灯泡插头插入低压(6~8V)变压器插座中,然后接通变压器电源,并点亮灯泡。

④旋转粗调焦手轮,直至所观察的像清晰为止。

⑤调节孔径光阑和视场光阑的大小,以获得最佳质量的物像。

⑥观察完毕,应立即关灯,以延长灯泡的使用寿命。

2.观察样品的显微组织

观察表6.2中所列样品的显微组织并联系铁碳相图分析各组织的形成过程。

表6.2 实验要求观察的样品

3.绘出样品的显微组织示意图

绘出所观察样品的显微组织示意图。

五、注意事项

①金相试样放在载物台之前,必须洗净、吹干,并注意操作者手应清洁干燥。

②光学零件必须保持清洁,切不可用手指触摸光学镜片。 若发现镜面上有脏物或灰尘时,应及时用吹灰球吹去灰尘或用擦镜头纸及二甲苯轻轻擦拭清除,但不得用酒精,以防透镜胶被深解。

③在更换物镜时,要防物镜受碰撞而损坏。 在调焦时,要缓慢旋转调焦手轮,谨防物镜与试样接触相碰。

④使用照明灯泡时,必须通过低压变压器,切勿插入220V的电源插座,以免烧毁灯泡。

⑤使用油浸物镜后,应立即用棉花蘸取二甲苯溶液擦净,再用擦镜头纸擦干。

⑥物镜、目镜内的镜片以及显微镜上其他光学构件不能私自拆卸。 若出现故障,应立即报告老师处理。

六、思考题

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怎样鉴别0.6%碳钢的网状铁素体和1.2%碳钢的网状渗碳体?

③二次渗碳体呈网状分布时,对钢材的机械性能有何影响? 应如何避免?

④渗碳体有哪几种? 它们的形态有何区别?

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