金屬材料綜合性實(shí)驗(yàn)
——碳含量的測(cè)定*

鐘濤生，王曉娟，黎文博，趙英杰

（江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州341000）

高等教育的辦學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)具備扎實(shí)基礎(chǔ)理論和熟練掌握基本技能的高素質(zhì)人才?；A(chǔ)理論的掌握依靠理論課堂教學(xué)來(lái)解決，而基本實(shí)踐技能的提高須靠實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)完成。因此在高等教育中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為必要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的專(zhuān)業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、專(zhuān)業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用能力、專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題解決能力和良好的科學(xué)素質(zhì)訓(xùn)練等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[1-3]，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中具有至關(guān)重要的地位，2014 年2 月26 日國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議中李克強(qiáng)總理提出“引導(dǎo)一批普通本科高校向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)型”之后，我院也意識(shí)到了開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合型實(shí)驗(yàn)的重要性和必要性，并確定了在材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)（即金屬材料工程和材料成型與控制）試點(diǎn)率先進(jìn)行專(zhuān)業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，現(xiàn)就其中的黑色金屬材料中碳含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)踐分享如下。

1 布置任務(wù)

綜合實(shí)驗(yàn)第一天即召集同學(xué)，給每個(gè)同學(xué)分發(fā)20鋼、45 號(hào)、T8 鋼、T12 鋼和鑄鐵等幾種成分不同、但是形狀和色澤外觀(guān)極為相似的黑色金屬圓棒，要求同學(xué)們通過(guò)查閱文獻(xiàn)書(shū)籍整理出若干種黑色金屬碳含量鑒別的方法和原理，然后再重新召集同學(xué)并檢查各位同學(xué)查閱資料的整理情況，隨機(jī)抽查部分同學(xué)進(jìn)行材料匯報(bào)，并對(duì)各種材料鑒別方法的可行性進(jìn)行研討，從而確定出三種最為可行的鑒別方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作實(shí)踐?？傮w實(shí)驗(yàn)方案與進(jìn)程如表1 所示。

2 查閱碳含量測(cè)定方法的相關(guān)資料

要求同學(xué)們利用四天時(shí)間到圖書(shū)閱覽室或者電子閱覽室查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料。根據(jù)最近三屆學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，同學(xué)們查閱了相關(guān)書(shū)籍和文獻(xiàn)資料并整理出了重量法、火花法、金相法、光電法和最高硬度法等幾種快速測(cè)定碳鋼中碳含量的方法。各種方法的原理如下：

表1 綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排

2.1 火花法

（1）火花鑒別法的原理

鋼鐵材料在一定的壓力下，放在砂輪機(jī)上與高速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪發(fā)生摩擦，由于砂輪的磨削作用產(chǎn)生碎屑，碎屑在離心力的作用下會(huì)繼續(xù)沿著砂輪與材料接觸點(diǎn)的切線(xiàn)方作高速運(yùn)動(dòng)。同時(shí)被磨削熱加熱成熔融狀態(tài)，形成光亮的流線(xiàn)，當(dāng)流線(xiàn)中熔融狀態(tài)的金屬顆粒與空氣中的氧接觸時(shí)表面被強(qiáng)烈氧化，形成一層FeO 薄膜。鋼中的碳在高溫下與FeO 中的氧發(fā)生反應(yīng)，F(xiàn)eO+C→Fe+CO，使FeO還原；被還原的Fe 將再次被氧化，然后再次還原；這種氧化一還原反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行，會(huì)不斷產(chǎn)生出CO 氣體，當(dāng)顆粒表面的氧化鐵薄膜不能控制產(chǎn)生的CO 氣體時(shí)，就有爆裂現(xiàn)象發(fā)生從而形成火花。爆裂的碎粒若仍殘留未參加反應(yīng)的FeO 和C 時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，則出現(xiàn)二次、三次或多次爆裂火花。根據(jù)火花的火束粗細(xì)、長(zhǎng)短、花次層疊程度和它的色澤變化情況即可大致確定材料中的碳含量范圍。（2）火花特點(diǎn)

一般而言，通常低碳鋼的火花束比較長(zhǎng)，流線(xiàn)比少，芒線(xiàn)稍微較粗，多為一次花，發(fā)光一般，帶暗紅色，無(wú)花粉；中碳鋼火花束較低碳鋼稍短，流線(xiàn)較細(xì)長(zhǎng)而多，爆花分叉較多，開(kāi)始出現(xiàn)二次、三次花，花粉較多，發(fā)光較強(qiáng)；高碳鋼火花束較短而粗，流線(xiàn)多而細(xì)，碎花、花粉多，分叉多且多為三次花，發(fā)光較亮顏色為橙色；鑄鐵的火花束很粗，流線(xiàn)較多，一般為二次花，花粉多，爆花多，尾部漸粗下垂成弧形，顏色多為橙紅[4]。整體而言，碳含量越高，火花束越粗且越短，爆花分叉越多，尾花下垂越厲害，火花顏色越亮。

2.2 金相法

金相法測(cè)定黑色金屬中碳含量的原理如圖所示。由圖1 可知，不同碳含量的黑色金屬在室溫條件下的組成相均為鐵素體F 和滲碳體Fe3C 或者石墨，各種相的相對(duì)含量多少與材料的碳含量之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。除此之外，隨著碳含量的變化，鐵素體F 和滲碳體Fe3C 或者石墨會(huì)構(gòu)成不同的混合狀態(tài)，依次形成鐵素體、珠光體+鐵素體、珠光體、珠光體+二次滲碳體、珠光體+二次滲碳體+變態(tài)萊氏體、變態(tài)萊氏體、變態(tài)萊氏體+一次滲碳體、珠光體+石墨、鐵素體+石墨等幾種組織，每種組織中的組織組成物的相對(duì)含量與碳含量之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，可以對(duì)未知黑色金屬進(jìn)行金相試樣制備，再進(jìn)行金相組織分析，通過(guò)鐵素體、珠光體、變態(tài)萊氏體和滲碳體（或者石墨）的比例對(duì)碳含量進(jìn)行計(jì)算[5]，或者通過(guò)金相分析所看到的組織與標(biāo)準(zhǔn)金相組織圖片相對(duì)比的方法確定碳含量。

圖1 黑色金屬的成分與室溫組成相及其組織之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

一般而言，對(duì)于只有兩只組織組成構(gòu)成的金相組織，由于鐵素體和珠光體的密度相差無(wú)幾，可以根據(jù)金相組織中鐵素體和珠光體所占據(jù)的面積比例借助杠桿定理的原理確定碳含量；對(duì)于具有三種組織組成物的金相組織，需先將變態(tài)萊氏體（珠光體+共晶滲碳體+二次滲碳體）分離成珠光體和滲碳體，再根據(jù)所有的滲碳體與珠光體的相對(duì)比例利用杠桿定理的原理確定碳含量。

2.3 最高硬度法

黑色金屬材料的工藝性能的中的淬硬性指的是指鋼正常淬火條件下獲得的組織所能達(dá)到的最高硬度值，該硬度值取決于其中的碳含量，且與碳含量之間存在一一對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)關(guān)系如圖2 所示。根據(jù)圖2 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量出未知成分材料的最高硬度值，即可估算出該材料的碳含量。

2.4 光電法

光電法測(cè)量碳含量的原理[6]是黑色金屬常溫條件下是由白色的鐵素體和黑色的珠光體的組織組成物所構(gòu)成，不同碳含量材料的組織組成物的相對(duì)含量不同，導(dǎo)致了它們的金相組織表面的反射光強(qiáng)度互不相同。用硅光電池將其材料表面的反射光轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，即可根據(jù)該電壓信一號(hào)的大小可以判定碳鋼的碳含量。

2.5 其它方法

除了上述方法之外，還查閱到有稱(chēng)重法、分光光度計(jì)法、光譜法等其它方法[7]。

3 實(shí)踐操作

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況和為了能夠重復(fù)再利用以節(jié)省原材料，最終確定了采用火花法、金相法、最高硬度法等三種方檢測(cè)法，并且要求每位同學(xué)依次按照金相法→火花法→最高硬度法的順序進(jìn)行碳含量測(cè)定。

3.1 金相法

通過(guò)對(duì)外觀(guān)基本相同的20 鋼、45 鋼、T8 鋼、T12 鋼和鑄鐵等五個(gè)試樣進(jìn)行倒角、粗磨、精磨、拋光、腐蝕和金相觀(guān)察，得到如圖3 所示的金相組織圖。

根據(jù)圖3 中的A、B、C、D、E 五張圖片中各種組織組成物的相對(duì)含量，采用杠桿定理計(jì)算的方法、或者通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)金相圖譜相對(duì)比的方法，同學(xué)們很快就鑒別出了A、B、C、D、E 五張圖片對(duì)應(yīng)的原材料分別是T12、鑄鐵、20鋼、T8 鋼和45 鋼。

圖2 最高硬度值與碳含量之間關(guān)系曲線(xiàn)

圖3 材料的金相組織圖

3.2 火花法

為了減少由于同一學(xué)生一直使用同一組試樣而造成的定勢(shì)思維，提高綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在金相分析結(jié)束后老師把所有的試樣收起來(lái)，然后再重新隨機(jī)將試樣分發(fā)給學(xué)生，要求每位同學(xué)按照打火花的方法進(jìn)行材料成分鑒定。圖4 是某位同學(xué)拍到的花火。

由于20 鋼、45 鋼、T8 鋼和T12 鋼的碳含量分別是0.2%、0.45%、0.8%和12%。由于火花束具有“碳含量越高，花火流線(xiàn)越多，火花束越粗且越短，爆花分叉越多，尾花下垂越厲害，火花顏色越亮”的特點(diǎn)。所以大部分同學(xué)能夠較快正確判定圖4 中試樣A、B、C、D 和E 試樣對(duì)應(yīng)的材料分別是20 鋼、45 鋼、鑄鐵、T12 鋼和T8 鋼。也有30%的同學(xué)錯(cuò)誤判定A、B、C、D 和E 試樣對(duì)應(yīng)的材料分別是45 鋼、T8 鋼、20 鋼、鑄鐵和T12 鋼。判定錯(cuò)誤的原因是這些同學(xué)沒(méi)有結(jié)合金相組織進(jìn)行判斷，本實(shí)驗(yàn)所用的鑄鐵是球墨鑄鐵（組織如圖3-B 是鐵素體+石墨），打火花的效果相當(dāng)于純鐵，所以花火流線(xiàn)極少的C 樣是鑄鐵。

3.3 最高硬度法

同理，將試樣收起來(lái)后再隨機(jī)分發(fā)，每個(gè)學(xué)生將自己的五個(gè)試樣編完號(hào)后放到850℃的加熱爐中保溫25 分鐘，然后將試樣快速淬入水中，完全冷卻后分別測(cè)量它們的硬度值，某位同學(xué)測(cè)量到五個(gè)試樣淬火后的平均硬度值如表2 所示。

從表2 可以看出，表中各編號(hào)試樣淬火的硬度無(wú)法和圖2 中碳含量分別為0.2%、0.45%、0.8%、1.2%的硬度形成良好的對(duì)應(yīng)，但是大部分同學(xué)能夠根據(jù)其硬度值變化趨勢(shì)，能夠大致判定表2 中1→5 各試樣分別是T8 鋼、20 鋼、T12 鋼、45 鋼和鑄鐵。

圖4 各種材料的火花圖

表2 五個(gè)試樣的最高硬度值

4 結(jié)束語(yǔ)

在上述的三種材料成分鑒別方法中，金相分析法操作最為簡(jiǎn)單，由于組織圖片直觀(guān)清晰，各組織組成物的相對(duì)含量與碳含量之間存在嚴(yán)格的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以分析結(jié)果也最為準(zhǔn)確，基本上發(fā)現(xiàn)鑒別錯(cuò)誤的情況，可用于完全未知碳含量情況下的碳量測(cè)定。盡管火花的流線(xiàn)特性與材料的碳含量具有特點(diǎn)的定性關(guān)系，但是無(wú)法準(zhǔn)確確定某未知碳含量材料的碳含量，在若干成分材料混料的情況下可以采用火花法進(jìn)行鑒別；除此之外，火花法具有一定的危險(xiǎn)性，需要一定的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于最高硬度法，由于硬度-碳含量關(guān)系曲線(xiàn)是一條先上升后保持水平或者緩慢下降的曲線(xiàn)，當(dāng)碳含量達(dá)到0.6%時(shí)，最高硬度值基本上達(dá)到峰值，所以采用與最高硬度曲線(xiàn)相對(duì)比的方法能較準(zhǔn)確的測(cè)量出C%<0.60%的碳鋼中的含碳量，而含碳高于0.60%的碳鋼，由于曲線(xiàn)幾乎與橫坐標(biāo)系平行（稍有下降），所以本法不適合碳含量較高的材料成分鑒別。