金属材料综合性实验——碳含量的测定*

钟涛生，王晓娟，黎文博，赵英杰

（江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州341000）

高等教育的办学目标是培养具备扎实基础理论和熟练掌握基本技能的高素质人才。基础理论的掌握依靠理论课堂教学来解决，而基本实践技能的提高须靠实验教学来完成。因此在高等教育中开展实验教学显得尤为必要。实验教学中的专业综合性实验在培养学生的动手能力、专业知识综合应用能力、专业生产问题解决能力和良好的科学素质训练等方面具有不可替代的优势[1-3]，在实验教学环节中具有至关重要的地位，2014 年2 月26 日国务院常务会议中李克强总理提出“引导一批普通本科高校向应用技术型转型”之后，我院也意识到了开设专业综合型实验的重要性和必要性，并确定了在材料类专业（即金属材料工程和材料成型与控制）试点率先进行专业综合性实验教学，现就其中的黑色金属材料中碳含量测定的实验方案与实践分享如下。

1 布置任务

综合实验第一天即召集同学，给每个同学分发20钢、45 号、T8 钢、T12 钢和铸铁等几种成分不同、但是形状和色泽外观极为相似的黑色金属圆棒，要求同学们通过查阅文献书籍整理出若干种黑色金属碳含量鉴别的方法和原理，然后再重新召集同学并检查各位同学查阅资料的整理情况，随机抽查部分同学进行材料汇报，并对各种材料鉴别方法的可行性进行研讨，从而确定出三种最为可行的鉴别方法进行实验操作实践。总体实验方案与进程如表1 所示。

2 查阅碳含量测定方法的相关资料

要求同学们利用四天时间到图书阅览室或者电子阅览室查阅相关的文献资料。根据最近三届学生综合实验的实践，同学们查阅了相关书籍和文献资料并整理出了重量法、火花法、金相法、光电法和最高硬度法等几种快速测定碳钢中碳含量的方法。各种方法的原理如下：

表1 综合实验进度安排

2.1 火花法

（1）火花鉴别法的原理

钢铁材料在一定的压力下，放在砂轮机上与高速转动的砂轮发生摩擦，由于砂轮的磨削作用产生碎屑，碎屑在离心力的作用下会继续沿着砂轮与材料接触点的切线方作高速运动。同时被磨削热加热成熔融状态，形成光亮的流线，当流线中熔融状态的金属颗粒与空气中的氧接触时表面被强烈氧化，形成一层FeO 薄膜。钢中的碳在高温下与FeO 中的氧发生反应，FeO+C→Fe+CO，使FeO还原；被还原的Fe 将再次被氧化，然后再次还原；这种氧化一还原反应循环进行，会不断产生出CO 气体，当颗粒表面的氧化铁薄膜不能控制产生的CO 气体时，就有爆裂现象发生从而形成火花。爆裂的碎粒若仍残留未参加反应的FeO 和C 时，将继续发生反应，则出现二次、三次或多次爆裂火花。根据火花的火束粗细、长短、花次层叠程度和它的色泽变化情况即可大致确定材料中的碳含量范围。（2）火花特点

一般而言，通常低碳钢的火花束比较长，流线比少，芒线稍微较粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，无花粉；中碳钢火花束较低碳钢稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强；高碳钢火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，分叉多且多为三次花，发光较亮颜色为橙色；铸铁的火花束很粗，流线较多，一般为二次花，花粉多，爆花多，尾部渐粗下垂成弧形，颜色多为橙红[4]。整体而言，碳含量越高，火花束越粗且越短，爆花分叉越多，尾花下垂越厉害，火花颜色越亮。

2.2 金相法

金相法测定黑色金属中碳含量的原理如图所示。由图1 可知，不同碳含量的黑色金属在室温条件下的组成相均为铁素体F 和渗碳体Fe3C 或者石墨，各种相的相对含量多少与材料的碳含量之间存在一一对应关系。除此之外，随着碳含量的变化，铁素体F 和渗碳体Fe3C 或者石墨会构成不同的混合状态，依次形成铁素体、珠光体+铁素体、珠光体、珠光体+二次渗碳体、珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体、变态莱氏体、变态莱氏体+一次渗碳体、珠光体+石墨、铁素体+石墨等几种组织，每种组织中的组织组成物的相对含量与碳含量之间存在一一对应的关系。因此，可以对未知黑色金属进行金相试样制备，再进行金相组织分析，通过铁素体、珠光体、变态莱氏体和渗碳体（或者石墨）的比例对碳含量进行计算[5]，或者通过金相分析所看到的组织与标准金相组织图片相对比的方法确定碳含量。

图1 黑色金属的成分与室温组成相及其组织之间的对应关系

一般而言，对于只有两只组织组成构成的金相组织，由于铁素体和珠光体的密度相差无几，可以根据金相组织中铁素体和珠光体所占据的面积比例借助杠杆定理的原理确定碳含量；对于具有三种组织组成物的金相组织，需先将变态莱氏体（珠光体+共晶渗碳体+二次渗碳体）分离成珠光体和渗碳体，再根据所有的渗碳体与珠光体的相对比例利用杠杆定理的原理确定碳含量。

2.3 最高硬度法

黑色金属材料的工艺性能的中的淬硬性指的是指钢正常淬火条件下获得的组织所能达到的最高硬度值，该硬度值取决于其中的碳含量，且与碳含量之间存在一一对应的曲线关系如图2 所示。根据图2 之间的对应关系，测量出未知成分材料的最高硬度值，即可估算出该材料的碳含量。

2.4 光电法

光电法测量碳含量的原理[6]是黑色金属常温条件下是由白色的铁素体和黑色的珠光体的组织组成物所构成，不同碳含量材料的组织组成物的相对含量不同，导致了它们的金相组织表面的反射光强度互不相同。用硅光电池将其材料表面的反射光转变为电压信号，即可根据该电压信一号的大小可以判定碳钢的碳含量。

2.5 其它方法

除了上述方法之外，还查阅到有称重法、分光光度计法、光谱法等其它方法[7]。

3 实践操作

根据实验室现有的实验设备情况和为了能够重复再利用以节省原材料，最终确定了采用火花法、金相法、最高硬度法等三种方检测法，并且要求每位同学依次按照金相法→火花法→最高硬度法的顺序进行碳含量测定。

3.1 金相法

通过对外观基本相同的20 钢、45 钢、T8 钢、T12 钢和铸铁等五个试样进行倒角、粗磨、精磨、抛光、腐蚀和金相观察，得到如图3 所示的金相组织图。

根据图3 中的A、B、C、D、E 五张图片中各种组织组成物的相对含量，采用杠杆定理计算的方法、或者通过与标准金相图谱相对比的方法，同学们很快就鉴别出了A、B、C、D、E 五张图片对应的原材料分别是T12、铸铁、20钢、T8 钢和45 钢。

图2 最高硬度值与碳含量之间关系曲线

图3 材料的金相组织图

3.2 火花法

为了减少由于同一学生一直使用同一组试样而造成的定势思维，提高综合实验教学效果，在金相分析结束后老师把所有的试样收起来，然后再重新随机将试样分发给学生，要求每位同学按照打火花的方法进行材料成分鉴定。图4 是某位同学拍到的花火。

由于20 钢、45 钢、T8 钢和T12 钢的碳含量分别是0.2%、0.45%、0.8%和12%。由于火花束具有“碳含量越高，花火流线越多，火花束越粗且越短，爆花分叉越多，尾花下垂越厉害，火花颜色越亮”的特点。所以大部分同学能够较快正确判定图4 中试样A、B、C、D 和E 试样对应的材料分别是20 钢、45 钢、铸铁、T12 钢和T8 钢。也有30%的同学错误判定A、B、C、D 和E 试样对应的材料分别是45 钢、T8 钢、20 钢、铸铁和T12 钢。判定错误的原因是这些同学没有结合金相组织进行判断，本实验所用的铸铁是球墨铸铁（组织如图3-B 是铁素体+石墨），打火花的效果相当于纯铁，所以花火流线极少的C 样是铸铁。

3.3 最高硬度法

同理，将试样收起来后再随机分发，每个学生将自己的五个试样编完号后放到850℃的加热炉中保温25 分钟，然后将试样快速淬入水中，完全冷却后分别测量它们的硬度值，某位同学测量到五个试样淬火后的平均硬度值如表2 所示。

从表2 可以看出，表中各编号试样淬火的硬度无法和图2 中碳含量分别为0.2%、0.45%、0.8%、1.2%的硬度形成良好的对应，但是大部分同学能够根据其硬度值变化趋势，能够大致判定表2 中1→5 各试样分别是T8 钢、20 钢、T12 钢、45 钢和铸铁。

图4 各种材料的火花图

表2 五个试样的最高硬度值

4 结束语

在上述的三种材料成分鉴别方法中，金相分析法操作最为简单，由于组织图片直观清晰，各组织组成物的相对含量与碳含量之间存在严格的定量对应关系，所以分析结果也最为准确，基本上发现鉴别错误的情况，可用于完全未知碳含量情况下的碳量测定。尽管火花的流线特性与材料的碳含量具有特点的定性关系，但是无法准确确定某未知碳含量材料的碳含量，在若干成分材料混料的情况下可以采用火花法进行鉴别；除此之外，火花法具有一定的危险性，需要一定的经验。对于最高硬度法，由于硬度-碳含量关系曲线是一条先上升后保持水平或者缓慢下降的曲线，当碳含量达到0.6%时，最高硬度值基本上达到峰值，所以采用与最高硬度曲线相对比的方法能较准确的测量出C%<0.60%的碳钢中的含碳量，而含碳高于0.60%的碳钢，由于曲线几乎与横坐标系平行（稍有下降），所以本法不适合碳含量较高的材料成分鉴别。