金屬材料綜合性實驗
——碳含量的測定*

鐘濤生，王曉娟，黎文博，趙英杰

（江西理工大學 應用科學學院，江西 贛州341000）

高等教育的辦學目標是培養具備扎實基礎理論和熟練掌握基本技能的高素質人才。基礎理論的掌握依靠理論課堂教學來解決，而基本實踐技能的提高須靠實驗教學來完成。因此在高等教育中開展實驗教學顯得尤為必要。實驗教學中的專業綜合性實驗在培養學生的動手能力、專業知識綜合應用能力、專業生產問題解決能力和良好的科學素質訓練等方面具有不可替代的優勢[1-3]，在實驗教學環節中具有至關重要的地位，2014 年2 月26 日國務院常務會議中李克強總理提出“引導一批普通本科高校向應用技術型轉型”之后，我院也意識到了開設專業綜合型實驗的重要性和必要性，并確定了在材料類專業（即金屬材料工程和材料成型與控制）試點率先進行專業綜合性實驗教學，現就其中的黑色金屬材料中碳含量測定的實驗方案與實踐分享如下。

1 布置任務

綜合實驗第一天即召集同學，給每個同學分發20鋼、45 號、T8 鋼、T12 鋼和鑄鐵等幾種成分不同、但是形狀和色澤外觀極為相似的黑色金屬圓棒，要求同學們通過查閱文獻書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并檢查各位同學查閱資料的整理情況，隨機抽查部分同學進行材料匯報，并對各種材料鑒別方法的可行性進行研討，從而確定出三種最為可行的鑒別方法進行實驗操作實踐。總體實驗方案與進程如表1 所示。

2 查閱碳含量測定方法的相關資料

要求同學們利用四天時間到圖書閱覽室或者電子閱覽室查閱相關的文獻資料。根據最近三屆學生綜合實驗的實踐，同學們查閱了相關書籍和文獻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定碳鋼中碳含量的方法。各種方法的原理如下：

表1 綜合實驗進度安排

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，放在砂輪機上與高速轉動的砂輪發生摩擦，由于砂輪的磨削作用產生碎屑，碎屑在離心力的作用下會繼續沿著砂輪與材料接觸點的切線方作高速運動。同時被磨削熱加熱成熔融狀態，形成光亮的流線，當流線中熔融狀態的金屬顆粒與空氣中的氧接觸時表面被強烈氧化，形成一層FeO 薄膜。鋼中的碳在高溫下與FeO 中的氧發生反應，FeO+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循環進行，會不斷產生出CO 氣體，當顆粒表面的氧化鐵薄膜不能控制產生的CO 氣體時，就有爆裂現象發生從而形成火花。爆裂的碎粒若仍殘留未參加反應的FeO 和C 時，將繼續發生反應，則出現二次、三次或多次爆裂火花。根據火花的火束粗細、長短、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

一般而言，通常低碳鋼的火花束比較長，流線比少，芒線稍微較粗，多為一次花，發光一般，帶暗紅色，無花粉；中碳鋼火花束較低碳鋼稍短，流線較細長而多，爆花分叉較多，開始出現二次、三次花，花粉較多，發光較強；高碳鋼火花束較短而粗，流線多而細，碎花、花粉多，分叉多且多為三次花，發光較亮顏色為橙色；鑄鐵的火花束很粗，流線較多，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，各種相的相對含量多少與材料的碳含量之間存在一一對應關系。除此之外，隨著碳含量的變化，鐵素體F 和滲碳體Fe3C 或者石墨會構成不同的混合狀態，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+變態萊氏體、變態萊氏體、變態萊氏體+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含量與碳含量之間存在一一對應的關系。因此，可以對未知黑色金屬進行金相試樣制備，再進行金相組織分析，通過鐵素體、珠光體、變態萊氏體和滲碳體（或者石墨）的比例對碳含量進行計算[5]，或者通過金相分析所看到的組織與標準金相組織圖片相對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應關系

一般而言，對于只有兩只組織組成構成的金相組織，由于鐵素體和珠光體的密度相差無幾，可以根據金相組織中鐵素體和珠光體所占據的面積比例借助杠桿定理的原理確定碳含量；對于具有三種組織組成物的金相組織，需先將變態萊氏體（珠光體+共晶滲碳體+二次滲碳體）分離成珠光體和滲碳體，再根據所有的滲碳體與珠光體的相對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應的曲線關系如圖2 所示。根據圖2 之間的對應關系，測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成，不同碳含量材料的組織組成物的相對含量不同，導致了它們的金相組織表面的反射光強度互不相同。用硅光電池將其材料表面的反射光轉變為電壓信號，即可根據該電壓信一號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，還查閱到有稱重法、分光光度計法、光譜法等其它方法[7]。

3 實踐操作

根據實驗室現有的實驗設備情況和為了能夠重復再利用以節省原材料，最終確定了采用火花法、金相法、最高硬度法等三種方檢測法，并且要求每位同學依次按照金相法→火花法→最高硬度法的順序進行碳含量測定。

3.1 金相法

通過對外觀基本相同的20 鋼、45 鋼、T8 鋼、T12 鋼和鑄鐵等五個試樣進行倒角、粗磨、精磨、拋光、腐蝕和金相觀察，得到如圖3 所示的金相組織圖。

根據圖3 中的A、B、C、D、E 五張圖片中各種組織組成物的相對含量，采用杠桿定理計算的方法、或者通過與標準金相圖譜相對比的方法，同學們很快就鑒別出了A、B、C、D、E 五張圖片對應的原材料分別是T12、鑄鐵、20鋼、T8 鋼和45 鋼。

圖2 最高硬度值與碳含量之間關系曲線

圖3 材料的金相組織圖

3.2 火花法

為了減少由于同一學生一直使用同一組試樣而造成的定勢思維，提高綜合實驗教學效果，在金相分析結束后老師把所有的試樣收起來，然后再重新隨機將試樣分發給學生，要求每位同學按照打火花的方法進行材料成分鑒定。圖4 是某位同學拍到的花火。

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。所以大部分同學能夠較快正確判定圖4 中試樣A、B、C、D 和E 試樣對應的材料分別是20 鋼、45 鋼、鑄鐵、T12 鋼和T8 鋼。也有30%的同學錯誤判定A、B、C、D 和E 試樣對應的材料分別是45 鋼、T8 鋼、20 鋼、鑄鐵和T12 鋼。判定錯誤的原因是這些同學沒有結合金相組織進行判斷，本實驗所用的鑄鐵是球墨鑄鐵（組織如圖3-B 是鐵素體+石墨），打火花的效果相當于純鐵，所以花火流線極少的C 樣是鑄鐵。

3.3 最高硬度法

同理，將試樣收起來后再隨機分發，每個學生將自己的五個試樣編完號后放到850℃的加熱爐中保溫25 分鐘，然后將試樣快速淬入水中，完全冷卻后分別測量它們的硬度值，某位同學測量到五個試樣淬火后的平均硬度值如表2 所示。

從表2 可以看出，表中各編號試樣淬火的硬度無法和圖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應，但是大部分同學能夠根據其硬度值變化趨勢，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 五個試樣的最高硬度值

4 結束語

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單，由于組織圖片直觀清晰，各組織組成物的相對含量與碳含量之間存在嚴格的定量對應關系，所以分析結果也最為準確，基本上發現鑒別錯誤的情況，可用于完全未知碳含量情況下的碳量測定。盡管火花的流線特性與材料的碳含量具有特點的定性關系，但是無法準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行鑒別；除此之外，火花法具有一定的危險性，需要一定的經驗。對于最高硬度法，由于硬度-碳含量關系曲線是一條先上升后保持水平或者緩慢下降的曲線，當碳含量達到0.6%時，最高硬度值基本上達到峰值，所以采用與最高硬度曲線相對比的方法能較準確的測量出C%<0.60%的碳鋼中的含碳量，而含碳高于0.60%的碳鋼，由于曲線幾乎與橫坐標系平行（稍有下降），所以本法不適合碳含量較高的材料成分鑒別。