1.任务内容
利用金相制样设备制作不同成分铁碳合金金相试样，通过金相显微镜观察其平衡组织。
2.任务准备
1）了解铁碳合金金相组织特征
在金相显微镜下观察到的金属内部情景称为显微组织（或金相组织），用金相显微镜研究金属组织及缺陷的方法称为显微分析。
从铁碳相图上看，铁碳合金的平衡组织是由铁素体和渗碳体两个基本相组成的，由于碳的质量分数不同，铁素体和渗碳体的相对量及分布情况不同，因而呈现出不同的组织状态。用质量分数为4%的硝酸酒精溶液作侵蚀剂时，在金相显微镜下观察铁碳合金，有以下几种基本组织：
（1）铁素体。
亚共析钢中的铁素体呈白亮色块状分布，当碳的质量分数接近共析成分时，铁素体往往呈白亮色断续网状分布于珠光体周围。
（2）渗碳体。
一次渗碳体为白亮色板条状分布；二次渗碳体为白亮色网状分布。如果用苦味酸钠溶液作侵蚀剂，渗碳体则呈黑色。
（3）珠光体。
它是铁素体和渗碳体的两相机械混合物组织。在退火状态下，铁素体和渗碳体以白亮色层片状形态相互混合交替排列，由于铁素体的相对量较多，层片较厚，已经连成一个整体。放大倍数较低时，渗碳体呈黑色条状分布于白亮色铁素体基体上。当珠光体与其他组织共存时，往往呈黑色块状分布。
（4）低温莱氏体。
它是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成的共晶体。在金相显微镜下，许多黑色点状或条状的珠光体均匀地分布于白亮色渗碳体基体上。在亚共晶白口铸铁中，低温莱氏体被黑色块状或树枝状的珠光体所分割。在过共晶白口铸铁中，低温莱氏体被粗大的白亮色板条状渗碳体所分割。
2）学习使用金相显微镜
金相显微镜的种类和型号较多，其主要结构如图2-42所示。
图2-42 金相显微镜示意图
1—试样；2—载物台；3—物镜；4—物镜转换器；5—粗调手轮；6—细调手轮； 7—光源；8—孔径光栅；9—视场光栅；10—目镜。
使用方法：金相显微镜是一种精密仪器，使用时要细心谨慎，严格按照金相显微镜的操作规程使用。其步骤如下：
（1）按观察要求选择合适的物镜和目镜，转动粗调手轮将载物台升高，取下物镜底盖，将物镜装在物镜转换器上；取下目镜套盖，将目镜插入目镜筒中。
（2）将金相试样的磨面对准物镜安放在载物台上。
（3）按要求接通低压电源。
（4）用双手缓慢转动粗调手轮，使金相试样与物镜逐渐靠近，同时在目镜上观察，视场由暗到亮，并逐渐观察到组织。然后再转动细调手轮，直至观察到最清晰的图像为止。注意，调节手轮的动作要缓慢，禁止物镜与试样发生碰撞。
（5）根据试验要求，缓慢移动载物台，对试样各部位进行观察，并记录显微组织特征，画出显微组织示意图。
（6）观察结束后，按要求将金相显微镜恢复到使用前的状态。
3.训练目的
（1）了解金相显微镜的使用及金相样品的制备过程。
（2）认识不同成分铁碳合金在平衡状态下的组织形态。
（3）加深理解铁碳合金化学成分、组织、性能之间的关系。
4.训练过程
1）金相试样制备
（1）取样。
根据被检验材料或零件的失效形式、加工工艺的特点及研究目的，在具有代表性的区域截取试样。如压力加工后的零件，应在加工的不同方向上分别取样，检查零件破坏的原因，应在接近破坏处取样等。
取样方法有锤击、锯削、砂轮切割等。取样时，要注意避免使金属温度升高，否则会使金属组织发生变化。
（2）镶嵌。
通常采用直径为15 mm，高度为15～20 mm的圆柱形或边长为15 mm的方形试样。当试样尺寸较小时，需将试样镶嵌在低熔点金属或塑料（胶木粉、聚合树脂等）中，以便于试样磨削。
（3）磨光。(www.xing528.com)
为了得到一个水平光滑的磨面，需要对试样进行磨光处理。首先用锉刀或砂轮机将试样磨平，磨平时应随时用水冷却，以免温度升高引起试样组织变化。然后用金相砂纸进行磨光。手工磨光时，按一定方向磨削，用力要均匀、平稳，砂纸由粗到细依次磨削，不要来回磨。当更换细一号砂纸时，须将试样转动90°后再磨，直至将上一道磨痕全部消除为止。为了加快磨削速度，还可以采用机械磨削。
（4）抛光。
抛光实际上是磨光工序的延伸，所用磨料极细，目的是获得光亮无磨痕的镜面。试样抛光可分为机械抛光、电解抛光和化学抛光三种方法。试样抛光后用清水冲洗干净，准备侵蚀。
（5）侵蚀。
为了显现金属的显微组织，必须用一定的侵蚀剂对试样的磨面进行腐蚀。由于金属内部不同组织或不同位向晶粒的耐腐蚀性不同，因此腐蚀后出现凹凸不平的情况，在金相显微镜下呈现出明暗不同的区域或线条，从而显示出不同组织的特征。试样侵蚀完成后，应立即用清水将残余侵蚀剂冲洗干净，再用无水乙醇进行脱水，然后用吹风机吹干。
2）观 察
将制备完成的金相试样放在显微镜下观察。
3）分 析
分析组织形态并画出组织示意图。
项目小结
（1）金属的晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；金属晶体结构的缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷；金属结晶时都遵循着相同的规律，即结晶过程是形核与长大的过程。
（2）根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物；根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体；常见二元合金相图有：二元匀晶相图、二元共晶相图、二元共析相图以及二元包晶相图等；两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合金相图称为匀晶相图，两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图，称为二元共晶相图。其具体的结晶过程和相变过程分析参考书2.2.3二元合金相图。
（3）铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，其基本相和组织主要有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体；Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、碳浓度及意义见表2-2，图中有三个重要的恒温转变线：HJB线（包晶转变线）、ECF线（共晶转变线）、PSK线（共析转变线），三条重要的特性曲线：ES线、GS线、PQ线；根据含碳量和室温组织特点，铁碳合金可分为三类：工业纯铁、钢（亚共析钢、共析钢、过共析钢）、白口铸铁（亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁），铁碳合金结晶过程分析参考本书2.3.3 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织。
思考与练习
一、填空题
1.金属晶体常见的晶体结构有___________、___________和___________。
2.根据晶体缺陷的几何特征，可以将晶体缺陷分为___________、___________和___________。
3.位错是指晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动，常见的位错类型有___________和___________。
4.晶格点缺陷常见的类型有___________、___________和___________。
5.___________和___________是铁碳合金的两个组元。
6.按溶质原子在晶格中所占的位置可以将固溶体分为___________和___________两类。
7.金属化合物常见的类型有___________、___________和___________。
8.合金存在的状态通常由合金的___________、___________和___________三个因素确定。
9.铁素体是碳溶于___________中形成的间隙固溶体，奥氏体是碳溶于___________中形成的间隙固溶体。
二、简答题
1.什么是晶格和晶胞？如何表示晶胞的大小和形状？
2.什么是过冷现象和过冷度？过冷度与哪些因素有关？
3.什么是合金，试举例说明。
4.合金的相结构有哪几种类型？它们的晶格特点是什么？
5.间隙相和间隙化合物有哪些相同点？其晶体结构、性能各有什么区别？
6.什么是合金相图？合金相图的作用有哪些？
7.试比较纯铁在固态下不同温度范围内的晶体结构，为什么要“趁热打铁”？
8.分析说明一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体的来源。
三、计算题
1.画出面心立方晶格的晶胞示意图，并计算面心立方晶格的致密度。
2.用杠杆定律分别计算室温下wC＝0.4%的铁碳合金组织组成物和相组成物的质量分数。
项目2答案
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