金相分析操作指导书 - 图文

金相检验 -低碳钢和铸铁的组织的观察与分析

实验指导书

（一）金相样品的制备方法概述

在用金相显微镜来检验和分析材料的显微组织时，需将所分析的材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制、抛光与腐蚀工序，才能进行材料的组

织观察和研究工作。

一．金相样品的制备过程一般包括如下步骤：

取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀。分别叙述如下：

1．取样

（1）选取原则

应根据研究目的选取有代表性的部位和磨面，例如，在研究铸件组织时，由于偏析现象的存在，必须从表层到中心，同时取样观察，而对于轧制及锻造材料则应同时截取横向和纵向试样，以便分析表层的缺陷和非金属夹杂物的分布情况，对于一般的热处理零件，可取任一截面。 （2）取样尺寸

截取的试样尺寸，通常直径为12—15mm，高度和边长为12—15mm的圆柱形和方形，原则以便于手握为宜。 （3）截取方法

视材料性质而定，软的可用手锯或锯床切割，硬而脆的可用锤击，极硬的可用砂轮片或电脉冲切割。无论采取哪种方法，都不能使样品的温度过于升高而使组织变化。

2．镶嵌

当试样的尺寸太小或形状不规则时，如细小的金属丝、片、小块状或要进行边缘观察时，可将其镶嵌或夹持。见图1所示。 （1）热镶嵌

用热凝树脂（如胶木粉等），在镶嵌机上进行。适应于在低温及不大的压力下组织不产生变化的材料。 （2）冷镶嵌

用树脂加固化剂（如环氧树脂和胺类固化剂等）进行，不需要设备，在模子里浇铸镶嵌。适应于不能加热及加压的材料。 （3）机械夹持

通常用螺丝将样品与钢板固定，样品之间可用金属垫片隔开，也适应于不能加热的材料。

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（a） 模子 浇铸液 样品 （b） 树脂 垫片 （c） （d） 图1 金相样品的镶嵌方法 （a）（b）机械夹持 （c）冷镶嵌 （d）热镶嵌 3．粗磨

取好样后，为了获得一个平整的表面，同时去掉取样时有组织变化的部

分，在不影响观察的前提下，可将棱角磨平，并将观察面磨平，一定要将切割时的变形层磨掉。一般的钢铁材料常在砂轮机上磨制，压力不要过大，同时用水冷却，操作时要当心，防止手指等损伤。而较软的材料可用挫刀磨平。砂轮的选择，磨料粒度为40、46、54、60等号，数值越大越细，材料为白刚玉，棕刚玉、绿碳化硅、黑碳化硅等，代号分别为GB、GZ、GC、TH、或WA、A、TL、C，尺寸一般为外径×厚度×孔径=250×25×32，表面平整后，将样品及手用水冲洗干净。

4．细磨

以消除粗磨存在的磨痕，获得更为平整光滑的磨面，是在一套粒度不同的金相砂纸上由粗到细依次进行磨制，砂纸号数一般为120、280、01、03、05、或120、280、02、04、06号，粒度由粗到细，对于一般的材

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料（如碳钢样品）磨制方式为： （1）手工磨制，

将砂纸铺在玻璃板上，一手按住砂纸，一手拿样品在砂纸上单向推磨，用力要均匀，使整个磨面都磨到，更换砂纸时，要把手、样品、玻璃板等清理干净，并与上道磨痕方向垂直磨制，磨到前道磨痕完全消失时才能更换砂纸，见图2所示。也可用水砂纸进行手工湿磨，即在序号为240、300、600、1000的水砂纸上边冲水边磨制。

轻压样品 轻压样品 砂纸 玻璃板 图2 砂纸上磨制方法

（2）机械磨

在预磨机上铺上水砂纸进行磨制与手工湿磨方法相同。

5．抛光

目的是消除细磨留下的磨痕，获得光亮无痕的镜面。方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光和复合抛光等，最常用的是机械抛光。 （1）机械抛光

是在专用的抛光机上进行抛光，靠极细的抛光粉和磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的，分为粗抛光和细抛光两种。如图3所示。

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轻压样品 抛光盘中心 半径 图3 样品在抛光盘中心与边缘之间抛光

1）粗抛光

粗抛光一般是在抛光盘上铺以细帆布，抛光液通常为Cr2O3、Al2O3等粒度为1-5μ的粉末制成水的悬浮液，一般一升水加入5-10克，手握样品在专用的抛光机上进行。边抛光边加抛光液，一般的钢铁材料粗抛光可获得光亮的表面。 2）细抛光

是在抛光盘上铺以丝绒，丝绸等，用更细的Al2O3、Fe2O3粉制成水的悬浮液，与粗抛光的方法相同。样品磨面上磨痕变化见图4所示。

切割痕 粗磨痕 细磨痕 粗磨 细磨 抛光

图4 样品磨面上磨痕变化示意图

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（2）电解抛光

是利用阳极腐蚀法使样品表面光滑平整的方法，把磨光的样品浸入电解液中，样品作为阳极，阴极可用铝片或不锈钢片制成，接通电源，一般用直流电源，由于样品表面高低不平，在表面形成一层厚度不同的薄膜，凸起的部分膜薄，因而电阻小，电流密度大，金属溶解的速度快，而下凹的部分形成的膜厚，溶解的速度慢，使样品表面逐渐平坦，最后形成光滑表面。

电解抛光优点是只产生纯化学的溶解作用，无机械力的影响，所以能够显示金相组织的真实性，特别适应于有色金属及其它的硬度低、塑性大的金属。如铝合金、不锈钢等，缺点是对非金属夹杂物及偏析组织、塑料镶嵌的样品等不适应。 （3）化学抛光

是靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕的一种方法。化学抛光液，多数由酸或混合酸、过氧化氢、及蒸馏水组成，酸主要起化学溶解作用，过氧化氢提高金属表面的活性，蒸馏水为稀释剂。

化学抛光优点是操作简单，成本低，不需专门设备，抛光同时还兼有化学浸蚀作用。可直接观察。缺点是样品的平整度差，夹杂物易蚀掉，抛光液易失效，只适应于低、中倍观察。对于软金属如锌、铅等化学抛光比机械抛光、电解抛光效果更好。

6．腐蚀（浸蚀）

经过抛光的样品，在显微镜下观察时，除非金属夹杂物、石墨、裂纹及磨痕等能看到外，只能看到光亮的磨面。要看到组织必须进行腐蚀。腐蚀的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀等，最常用的是化学腐蚀法。下面分析化学腐蚀显示组织的基本过程。 （1）化学腐蚀法的原理

化学腐蚀的主要原理是利用浸蚀剂对样品表面引起的化学溶解作用或电化学作用（微电池作用）来显示组织。 （2）化学腐蚀的方式

化学腐蚀的方式取决于组织中组成相的性质和数量。纯粹的化学溶解是很少的。一般把纯金属和均匀的单相合金的腐蚀主要看作是化学溶解过程，两相或多相合金的腐蚀，主要是电化学溶解过程。 1）纯金属或单相合金的化学腐蚀

它是一个纯化学溶解过程，由于其晶界上原子排列紊乱，具有较高的能量，故易被腐蚀形成凹沟。同时由于每个晶粒排列位向不同，被腐蚀程度也不同，所以在明场下显示出明暗不同的晶粒。

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2）两相合金的侵蚀

主要是一个电化学的的腐蚀过程。由于各组成相具有不同的电极电位，样品浸入腐蚀剂中，就在两相之间形成无数对微电池。具有负电位的一相成为阳极，被迅速溶入浸蚀剂中形成低凹，具有正电位的另一相成为阴极，在正常的电化学作用下不受浸蚀而保持原有平面。当光线照到凹凸不平的样品表面上时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下就看到各种的组织和组成相。 3）多相合金的腐蚀

一般而言，多相合金的腐蚀，同样也是一个电化学溶解的过程，其腐蚀原理与两相合金相同。但多相合金的组成相比较复杂，用一种腐蚀剂来显示多种相难于达到，只有采取选择腐蚀法等专门的方法才行。

（3）化学腐蚀剂

是用于显示材料组织而配制的特定的化学试剂，多数腐蚀剂是在实际的实验中总结归纳出来的。一般腐蚀剂是由酸、碱、盐以及酒精和水配制而成，钢铁材料最常用的化学腐蚀试剂是3—5%硝酸酒精溶液，各种材料的腐蚀剂可查阅有关手册。 （4）化学腐蚀方法

一般有浸蚀法、滴蚀法和摖蚀法。见图5所示。

样品 腐蚀剂 滴管 样品 沾腐蚀剂棉花 图5 化学腐蚀方法 （a）浸蚀法 （b）滴蚀法 （c）摖蚀法 6

1）浸蚀法：将抛光好的样品放入腐蚀剂中，抛光面向上，或抛光面向下，浸入腐蚀剂中，不断观察表面颜色的变化，当样品表面略显灰暗时，即可取出，充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。 2）滴蚀法：是一手拿样品，表面向上，用滴管吸入腐蚀剂滴在样品表面，观察表面颜色的变化情况，当表面颜色变灰时，再过2—3秒即可充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。

3）摖蚀法：用沾有腐蚀剂的棉花轻轻地摖拭抛光面，同时观察表面颜色的变化，当样品表面略显灰暗时，即可取出，充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。

经过上述操作后，腐蚀完成，金相样品的制备即告结束，这时候要将手和样品的所有表面都完全干燥后，方可在显微镜下观察和分析金相样品的组织。

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（二） 金相样品的制备

一．实验目的

1．初步学会金相样品制备的基本方法。

2．分析样品制备过程中产生的缺陷及防止措施。

二．金相样品制备的基本方法

金相样品的制备过程一般包括取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀步骤。虽然随着科学的不断发展，样品制备的设备越来越先进，自动化的程度越来越高，有预磨机、自动抛光机等，但目前在我国手工制备金相样品的方法，由于有许多优点仍在广泛使用。 （1）常用金相样品制备的要点如下：

1）取样时，按检验目的确定其截取部位和检验面，尺寸要适合手拿磨制，若无法做到，可进行镶嵌。并要严防过热与变形，引起组织改变。

2）对尺寸太小，或形状不规则和要检验边缘的样品，可进行镶嵌或机械夹持。根据材料的特点选择热镶嵌或冷镶嵌与机械夹持。

3）粗磨时，主要要磨平检验面，去掉切割时的变形及过热部分。同时，要防止又产生过热。并注意安全。

4）细磨时，要用力大小合适均匀，且使样品整个磨面全部与砂纸接触，单方向磨制距离要尽量的长，更换砂纸时，不要将砂粒带入下道工序。

5）抛光时，要将手与整个样品清洗干净，在抛光盘边缘和中心之间进行抛光。用力要均匀适中，少量多次地加入抛光液。并要注意安全。 6）腐蚀前，样品抛光面要干净干燥，腐蚀操作过程衔接要迅速。

7）腐蚀后，要将整个样品与手完全冲洗干净，并充分干燥后，才能在显微镜下进行观察与分析工作。 （2）金属材料常用腐蚀剂见表1—1，其它材料的腐蚀剂可查阅有关手册。 （3）金相样品制备方法见表1—2。

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表1—1 金属材料常用腐蚀剂

序号 腐蚀剂名称 成分ml（g） 腐蚀条件 适应范围 1 硝酸酒精溶硝酸 1—5 室温腐蚀数碳钢及低合金钢，液 酒精 100 秒 能清晰的显示铁素体晶界 2 苦味酸酒精苦味酸4 室温腐蚀数碳钢及低合金钢，溶液 酒精 100 秒 能清晰的显示珠光体和碳化物 3 苦味酸钠溶苦味酸2—5 加热到60oC渗碳体呈暗黑色，液 苛性钠20—25 腐蚀5到30铁素体不着色 蒸馏水100 分钟 4 混合酸酒精盐酸 10 腐蚀2—10高速钢淬火及淬溶液 硝酸 3 分钟 火回火后晶粒大酒精 100 小 5 王水溶液 盐酸 3 腐蚀数秒 各类高合金钢及硝酸 1 不锈钢组织 6 氯化铁、盐酸三氯化铁5 腐蚀1—2黄铜及青铜的组水溶液 盐酸 10 分钟 织显示 水 100 7 氢氟酸水溶氢氟酸0.5 腐蚀数秒 铝及铝合金的组液 水 100 织显示

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序步号 骤 1 取在要检测的材料或零件上截取样品，取样 样部位和磨面根据分析要求而定，截取方法视材料硬度选择，有车、刨、砂轮切割机，线切割机及锤击法等，尺寸以适宜手握为宜。 2 镶若由于零件尺寸及形状的限制，使取样嵌 后的尺寸太小、不规则，或需要检验边缘的样品，应将分析面整平后进行镶嵌。有热镶嵌和冷镶嵌及机械夹持法。应根据材料的性能选择。 3 粗用砂轮机或挫刀等磨平检验面，若不需磨 要观察边缘时可将边缘倒角。粗磨的同时去掉了切割时产生的变形层。 4 细按金相砂纸号顺序：120、280、01、03、磨 05或120、280、02、04、06将砂纸平铺在玻璃板上，一手拿样品，一手按住砂纸磨制，更换砂纸时，磨痕方向应与上道磨痕方向垂直，磨到前道磨痕消失为止，砂纸磨制完毕，将手和样品冲洗干净。 5 粗用绿粉（Cr203）水溶液作为抛光液在帆抛布上进行抛光，将抛光液少量多次地加光 入到抛光盘上进行抛光。注意安全，以免样品飞出伤人。 6 细用红粉（Fe2O3）水溶液作为抛光液在 抛绒布上抛光，将抛光液少量多次地加入光 到抛光盘上进行抛光。 7 腐抛光好的金相样品表面光亮无痕，若表蚀 面干净干燥，可直接腐蚀，若有水分可 用酒精冲洗吹干后腐蚀。将抛光面浸入选定的腐蚀剂中（钢铁材料最常用的腐蚀剂是3—5%的硝酸酒精），或将腐蚀剂滴入抛光面，当颜色变成浅灰色时，再过2—3秒，用水冲洗，再用酒精冲洗，并充分干燥。

表1—2 金相样品的制备方法 方法 注意事项 无论用哪种方法取样，都要尽量避免和减少因塑性变形和受热所引起的组织变化现象。截取时可加水等冷却。 热镶嵌要在专用设备上进行，只适应于加热对组织不影响的材料。若有影响，要选择冷镶嵌或机械夹持。 若有渗层等表面处理时，不要倒角，且要磨掉约1.5mm，如渗碳。 每道砂纸磨制时，用力要均匀，一定要磨平检验面，转动样品表面，观察表面的反光变化确定，更换砂纸时，勿将砂粒带入下道工序。 初次制样时，适宜在抛光盘约半径一半处抛光，感到阻力大时，就该加抛光液了。 同上 这步动作之间的衔接一定要迅速，以防氧化污染，腐蚀完毕，必须将手与样品彻底吹干，一定要完全充分干燥，方可在显微镜下观察分析。否则显微镜镜头损坏。 10

（4）样品腐蚀（即浸蚀）的方法

金相样品腐蚀的方法有多种，最常用的是化学腐蚀法，化学腐蚀法是利用腐蚀剂对样品的化学溶解和电化学腐蚀作用将组织显示出来。其腐蚀方式取决于组织中组成相的数量和性质

1）纯金属或单相均匀的固溶体的化学腐蚀方式见图1所示。

(a) 腐蚀后平面 腐蚀后倾斜 (b) 图1 单相均匀固熔体浸蚀示意图 (a) 浸蚀效果 (b) 铁素体之晶界组织观察 其腐蚀主要为纯化学溶解的过程。例如工业纯铁退火后的组织为铁素体和极少量的三次渗碳体，可近似看作是单相的铁素体固溶体，由于铁素体晶界上的原子排列紊乱，并有较高的能量，因此晶界处容易被腐蚀而显现凹沟，同时由于每个晶粒中原子排列的位向不同，所以各自溶解的速度各不一样，使腐蚀后的的深浅程度也有差别。在显微镜明场下，即垂直光线的照射下将显示出亮暗不同的晶粒。

2）两相或两相以上合金的化学腐蚀方式

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对两相或两相以上的合金组织，腐蚀主要为电化学腐蚀过程。例如共析碳钢退火后层状珠光体组织的腐蚀过程，层状珠光体是铁素体与渗碳体相间隔的层状组织。在腐蚀过程中，因铁素体具有较高的负电位而被溶解，渗碳体具有较高的正电位而被保护，在两相交界处铁素体一侧因被严重腐蚀而形成凹沟。因而在显微镜下可以看到渗碳体周围有一圈黑，显示出两相的存在，见图2所示。

12 1—渗碳体 2—铁素体 (a) (b) 图2 两相组织浸蚀示意图 (a) 浸蚀效果 b)层片状珠光体组织 12

三．实验设备

金相显微镜数台、抛光机、吹风器、样品、不同号数的砂纸、玻璃板，抛光粉悬浮液、4%的硝酸酒精溶液、酒精、棉花等。

四．实验内容

1．阅读实验指导书上的有关部分及认真听取教师对实验内容等的介绍。 2．每位同学领取一块样品，一套金相砂纸，一块玻璃板。按上述金相样品的制备方法进行操作。操作中必须注意每一步骤中的要点及注意事项。

3．将制好的样品放在显微镜上观察，注意显微镜的正确使用，并分析样品制备的质量好坏，初步认识显微镜下的组织特征。

五．实验报告要求

1．简述金相样品的制备步骤。

2．分析自己在实际制样中出现的问题。并提出改进措施。

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（三） 低碳钢和铸铁的组织观察与分析

一．实验目的

1．观察和分析低碳纲和铸铁的显微组织。

2．分析含碳量对铁碳合金的组织的影响，加深理解成分、组织和性能之间的相互关系。

二．实验概述

铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料的基础。所谓铁碳合金平衡状态的组织是指在极为缓慢的冷却条件下，比如退火状态所得到的组织，其相变过程按Fe—Fe3C相图进行，此相图是研究组织，制定热加工工艺的重要依据。其室温平衡组织均由铁素体F和渗碳体Fe3C两个相按不同数量、大小、形态和分布所组成。高温下还有奥氏体A，固溶体相δ。用金相显微镜分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各个相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应产物的本质及形态，并能作出不同合金的冷却曲线，从而得知其凝固过程中组织的变化及最后的室温组织。

在上述的铁碳合金中，碳除了少数固溶于铁素体和奥氏体外，其余的均以渗碳体Fe3C方式存在，即按Fe—Fe3C相图进行结晶。除此之外，碳还可以以另一种形式存在，即游离状态的石墨，用G表示，所以，铁碳合金的结晶过程存在两个相图，即上述的Fe—Fe3C相图和Fe—C相图。这两个相图常画在一起，就称为铁碳双重相图。

在实际生产中，由于化学成分、冷却速度等的不同，常得到三种不同的铸铁，即灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。

灰口铸铁是第一阶段和第二阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，其中碳全部或大部分以石墨形式存在，断口为灰暗色而得名。在工业生产上广泛应用。

白口铸铁是第一阶段和第二阶段石墨全部被抑制，完全按照Fe—Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁，其中碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口呈白色而得名，这类铸铁组织中因存在大量莱氏体，即硬又脆，不易加工，在工业上很少应用。

麻口铸铁是第一阶段石墨化过程部分进行而得到的铸铁，其中碳一部分以Fe3C形式存在，另一部分以石墨形式存在，组织介于灰口铸铁和白口铸铁之间，断口上黑白相间成麻点而得名。因组织中含有不同程度的莱氏体，性硬而脆，在工业上也很少应用。

铁碳合金经过缓慢冷却后，所获得的显微组织，基本上与铁碳相图上的各种平衡组织相同，但碳钢的不平衡状态，即在快速冷却时的显微组织应由过冷奥氏体等温转变曲线图，即C曲线来确定。

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1．碳钢和铸铁的平衡组织

根据Fe—Fe3C相图中含碳量的不同，铁碳合金的室温显微组织可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。按组织标注的Fe—Fe3C相图见图2—1。

温度??C 1600 L+δ 1495 1500 L 1400 1227 L+A 1300 L+Fe3C? 1148 1200 δ δ+A 1100 2.11 4.3 A 1000 A+ Fe3Cп+Ld Ld Fe3C?+Ld A+F 900 A+Fe3Cп 800 0.77 727 700 600 F 500 P P+Fe3Cп P+Fe3Cп+ Ld' Ld' Fe3C?+Ld' 400 F+ 300 Fe3Cш 230 Fe3C 200 100 0 Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 6.69 C% 图2—1 Fe—Fe3C相图

（1）工业纯铁 含碳量小于0.0218%的铁碳合金，室温显微组织为铁素体和少量三次渗碳体，铁素体硬度在80HB左右，而渗碳体硬度高达800HB，工业纯铁中的渗碳体量很少，故塑性、韧性好，而硬度、强度低,不能用作受力零件。 （2）碳钢

含碳量在（0.0218—2.11）%之间的铁碳合金，高温下为单相的奥氏体组织，塑性好，适应于锻造和轧制，广泛应用于工业上，根据含碳量和室温组织，可将其分为三类：亚共析钢、共析钢和过共析钢。 1）亚共析钢

含碳量在（0.0218—0.77）%之间的铁碳合金，室温组织为铁素体和

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珠光体，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应的增加，显微组织中铁素体呈白色，珠光体呈暗黑色或层片状。 2）共析钢

含碳量为0.77%，其显微组织由单一的珠光体组成，即铁素体和渗碳体的混合物，在光学显微镜下观察时，可看到层片状的特征，即渗碳体呈细黑线状和少量白色细条状分布在铁素体基体上，若放大倍数低，珠光体组织细密或腐蚀过深时，珠光体片层难于分辨，而呈现暗黑色区域 3）过共析钢

含碳量在（0.77—2.11）%之间，室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，含碳量越高，渗碳体网愈多、愈完整。当含碳量小于1.2%时，二次渗碳体呈不连续网状，强度、硬度增加，塑性、韧性降低，当含碳量大于或等于1.2%时，二次渗碳体呈连续网状，使强度、塑性、韧性显著降低，过共析钢含碳量一般不超过（1.3—1.4）%，二次渗碳体网用硝酸酒精溶液腐蚀呈白色，若用苦味酸钠溶液热腐蚀后，呈暗黑色。 （3）白口铸铁

含碳量在（2.11—6.69）%之间，室温下碳几乎全部以渗碳体形式存在，故硬度高，但脆性大，工业上应用很少。按含碳量和室温组织将其分为三类。 1）亚共晶白口铸铁

含碳量在（2.11—4.3）%之间，室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体Ld'组成。用硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现枝晶状的珠光体和斑点状的莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。 2）共晶白口铸铁

含碳量为4.3%，室温组织由单一的莱氏体组成，经腐蚀后，在显微镜下，变态莱氏体呈豹皮状，由珠光体，二次渗碳体及共晶渗碳体组成，珠光体呈暗黑色的细条状及斑点状，二次渗碳体常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。呈亮白色。 3）过共晶白口铸铁

是含碳量大于4.3%的白口铸铁，在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色粗大的片状的一次渗碳体。 （4）灰口铸铁

铁碳双重相图如图2—2所示，由铁碳双重相图可知，铸铁凝固时碳可以以两种形式存在，即以渗碳体的形式Fe3C和石墨G的形式存在

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碳大部分以渗碳体Fe3C形式存在的，因其断口呈白色。而称白口铸铁，如前所述，白口铸铁硬而脆，很少用做零件。而碳大部分以石墨形式存在的，因其断口呈灰色，而称灰口铸铁。

温度??C L+δ 1495 1600 1500 L 1400 L+A 1227 1300 1148(1154) L+G 1200 δ δ+A 2.11(2.08) 4.3（4.26） 1100 A A+ Fe3C(实线) 1000 A+F A+G (虚线) 900 800 0.77(0.68) 700 600 F+Fe3C(实线) 500 F F+G (虚线) 400 Fe3C 300 200 100 0 Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 6.69 C% 图2—2 Fe—C双重相图 工业生产中常采用调整铸铁成分，加入石墨化形成元素如C、Si、P、Al、CU及球化剂，或进行石墨化退火等措施，生产各种灰口铸铁零件。虽然灰口铸铁的强度、塑性和韧性比钢差，但具有优于钢的减震性，耐磨性、铸造性和可切削性，生产工艺和熔化设备简单，因而在工业上得到普遍应用。

灰口铸铁的显微组织可简单的看成是钢基体和石墨夹杂物共同构成。按石墨形态可将灰口铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁三种。按基体的不同又可分为三类，即铁素体、珠光体、铁素体+珠光体。灰口铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减磨性，在工业上得到广泛的应用。

2．碳钢和铸铁的非平衡组织

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由碳钢的过冷奥氏体转变曲线知，不同的冷却条件，过冷奥氏体将发生不同类型的转变，转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢的C曲线见图2—3所示。

温度?C 700 600 500 400 300 200 100 -100 A1 MS MZ P 型 B 型 M 型 1 10 102 103 104 105 时间（秒） 图2—3 共析碳钢C曲线

（1）退火组织

碳钢经退火后获得上述的平衡组织，共析钢和过共析钢经球化退火后，获得由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体组织。 （2）正火组织

碳钢经正火后的组织比退火细，相同成分的亚共析钢，正火后珠光体含量比退火后的多。 （3）淬火组织

经淬火或等温淬火后获得不平衡组织。碳钢淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，低碳钢淬火后组织为板条马氏体和少量的残余奥氏体，随含碳量的增加，残余奥氏体量增多，淬火马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，其形态取决于马氏体中的含碳量，低碳马氏体

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呈板条状，强而韧，高碳马氏体呈针叶状，硬而脆，而中碳钢淬火后得到板条马氏体和针叶状马氏体的混合组织。 （4）等温淬火组织

碳钢等温淬火后获得贝氏体组织，在贝氏体转变温度范围内，等温温度较高时，获得上贝氏体，呈羽毛状，它由过饱和的铁素体片和分布片间的断续细小的碳化物组成的混合物，塑性、韧性较差，应用较少。而等温温度较低时，获得下贝氏体，呈黑色的针叶状，它是由过饱和的铁素体和其上分布的细小的渗碳体粒子组成的混合物，下贝氏体强而韧，等温淬火的温度视钢的成分而定。

三．实验仪器及材料

1. 基本组织的概念与特征见表2—2 2. 金相显微镜 3. 铸铁和低碳钢

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表2—1 碳钢和铸铁的平衡组织与非平衡组织样品

序号 1 2 3 4 5 6 7 材料名称 工业纯铁 20钢 40钢 60钢 T8 T12 T12 处理状态 退火 退火 退火 退火 退火 退火 退火 腐蚀剂 放大倍数 显微组织 F+Fe3Cш F+P F+ P F+P P P+Fe3Cп P+Fe3Cп（Fe3C呈黑色） P球（F+ Fe3C球） P+Fe3Cп+Ld???? Ld???? Fe3C?+Ld???? F+P+G片 F+P+G球 F +G团 M板 M片+A?+G B上+M+A? B下+M+A? 40%硝酸酒精 400X 40%硝酸酒精 400X 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 400X 400X 400X 400X 苦味酸钠溶液 400X 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 T12 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 15钢 球墨铸铁 40Cr T8 球化退火 4%硝酸酒精 铸态 铸态 铸态 铸态 铸态 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 400X 400X 400X 400X 40%硝酸酒精 400X 4%硝酸酒精 400X 400X 400X 400X 400X 400X 石墨化退4%硝酸酒精 火 淬火 4%硝酸酒精 淬火 4%硝酸酒精 460Co等4%硝酸酒精 温淬火 280Co等4%硝酸酒精 温淬火 20

表2—2 几种基本组织的概念及金相显微镜下的特征

组织名称 铁素体 渗碳体 基本概念 腐蚀剂 显微镜下的特征 亮白色及浅色的多边形晶粒 呈亮白色或细黑线状，有多种形态，如条状、网状和球状 呈球状分布和层片状 随放大倍数不同而呈白色宽条铁素体和细条渗碳体，或细黑线状或暗黑色 白色渗碳体颗粒分布在亮白色的铁素体基体上，边界呈暗黑色 亮白色渗碳体基体上分布着暗黑色斑点状及细条状的珠光体 主要呈针状或板条状 黑色或浅色不同位向的一束束平行的细长条状 浅色针状或竹叶状 分布在马氏体之间的白亮色 黑色羽毛状及针叶状 黑色成束的铁素体条，即羽毛状特征 黑色的针叶状 碳在α—Fe中的固4%硝酸酒精 溶体 铁与碳形成的一种4%硝酸酒精 化合物 铁素体和渗碳体的4%硝酸酒精 机械混合物 珠光体 片状珠光铁素体和渗碳体交4%硝酸酒精 体 替排列形成的层片状 球状珠光球状的渗碳体分布4%硝酸酒精 体 在铁素体的基体上 莱氏体是珠光体、二次渗4%硝酸酒精 （Ld?） 碳体、共晶渗碳体组成的机械混合物、 马氏体（M） 板条马氏体 片状马氏体 残余奥氏体（A?） 碳在α—Fe中的过饱和固溶体 含碳量低的奥氏体形成的马氏体 含碳量高的奥氏体形成的马氏体 淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体 贝氏体铁素体和渗碳体的（B） 两相混合物 上贝氏体 平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体组成 下贝氏体 过饱和的针状铁素体内沉淀有碳化物 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 21

四．实验内容

1．实验前应复习课本中有关部分，认真阅读实验指导书。 2．熟悉金相样品的制备方法与显微镜的原理和使用。 3．认真聆听指导教师对实验内容、注意事项等的讲解。

4．用光学显微镜观察和分析铸铁和低碳钢中各金相样品的显微组织。

五．实验要求

画组织示意图

画图方法如下

1）应画在30—50直径的圆内，在图下方注明：材料名称、腐蚀剂和放大倍数。并将组织组成物用细线引出标明。如下图： 组成物1 组成物2 材料名称 放大倍数 腐蚀剂 金相组织 2）先在草纸上按要求画出，再画在正式报告上，并将草图附上。

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