1、實驗一金相樣品的制備與顯微組織的顯露一、實驗目的：1、掌握金相樣品的制備過程；2、熟悉顯微組織的顯露方法。利用金相顯微鏡來研究金屬和合金的組織的方法叫顯微分析法。它可以解決金屬組織方面的很多問題，如非金屬夾雜物，金屬與合金的組織，晶粒的大小和形狀，偏析、裂紋以及熱處理操作是否合理等。金相樣品是用來在顯微鏡下進行分析、研究的試樣，所以對金相樣品的觀察面光潔度要求較高，要求達到鏡面一樣光亮，無一點劃痕。二、金相樣品的制備過程：金相樣品的制備過程包括：取樣、磨光、拋光、腐蝕以及觀察等步驟。1、取樣 金相樣品的取樣部位對金相分析較為重要。取樣的部位及觀察面的選擇應根據被檢驗材料或零件的特點、加工工藝及

2、分析研究的目的來確定，一定要具有代表性以達到研究金屬或合金的目的。例如：對于鑄造合金，考慮到組織的不均勻性，樣品應從表層到中心的各典型部位截取，研究零件的失效原因時，應在失效部位和完好的部位分別取樣，以便對比分析；對于軋材，研究表層缺陷，如夾雜物分布時，應橫向取樣，研究夾雜物類型、形狀，材料的變形程度，晶粒拉長程度，帶狀組織時，應橫向取樣；研究熱處理件時，因組織較為均勻可隨意取樣；對于表面處理的零件，樣品主要取自表面層。取樣時應保證試樣觀察面不發生組織變化。軟材料取樣用鋸、車、刨等方法截取；硬質材料可用金剛砂輪片切割；硬脆材料可用錘擊取樣。必須用電、氣焊切割時，應防止過熱和過燒。切口應距試樣面

3、50100。試樣的大小應以手拿操作方便及便于觀察即可。樣品的形狀一般大小如圖1-1所示。 圖1-1 試樣的尺寸形狀不規則或太小的（細絲和薄片）試樣，為了便于制備，應將樣品用試樣夾夾住或用低熔點金屬、電木粉或環氧樹脂鑲嵌成尺寸適合手握的試樣。如圖1-2所示。2、磨光 磨光分人工磨光和機械磨光兩種方法。2.1人工磨光：截取的試樣表面凹凸不平，首先用4060目的砂輪進行初次整平（或用鋼銼銼平），稱為粗磨，粗磨時要防止樣品過熱，引起組織變化，常用水冷卻；為防止在細磨中刮壞砂紙，應將樣品的棱角倒掉（表面熱處理試樣除外）。細磨在粒度不同的水砂紙和金相砂紙上按由粗到細的順序進行（常用的水砂紙為200400#

4、越大粒度越細）；金相砂紙為（1#5#）。磨制時要注意：每換一號砂紙，樣品要掉轉90（也就是與上一號砂紙的磨痕方向相垂直），將上一號砂紙的磨痕全部磨掉后，再更換更細一號砂紙。注意事項：磨樣時要把砂紙墊平，用力要均勻，方向要一致，防止來回磨和左右磨，以便觀察上一道砂紙的磨痕是否完全被磨掉。磨軟材料時，可在砂紙上涂一層潤滑油，如機油、煤油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入樣品表面。 圖1-2 試樣的鑲嵌2.2機械磨光：磨削過程與人工磨光過程相同，機械磨光是將粒度不同的水砂紙貼在預磨機的轉盤上，磨光時對樣品的壓力不可過大，并及時加水冷卻。同樣每換一號砂紙時將樣品用水洗凈，以防粗砂粒被帶到下一道砂紙上。3、

5、拋光 拋光是磨光的繼續，使磨光表面更加光亮平滑，獲得象鏡面一樣光亮的觀察面。拋光可以采用機械拋光、電解拋光、化學和機械拋光等方法，使用最廣泛的是機械拋光，3.1機械拋光：樣品經砂紙磨制后要用水沖洗干凈，防止砂粒或金屬屑帶入拋光盤中，拋光是在拋光機上進行的，分為粗拋光和細拋光兩道工序。試樣磨好用水沖洗后首先進行粗拋光，在拋光盤上放置帆布或呢子，在帆布或呢子上撒拋光劑（2%的AI2O3或Cr2O3的水懸濁液）。拋光機由一個電機帶動拋光盤逆時針轉動，試樣磨面均勻平整地壓在旋轉的拋光盤上，隨著拋光盤不停的旋轉（拋光液中的AI2O3或Cr2O3起砂粒磨削樣品的作用，水起冷卻作用）。樣品不停的被磨削直到原

6、來砂紙的磨痕全部被拋掉為止。粗拋光完成后進行細拋光，拋光劑為水，細拋光過程同粗拋光，直到樣品表面象鏡面一樣光亮為止。注意事項：拋光時要不間斷地向拋光盤上撒拋光劑，頭一定要抬起來，身子站直，手要握穩試樣，防止拋光過程中試樣飛出發生意外。 3.2電解拋光：對于軟金屬和容易發生加工硬化的合金，特別是有易剝落的夾雜物的合金，應采用電解拋光。電解拋光時，將試樣放入電解槽中作陽極，以不銹鋼或鋁板做陰極。要使拋光的表面與陰極表面成相對位置，通過直流電，使樣品表面凸起部分被溶解而達到拋光目的，電解拋光的速度快，表面光潔，并可以免除機械拋光所形成的塑性變形，但工藝規范不易控制。電解拋光所用的電解液成分，陰極材料

7、以及電壓、電流密度、電解時間等，要根據被拋光的材料來確定。常用電解拋光液及規范見表1-1。表1-1常用電解拋光液及規范電解液組分（體積比）拋光材料拋光規范備注電流密度（A/2）時間電解液溫度H3PO438%甘油53%H2O9%不銹鋼0.51.537分50100i1 A/2純鋼0.10.25310分1530I=0.22 A/25分最佳HClO420%甘油10%酒精70%不銹鋼1.515秒小于50要求有較高的槽壓電解液不得超過50超過有危險碳鋼1.252.515秒鋁等0.5510秒H3PO4100ml甘油6 ml銅銅合金0.10.115510分1530電解液溫度高，表面易氧化。H3PO488 ml

8、H2SO412 ml鉻酐6克鋁1211.5分7090磷酸鉻酐不銹鋼126080奧氏體鋼46分。馬氏體鋼、珠光體鋼23分。合金鋼碳鋼0.360703.3化學拋光：化學拋光是依靠化學試劑對樣品的選擇性溶解作用，將磨痕去除的一種方法，化學拋光一般總不是太理想的。若和機械拋光結合，利用化學拋光劑邊腐蝕邊機械拋光可以提高拋光效能。常用的化學拋光液的成分見表1-2。4、腐蝕即金相組織的顯露，其原理如下：化學浸蝕劑對金屬或合金樣品表面所起的浸蝕作用，可以說是簡單的化學溶解作用或是電化學作用。純金屬及單相合金的浸蝕是一個化學溶解過程，磨面表層原子被溶于浸蝕劑中。在溶解中由于晶粒和晶粒之間，晶粒和晶界之間溶解速

9、度不同，組織就被顯示出來。由于晶界上原子排列的規律性差、位于晶界上的原子具有較高的自由能，所以晶界處容易被浸蝕成溝壑，因此，在金相顯微鏡下能夠看到多邊形的固溶體晶粒，若使浸蝕繼續進行，則浸蝕劑對晶粒本身起溶解作用，金屬原子的溶解多是沿著原子排列最密的面進行，由于磨面上各個晶粒中原子排列的位向不同，而浸蝕后各晶粒傾斜了不同的角度在垂直光線的照射下，將顯示出明暗不一的晶粒。浸蝕順序如下：拋光后的樣品表面，用水和酒精洗滌干凈，然后進行浸蝕。樣品拋光面浸入浸蝕劑中，拋光面呈暗灰色即可。腐蝕時間最短的僅需幾秒鐘，長的需10多分鐘，據樣品的成分、外界溫度及浸蝕劑的配比不同而不同。腐蝕好的試樣經酒精洗滌，用

10、熱風吹干即可進行顯微組織觀察。表1-2 化學拋光液的成分編號拋光液成分適用材料1草酸2.5g硫酸1.5ml過氧化氫10 g水100 mlAI2O3或Cr2O3粉1020 g碳鋼、鋼鐵2鉻酐10 g水100 mlAI2O3或Cr2O31020 g鋼鐵、非金屬夾雜、不銹鋼3草酸5 g過氧化氫（30%）46 ml硫酸銅0.5 g水100 ml高錳鋼、奧氏體不銹鋼4HCl5 ml過氧化氫（30%）3 ml氫氟酸（12%）5 ml同上三、實驗所用儀器設備：低碳鋼試樣，水砂紙，金相砂紙，玻璃板，金相拋光機，拋光粉，腐蝕用酒精、硝酸，金相顯微鏡等。四、實驗報告要求：1、簡述金相樣品的制備及顯微組織的顯露過程

11、，2、畫出自己制備的金相樣品的顯微組織。本實驗依據的標準：GB2975-82鋼材力學及工藝性能試驗取樣規定GB/T13298-91金屬顯微組織檢驗方法實驗二 金屬鑄錠組織金屬的結晶，是形核和長大的過程，鑄錠結晶后的組織，其晶粒大小決定于形核率和長大速率，也就是取決于過冷度的大小和非自發形核的作用。而晶粒的形狀還與結晶過程中的散熱條件有關。柱狀晶與粗大等軸晶區的發展程度與下列因素有關：A、冷卻速度：冷卻速度越大，則表面與中心的溫差越大，柱狀晶體越能向內發展，中心等軸晶區也就越小，可以改變鑄模的溫度，使鑄錠的組織發生變化。如選用導熱良好的銅模，比之用導熱稍差的鋼模、水冷的金屬模和比之空氣冷卻的金屬

12、模、壁厚的金屬模比之用同一材料做成的壁薄的金屬模，柱狀晶的發展均較顯著。反之，如果使用預熱的砂模，則甚至可以出現全部粗大的等軸晶。B、澆鑄條件：提高澆鑄時的液體溫度以及提高澆鑄速度，則促使柱狀晶區發展。因為在這樣的澆鑄條件下，注入錠模內的液體溫度高，內外溫度梯度大，促使柱狀晶長大，柱狀晶向內長大時，如要內部液體要結晶，其溫度必須降低到熔點以下，才能產生等軸軸晶晶核，故要放出較多的熱量。即需要更長的時間，這樣柱狀晶就有充分的時間向內生長而不受阻。此外，由于內部液體溫度高，即過熱大，非自發的形核機會也就減少，這也促使柱狀晶發展的一個原因。C、凝固條件：澆鑄時，把液體進行機械振動或用超聲波振動，可以

13、使柱狀晶區大大減少，當振動的頻率足夠大或鑄錠的體積不大。脆弱的樹枝晶震碎，這些細的枝晶可作為晶核。D、外來雜質的影響：澆鑄時，在液體中加入少量可以作為變質劑的元素，合金或化合物從而促使非自發形核，使鑄錠組織細化，這一過程稱之為變質處理。如在A1的熔液中加入細的Ti粉，結晶后使晶粒大大細化，這可能是由于Ti在A1中形成TiA1，而促使非自發形核的緣故。一、實驗目的：1、觀察金屬鑄錠的三個晶區的形態；2、分析澆注條件（鋼錠模的厚薄、錠模的材料、錠模的溫度、液體金屬的過熱度）對三個晶區的影響。二、實驗步驟：本實驗用純鋁做樣品，坩堝內放入鋁塊，在箱式爐內加熱，加熱溫度要高于鋁的熔點150，使之融化。待

14、試樣完全熔化后澆注，觀察其三種晶區的分布和形態。試驗前將厚薄不同的金屬模、砂模準備好，并擺放整齊，注意便于澆注金屬液體。1、將鋁塊放入坩堝，放到箱式電阻爐中加熱到熔點以上100150熔化，保溫30分鐘；2、將鋁液分別澆注進厚薄不同的金屬模、砂模、及預熱的金屬模中（取出熔化好的試樣時為防止燙傷帶石棉手套，夾緊化鋁坩堝，對準好澆注口，緩慢地將鋁液澆入不同的坩堝）；3、在相同的冷卻條件下，鋁液完全結晶后脫掉金屬模和砂模。并立即在鑄錠上分別打上相應條件的標記；4、完全冷卻的鋁錠，夾在臺鉗上用手工鋼鋸沿中心線縱向剖開鋁錠至離下端1015處；5、距鋁錠下端1015處，垂直鋁錠軸線方向切斷鋁錠使其成三塊；6

15、、用砂紙將鋁錠剖開面磨平；7、用王水（HCl:HNO3=3:1）熱浸腐蝕（注意在實驗過程中防止酸液噴濺污染衣物或燒傷皮膚）后用熱水洗滌，即可直接進行觀察，分析澆鑄條件對三個不同晶區的影響。三、實驗內容簡述：金屬結晶得到的三種晶區是由鑄錠冷卻條件確定的。液態金屬倒入鑄錠模中，結晶首先由模壁開始，在靠近模壁處，過冷度最大加上模壁凹凸不平，結晶核心產生的多，這些核心長大時，很快就互相碰撞，因此就形成了細小的等軸晶，這一晶區稱為細小等軸晶區或第一晶區。在第一晶區形成的過程中，模壁的溫度已經升高，溫度梯度減少。與液體接觸的晶粒要長大，很快上、下、左、右互相碰撞，在這些方向長大受到限制，唯一不受限制的方向

16、是向液體內長大，而這時由于垂直模壁方向散熱最快，就形成了許多與模壁垂直的粗大晶粒柱狀晶，這一晶區稱為柱狀晶區或第二晶區。由于模壁溫度繼續升高，溫度梯度減少，散熱速度逐漸下降，柱狀晶長大速度也逐漸減少，與金屬液體交錯的柱狀晶的前沿被液體沖刷又溶于液體中，在金屬液體中又造成了很多結晶核心。由于各方向散熱速度基本相同，所以這些核心各自向各個方向長大，從而在鑄錠心部形成了許多位向不同的粗大等軸晶。這一晶區稱為粗等軸晶區或第三晶區。金屬鑄錠就是由這三個晶區組成，改變澆注條件將改變這三個晶區特別是柱狀晶區和粗等軸晶區的大小。生產上一般都希望鑄錠中柱狀晶區窄些，等軸晶區寬些，晶粒細小些。為了達到以上目的，生

17、產上一般采用：（1）液體的過熱度盡量少，以便在液體中保留足夠的結晶核心，細化結晶后的晶粒；（2）減少溫度梯度，阻止和減少柱狀晶的發展，促進等軸晶的形成；（3）加強流動運動，有利于破碎粗大晶粒，給各個晶粒造成相同的長大條件以利于等軸晶的發展；（4）人為地添加促進結晶核心形成的元素或合金，提高形核率，細化晶粒。四、實驗用的儀器設備：金屬坩堝箱式加熱爐及爐溫控制儀表純鋁塊厚壁金屬模2個，壁厚10mm，薄壁金屬模2個 ，壁厚5mm（結構見圖3）砂模2個，壁厚70mm鐵夾鉗2把鋼鋸4把臺鉗4部五、實驗報告要求：1、分析比較各種條件對三個晶區的影響；2、畫出所觀察不同澆注條件下鑄錠的縱、橫斷面的組織示意圖

18、。 厚模 薄模圖3 金屬模結構尺寸圖實驗三 金屬的變形與再結晶一、實驗目的：通過本實驗要了解變形金屬發生的再結晶現象及再結晶后晶粒大小與變形量和退火溫度間的關系。二、實驗內容簡述：金屬的變形及再結晶行為是非常重要的冶金現象，對金屬的性能有很大的影響。金屬和合金冷塑性變形后，在組織、結構和性能等方面都發生了相當復雜的變化。顯微觀察證明：晶粒被拉長或壓扁；性能檢測顯示：硬度強度提高。為了提高金屬的塑性以便繼續加工，一般要進行退火，使金屬的硬度、強度下降而塑性提高，原來變形后被拉長或壓扁的晶粒隨著退火溫度的升高或保溫時間的延長形核后由細小的等軸晶逐漸長大，這一形核和長大過程叫再結晶。變形后的再結晶過

19、程分為：回復、再結晶和晶粒長大三個階段。1、回復階段：加熱溫度低于再結晶溫度；1.1金相觀察：顯微組織幾乎沒有發生變化，晶粒仍是被拉長或壓扁的，細長的和加熱前的沒有多大區別；1.2內應力有所消除；1.3硬度、強度緩慢下降，塑性有所提高；2、再結晶階段：加熱溫度達到再結晶溫度后金屬發生再結晶，對純金屬來講T再結晶=0.4T熔點。2.1顯微觀察：開始有小的等軸晶形成，并隨著溫度的升高直到完全由細小的等軸晶代替變形時被拉長或壓扁的細長的晶粒；2.2內應力很快下降，直到全部消除；2.3硬度、強度明顯下降，塑性顯著提高。3、長大階段：加熱溫度明顯的高于再結晶溫度或保溫時間過長，將會發生晶粒長大現象。3.

20、1顯微觀察：由再結晶后的細小的等軸晶，隨著加熱溫度的升高，晶粒越來越大；3.2硬度、強度下降緩慢，塑性開始緩慢下降。三、實驗步驟：1、為了冷變形容易，及觀察組織方便，本實驗選用低碳的08號鋼作為試樣，經退火軟化得到等軸多邊形鐵素體晶粒組織。2、將退火后的08號鋼，經不同程度的冷變形。變形量按下面公式計算：=式中：h0-變形前厚度 h1-變形后厚度 -變形量（%）本實驗采用50%、70%兩個變形量的08號鋼。3、將不同變形量的試樣分別加熱到400、500、700，各保溫30分鐘使其分別進行回復，再結晶和長大過程，然后出爐空冷至室溫。試樣編號、變形量、退火溫度間的關系見下表：試樣編號0050545

21、55770747577變形量 （ %）未變形5050505070707070退火溫度（）原始狀態未退火400500700未退火400500700表中試樣號的第一位數字代表變形量；第二位數字代表退火溫度。4、將各條件試樣制成金相樣品，用金相顯微鏡觀察分析。5、測定原始組織、變形、回復、再結晶及長大各條件下的硬度值。四、實驗報告要求：1、畫出50%、70%變形量的：變形、回復、再結晶及長大的組織示意圖。2、記錄50%、70%變形量的各階段的硬度值。3、分析08號鋼變形、經400、500、700退火的組織結構變化及性能變化的原因。實驗四 鐵碳合金平衡組織觀察一、實驗目的：1、觀察和識別鐵碳合金（碳鋼

22、和白口鑄鐵）在平衡狀態下的顯微組織特征；2、了解鐵碳合金成分（含碳量）對鐵碳合金顯微組織的影響，從而加深理解成分、組織、性能之間的關系；3、熟悉金相顯微鏡的使用。二、實驗內容簡述：FeFe3C狀態圖是研究鐵碳合金組織與成分關系的重要工具，了解和掌握FeFe3C狀態圖，對于制定鋼鐵材料的各種加工工藝有著很重要的指導意義。所謂平衡狀態的顯微組織是指合金在極緩慢的條件下冷卻到室溫所得到的組織。鐵碳合金的平衡組織主要是指碳鋼和白口鑄鐵的緩慢冷卻到室溫得到的組織，它們是（特別是碳鋼）工業上應用最廣泛的金屬材料，它們的性能與其顯微組織有密切的關系。從FeFe3C相圖可以看出，所有的碳鋼和白口鑄鐵的平衡組織

23、都是鐵素體（F）滲碳體（Fe3C）這兩個基本的相組成。但由于含碳量不同，結晶條件的差異，鐵素體和滲碳體的相對數量、形態、分布和混合情況不同，因此呈現各種不同特征的組織形態。根據FeFe3C狀態圖，組成FeFe3C合金的基本組織有以下幾種：1、鐵素體(F)：C%0.02%的鐵碳合金通常稱為工業純鐵，它是由鐵素體(F)組成。鐵素體是碳在Fe中的固溶體，具有體心立方晶格，其硬度較低（HB80120）但塑性、韌性很好，經3%5%的硝酸酒精浸蝕，鐵素體呈白亮色不規則的等軸晶粒，其中的黑色線條是鐵素體的晶界、隨著含碳量的升高，鐵素體逐漸減少，鐵素體較多時呈塊狀。當含碳量接近共析成分時鐵素體呈斷續網狀，分布

24、在珠光體周圍。2、滲碳體（Cm）：是鐵與碳的化合物，含碳量為6.69%、硬而脆（HB800以上）強度和塑性很差。經3%5%的硝酸酒精浸蝕呈白亮色，若用苦味酸鈉水溶液浸蝕則被染成黑褐色。滲碳體有三種形態：一次滲碳體是從液體中直接析出的。呈長條狀；二次滲碳體是從奧氏體中析出的，當奧氏體（A）轉變成珠光體（P）時，它呈網狀分布在珠光體周圍；三次滲碳體由鐵素體析出，量不多，在鐵素體邊界上或晶粒內部。3、珠光體（P）：是鐵素體和滲碳體的共析混合物。它是雙相結構組織，在一般退火情況下，珠光體是鐵素體和滲碳體交替分布的層狀組織，疏密程度不同，經3%5%的硝酸酒精或苦味酸溶液浸蝕，鐵素體相和滲碳體相均為白亮的

25、片層，其相界為黑線條。在不同的放大倍數下觀察，組織呈現出不太一樣的特征。在高倍（600倍以上）觀察時，珠光體由白亮的寬條鐵素體和白亮的窄條滲碳體組成相界是黑色線條。在中倍（400倍左右）觀察時，由于放大倍數較低，顯微鏡的鑒別能力小于滲碳體片層厚度，將滲碳體及鐵素體的相界看成一條黑色線條，實際上這條黑線包括一片滲碳體和兩條相界。在低倍（200倍以下）觀察時，由于放大倍數更低，顯微鏡的鑒別能力低得連較寬的鐵素體片層也分不開了，珠光體就成為黑塊組織。4、萊氏體（Ld）：是含碳4.3%的共晶白口鐵緩冷到室溫的產物，在1148時它是有奧氏體和滲碳體組成的共晶體。繼續冷卻是由奧氏體析出二次滲碳體在727以

26、下奧氏體轉變為珠光體。經3%5%的硝酸酒精浸蝕萊氏體黑點狀珠光體在白亮的滲碳基體上（滲碳體基體包括二次滲碳體和共晶滲碳體，它連在一起分不開）。萊氏體硬而脆，HB可達700，一般存在含碳量大于2.11%的白口鑄鐵中和某些高碳合金鋼中。三、幾種鋼的組織特征：1、亞共析鋼含碳量在0.02%0.77%之間。經3%5%的硝酸酒精浸蝕后，其組織為白亮的鐵素體黑白層相間的珠光體（其中白亮層為鐵素體層、黑層為一片滲碳體和兩個相界組成）；亞共析鋼隨著含碳量的增加鐵素體逐漸減少，珠光體逐漸增加。直到0.77%珠光體為100%時成為共析鋼。鐵素體和珠光體的含量可由杠桿定律求得，反之，估計出各組織組成物各自占面積的百

27、分數，可以近似計算出鋼的含碳量。2、共析鋼含碳量為0.77%，由100%的珠光體組成。經3%5%的硝酸酒精浸蝕后，為黑白相間的片層結構。3、過共析鋼含碳量為0.77%2.11%，組織為珠光體和二次滲碳體。經3%5%的硝酸酒精浸蝕二次滲碳體形成白亮的斷續網狀分布在黑白相間的珠光體周圍，隨著含碳量的增加二次滲碳體網越來完整，越來越粗。4、亞共晶白口鐵含碳量為2.11%4.3%，經3%5%的硝酸酒精浸蝕為黑白層相間的珠光體和以白亮的滲碳體的基體分布著點狀珠光體的萊氏體以及塊狀珠光體周圍的一層白亮的二次滲碳體的基體組成。含碳量越接近4.3%塊狀珠光體越少，萊氏體越多。5、共晶白口鐵含碳量為4.3%，組

28、織為100%的萊氏體。6、過共晶白口鐵，含碳量為4.3%6.69%，經3%5%的硝酸酒精浸蝕為白亮條狀一次滲碳體和白亮滲碳體基體分布著黑點狀珠光體的萊氏體組成。四、實驗報告要求：1、觀察下表中所列樣品的顯微組織，并聯系鐵碳平衡圖分析組織的形成過程。2、畫出所觀察金相樣品的顯微組織示意圖，并在圖中標出組織，在圖下標出：含碳量、組織、放大倍數、浸蝕劑。3、根據觀察的組織，說明含碳量對鐵碳合金的組織和性能影響的大致規律。4、本次實驗的體會表4-1 試樣號、成分、顯微組織和腐蝕條件試樣號樣品名稱狀態顯微組織浸蝕劑I1工業純鐵退火鐵素體3%硝酸酒精溶液I20.10%碳鋼退火鐵素體和珠光體3%硝酸酒精溶液

29、I30.4%碳鋼退火鐵素體和珠光體3%硝酸酒精溶液I40.77%碳鋼退火珠光體3%硝酸酒精溶液I51.2%碳鋼退火珠光體和網狀滲碳體3%硝酸酒精溶液I61.2%碳鋼退火珠光體和網狀滲碳體苦味酸鈉水溶液I7亞共晶白口鐵鑄造珠光體、二次滲碳體和萊氏體3%硝酸酒精溶液I8共晶白口鐵鑄造萊氏體3%硝酸酒精溶液I9過共晶白口鐵鑄造一次滲碳體和萊氏體3%硝酸酒精溶液附錄： 金相顯微鏡的結構及使用方法一、顯微鏡的成象原理：研究金屬磨面的金相組織的光學顯微鏡稱為金相顯微鏡，它與生物顯微鏡的不同點在于金相試片的磨面不能透過光線，因此顯微鏡是利用可見光在試片磨面上的反射成象來觀察金屬的組織。眾所周知，放大鏡是最簡

30、單的一種光學儀器，它實際上是一塊凸透鏡，利用它就可以將物體放大。其成象原理如圖4-1所示。 圖4-1放大鏡的光學原理圖當物體AB置于凸透鏡焦距以外時，得到倒立的放大實象AB 如圖1（a）所示，它的位置在2倍焦距以外。如果將物體AB放在凸透鏡焦距內，就可看到一個放大了的正的虛象AB如圖（b）所示。映象的長度與物體長度之比（ AB/ AB ）就是放大鏡的放大倍數（放大率），由于放大鏡到物體之間的距離a近似地等于凸透鏡的焦距（a=f），而放大鏡到影像間的距離b近似地相當于人眼的明視距離（250mm）故放大鏡的放大倍數為：N=250/a （4-1）由式（4=1）可知，透鏡的焦距f越短，則放大鏡的放大倍

31、數越大，一般采用的放大鏡焦距在10100毫米范圍內，因而放大倍數在2.525倍之間。進一步提高放大倍數，將會由于透鏡焦距縮短和表面曲率過分增大而使形成的映象變得模糊不清。為了得到更高的放大倍數，就要采用顯微鏡，顯微鏡可以使放大倍數達到15002000倍。顯微鏡不象放大鏡那樣由單個的透鏡組成，而是由兩組透鏡所組成。靠近被觀察物體的透鏡叫物鏡，而靠近人眼的透鏡叫目鏡。借助物鏡與目鏡的兩次放大，就能將物體放大到很高的倍數（2000倍）。圖4-2所示是在顯微鏡中得到放大物象的光學原理圖。圖4-2顯微鏡光學原理圖被觀察的物體AB放在物鏡之前距其焦距略遠一些的位置，由物體反射的光線穿過物鏡，經折射后得到一

32、個放大了的倒立實象AB，再經目鏡將實象AB放大成倒立虛象AB，這就是我們在顯微鏡下研究實物時所觀察到的經過二次放大后的物象。在顯微鏡設計時，讓目鏡的焦點位置與物鏡放大所成的實象位置接近，并使最終的倒立虛象在距眼睛250毫米（約等于人眼的正常明視距離）處成象，這樣就可以看得最為清晰。顯微鏡質量的好壞，主要取決于：（1）放大倍數；（2）透鏡的質量；（3）顯微鏡的鑒別能力。二、顯微鏡的放大倍數：顯微鏡包括兩組透鏡物鏡和目鏡。物鏡的放大倍數可由下式得出，即M物= L/ F1 （4-2）式中：L顯微鏡的光學鏡筒長度（即物鏡后焦點與前焦點的距離）； F1物鏡的焦距。 而AB經放大后的放大倍數則可由公式（4

33、-3）計算： M目= D/ F （4-3） 式中：D人眼的明視距離（250）；F目鏡焦距。顯微鏡的總放大倍數應為物鏡與目鏡放大倍數的乘積，即：M總=M物M目=（L/ F1）（D/ F） (4-4)顯微鏡的主要放大倍數通過物鏡來保證，物鏡的最高放大倍數可達100倍，目鏡的放大倍數可達25倍。放大倍數用符號“”表示，例如物鏡的放大倍數為25，目鏡的放大倍數為10，則顯微鏡的放大倍數為2510=250。放大倍數均分別標注在物鏡與目鏡的鏡筒上。在使用顯微鏡觀察物體時，應根據其組織的粗細情況，選擇適當的放大倍數。以細節部分觀察得清晰為準，不要盲目追求過高的放大倍數。因為放大倍數與透鏡的焦距有關，放大倍數

34、越大，焦距必須越小，結果會帶來許多缺陷，同時所看到的區域也越小。三、透鏡成象的質量：單個透鏡在成象過程中，由于幾何光學條件的限制，映象會變得模糊不清或發生畸變，這種缺陷稱為象差。象差主要包括球面象差和色象差。象差的產生降低了光學儀器的精確性。球面象差的產生是由于透鏡的表面呈球曲形，通過透鏡中心及邊緣的光線折射以后不能交于一點（如圖4-3（a）所示），而分成幾個交點前后分布；來自透鏡邊緣的光線靠近透鏡交集，而靠近透鏡中心的光線則交集在較遠的位置，這樣得到的映象顯然是不清晰的。球面象差的程度與光線通過透鏡的面積有關。光圈放得越大，則光線通過透鏡的面積越大，球面象差就越嚴重；反之，縮小光圈，限制邊緣

35、光線射入，使通過透鏡的光線只有中心的一部分，則可減小球面象差。但是光圈太小，也會由于透過的光線太少而影響成象的清晰度。校正透鏡球面差的方法采用多片透鏡組成透鏡組，即將凸透鏡和凹透鏡組合在一起（稱為復合透鏡），由于這兩種透鏡有著性質相反的球面差，因此可以相互抵消。色象差的產生是由于組成白光的各種不同波長的光線在穿過透鏡時折射率不同，其中紫色光線的波長最短，折射率最大，在離透鏡最近處成象；紅色光線的波長最長，折射率最小，在離透鏡最遠處成象；其余的黃、綠、藍等有色光線則在它們之間成象。這些光在平面上成的象不能集中一點，而呈現帶有彩色邊緣的光環（如圖4-3（b）所示）。色象差的存在也會降低透鏡成象的清

36、晰度，也應予以校正。通常采用單色光源（或加濾光片），也可使用復合透鏡。圖4-3透鏡產生象差的示意圖顯微鏡的放大作用主要取決于物鏡，物鏡質量的好壞直接影響顯微鏡成象的質量，所以對物鏡的校正是很重要的。物鏡的類型，根據對透鏡球面象差和色象差的校正程度不同而分為消色差物鏡、復消色差物鏡和半復消色差物鏡等。目鏡也是顯微鏡的主要組成部分，它的主要作用是將由物鏡放大所得的實象再度放大，因此它的質量將最后影響到物象的質量。按照目鏡的構造型式，一般可分為普通目鏡、補償目鏡和測微目鏡等。普通目鏡其映象未經校正，應與消色差物鏡配合使用。補償目鏡與復消色差物鏡或半復消色差物鏡配合使用，以抵消這些物鏡的殘余色象差。四

37、、顯微鏡的鑒別能力（鑒別率）：顯微鏡的鑒別能力是顯微鏡也是物鏡最重要的特性，它是指顯微鏡對于試樣上最細微部分所能獲得清晰映象的能力，通常用可以辨別的物體上兩點間的最小距離d來表示。被分辨的距離越短，表明顯微鏡的鑒別能力越高。顯微鏡的鑒別能力可由下式求得：d = = (4-5)式中：入射光源的波長；NA物鏡的數值孔徑，表示物鏡的聚光能力。可以看出，波長越短，數值孔徑越大，鑒別能力就越高，在顯微鏡中就能看到更細微的部分。數值孔徑可用下列公式求出：NA=sin （4-6）式中：物鏡與物體間介質的折射率； 通過物鏡邊緣的光線與物鏡軸線所成的角度。一般物鏡與物體之間的介質是空氣，光線在空氣中的折射率=1

38、，若一物體的角孔徑為60，則其數值孔徑為：NA=sin=1sin30=0.5。這樣，如果增大孔徑角或增大介質的折射率，就增大了物鏡的數值孔徑。物鏡在設計和使用中指定以空氣為介質的稱為“干系物鏡”（或干物鏡），以油為介質的稱為“油浸戲物鏡”（或油物鏡），油物鏡具有較高的數值孔徑，因為透過油進入到物鏡的光線比透過空氣進入的多，使物鏡的聚光能力增強，從而提高了物鏡的鑒別能力。物鏡的數值孔徑與放大倍數一起刻在鏡頭外殼，例如鏡頭上刻有25/0.50或65的下面刻有0.75等數字，這個0.50或0.75即表示物鏡的數值孔徑。高倍物鏡通常都為油浸系，油鏡頭用“油”（或OiL、OL、HL）或外殼涂一黑圈來表示

39、。五、顯微鏡放大倍數的選擇：經物鏡放大而得到的中間象，又經目鏡放大，但目鏡放大倍數是有一定范圍限制的，近似計算顯微鏡的有效放大倍數的經驗公式如下：N有效=（5001000）NA例如：某40物鏡其數值孔徑NA=0.65，則其有效放大倍數N有效為N總=N物N目；N總= N有效=（5001000）NA=（5001000）0.65=325650N總=（325650）/40=816所以選用的目鏡放大倍數為816，均可滿足要求，目鏡倍率小于8時，不能充分發揮物鏡的分辨能力。若大于16時，只是簡單的放大，而且使物象發暈。六、金相顯微鏡的構造：金相顯微鏡的種類和型式很多，最常見的有臺式、立式和臥式三類。金相顯

40、微鏡通常由光學系統、照明系統和機械系統三大部分組成，有的顯微鏡還附有攝影裝置。現以XJB1型臺式金相顯微鏡為例加以說明。XJB1型金相顯微鏡的光學系統如圖4-4所示，由燈泡1發出的光線經聚光透鏡組2及反光鏡8聚集到孔徑光攔9，再經過聚光鏡3聚集到物鏡的后焦面，最后通過物鏡平行照射到試樣7的表面，從試樣反射回來的光線復經物鏡組6和輔助透鏡5，由半反射鏡4轉向，經過輔助透鏡以及棱鏡造成一個被觀察物體的倒立的放大實象，該象再經過目鏡15的放大，就成為在目鏡視場中能看到的放大映象。圖4-4 XJB1型金相顯微鏡的光學系統1、照明系統：在底座內裝有一低壓（68V，15W）燈泡作為光源，由變壓器降壓供電，

41、靠調節次級電壓（68V）來改變燈光的亮度。聚光鏡、孔徑光攔及反光鏡等裝置在圓形底座上，視場光欄及另一聚光鏡則安裝在支架上，它們組成顯微鏡的照明系統，使試樣表面獲得充分、均勻的照明。2、顯微鏡調焦裝置：在顯微鏡體的兩側有粗動和微動調焦手輪，兩者在同一部位。隨粗調手輪6的轉動，支呈載物臺的彎臂作上下運動。在粗調手輪的一側有制動裝置，用以固定調焦正確后載物臺的位置。微調手輪5使顯微鏡本體沿著滑軌緩慢移動。在右側手輪上刻有分度格，每一格表示物鏡座上下移動0.002毫米。與刻度盤同側的齒輪箱上刻有二條白線，用以指示微動升降范圍，當旋到極限位置時，微動手輪就自動被限制住，此時，不能在繼續旋轉而應倒轉回來使

42、用。3、載物臺（樣品臺）用于放置金相樣品，載物臺和下面托盤之間有導架，用手推動，可使載物臺在水平面上作一定范圍的十字定向移動，以改變試樣的觀察部位。4、孔徑光欄和視場光欄：孔徑光欄裝在照明反射鏡座上，調整孔徑光欄能夠控制入射光束的粗細，以保證物象達到清晰的程度。視場光欄設在物鏡支架下面，其作用是控制視場光欄范圍。使目鏡中視場明亮而無陰影。在刻有直紋的套圈上還有兩個調節螺釘，用來調整光欄中心。5、物鏡轉換器：轉換器呈球面形，上有三個螺孔，可安裝不同放大倍數的物鏡，旋動轉換器可使各物鏡鏡頭進入光路，與不同的目鏡搭配使用，可獲得各種放大倍數。6、目鏡筒：目鏡筒呈45傾斜安裝在附有棱鏡的半球形座上，還

43、可將目鏡轉向90呈水平狀態以配合照明裝置進行金相攝影。七、金相顯微鏡的使用規程：金相顯微鏡是一種精密的光學儀器，使用時要求細心謹慎。在使用顯微鏡工作之前首先應熟悉其構造特點及各主要部件的相互位置和作用，然后按照顯微鏡的使用規程進行操作。1、顯微鏡的光源插頭插在變壓器上，通過低壓（68V）變壓器接通電源；2、根據放大倍數選用所需的物鏡和目鏡，分別安裝在物鏡座上及目鏡筒內，并使轉換器轉至固定位置（由定位器定位）；3、將試樣放在樣品臺中心，使觀察面朝下并用彈簧片壓住；4、轉動粗調手輪先使載物臺下降，同時用眼觀察，使物鏡盡可能接近試樣表面（但不得與試樣相碰）。然后向相反方向轉動粗動手輪，使載物臺漸漸上

44、升以調節焦距，當視場亮度增強時改用微調手輪調節，直到物象調整到最清晰程度為止；5、 調節孔徑光欄和視場光欄，以獲得最佳質量的物象；6、如果使用油浸系物鏡，則可在物鏡的前透鏡上滴一點松柏油，也可以將松柏油直接滴在試樣上。油鏡頭用后應立即用棉花沾取二甲苯溶液擦凈，再用擦鏡紙擦干。八、微鏡使用注意事項：1、作時必須特別細心，不能有任何劇烈的動作。光學系統不允許自行拆卸。2、鏡鏡頭的玻璃部分和試樣磨面嚴禁手指直接接觸，若鏡頭中落有灰塵，可用鏡頭紙或軟毛刷輕輕擦拭。3、 鏡的燈泡（68V）插頭，切勿直接插在220V的電源插座上，應當插在變壓器上否則燈泡立即燒壞。觀察結束后及時關閉電源。4、在旋轉粗調（或

45、微調）手輪時動作要慢，碰到某種阻礙時應立即停止操作，報告指導教師查找原因，不得用力強行轉動，否則會損壞機件。實驗五 碳鋼熱處理操作、硬度測定及組織觀察一、實驗目的：1、了解鋼的幾種熱處理操作(退火、正火、淬火、回火等)；2、研究碳含量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對碳鋼熱處理后性能硬度的影響；3、掌握洛氏硬度計的使用方法(仔細閱讀附錄四)；4、觀察熱處理后鋼的組織特征，掌握其變化規律。二、實驗原理： 1、鋼的熱處理二藝 鋼的熱處理是利用鋼在固態范圍內的加熱、保溫和冷卻，以改變其內部組織，從而獲得所需要的物理、化學、機械和工藝性能的一種操作。鋼的熱處理基本操作有退火、正火、淬火、回火等。 進行熱

46、處理時，加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是最重要的三個基本工藝因素，正確選擇這三者的規范，是熱處理成功的基本保證。 1.1加熱溫度的選擇 鋼的退火、正火、淬火加熱溫度根據FeFe3C相圖確定。 1.1.1退火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3十(2030)；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1十(2030)(球化退火)，目的是得到球狀滲碳體，降低硬度，改善高碳鋼的切削性能。 1.1.2正火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3十(305D)；過共析鋼加熱至Accm十(3050)，即加熱到奧氏體單相區。 1.1.3淬火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3(3050)，淬火后的組織為均勻細小的馬氏體。如果加熱溫度不

47、足(低于Ac3)，則淬火組織中將出現鐵索體，造成淬火后硬度不足，共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1十(3050)，淬火后的組織為隱晶馬氏體與粒狀二次滲碳體。未溶的粒狀二次滲碳體可以提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度(高于Accm)，會因得到粗大的馬氏體，過多的殘余A而導致硬度和耐磨性的下降，脆性增加。 在各種熱處理手冊或材料手冊中，都可查到各種鋼的熱處理溫度。各種成分碳鋼的臨界溫度列于表5l中* 1.1.4回火溫度 鋼淬火后都要回火、回火溫度決定于最終所要求的組織和性能(工廠中常常是根據硬度的要求)。按加熱溫度不同，回火可分為三類： 低溫回火 在150250回火，所得組織為回火馬天體硬度約為HRC

48、5760，其目的是降低淬火應力，減少鋼的脆性并保持鋼的高硬度。一般用于高碳鋼的切別刀具、量具、滾動軸承、滲碳件。中溫回火 在350500回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRc4048，其目的是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。主要用于含碳0.50.8的彈簧鋼。高溫回火 在500650回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC2535。其目的是獲得既有一定強度、硬度，又有良好的沖擊韌性的綜合機械性能。常把淬火后經高溫回火的處理稱為調質處理，用于中碳的結構鋼，如柴油機連桿螺栓、汽車半袖以及機床主軸等重要零件。1.2保溫時間的確定 為了使鋼件內外各部分溫度約達到指定溫度，并完成組織轉變，使碳化物

49、溶解和奧氏體成分均勻化，必須在淬火加熱溫度下保溫一定時間。通常將鋼件升溫和保溫所需時間算在一起統稱為加熱時間。表51碳鋼的臨界點 熱處理加熱時間必須考慮許多因素，例如工件的尺寸和形狀，使用的加熱設備及裝爐量，裝爐時爐子溫度，鋼的成分和原始組織，熱處理的要求和目的等等。具體時間可參考熱處理手冊中的有關數據。 實際生產中多根據經驗大致估算加熱時間。一般規定，在空氣介質中，升到規定溫度后的保溫時間，對碳鋼來說，按工件厚度每毫米需一分鐘到一分半鐘估算；合金鋼按每毫米二分鐘估算。在鹽浴爐中，保溫時間則可縮短l2倍。 回火時的加熱、保溫時間，應與回火溫度結合起來考慮。一般來說，低溫回火為了穩定組織，清除內

50、應力，回火時間要長一些，一般不少于1.52小時。高溫回火時間不宜過長，一般為0.51小時。1.3冷卻方法 熱處理時的冷卻方式要適當，才能獲得所要求的組織和性能退火一般采用隨爐冷卻， 正火采用空氣冷卻，大件可采用吹風冷卻。淬火冷卻方法非常重要，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應盡量緩慢，以減少內應力，避免變形和開裂。為了解決上述矛盾，可以采用不同的冷卻介質和方法，使淬火工件在奧氏體最不穩定的溫度范圍內(650550)快冷，超過臨界冷卻速度，而在MS(300200)點以下溫度盡可能慢冷，以減少內應力。常用淬火方法有：單液淬火、雙液淬火(先水冷后油冷)、分級淬

51、火，等溫淬火。表52中列出了幾種常用淬火介質的冷卻能力2鋼熱處理后的組織碳鋼經熱處理后的組織，可以是平衡或接近平衡狀態(如退火、正火)，也可是不平衡組織(如淬火組織)。因此在研究熱處理后的組織時，不但要參考鐵碳相圖，還要利用鋼的C曲線或CCT曲線。鐵碳相圖能說明慢冷時不同碳含量的鐵碳合金的結晶過程和室溫下的組織以及相對量。C曲線或CCT曲線則能說明一定成分的鐵碳合金在不同冷卻條件下的轉變過程，以及轉變后能得到哪些組織表52常用淬火介質的冷卻能力 2.1鋼冷卻時的轉變 為簡便起見，這里用C曲線來分析過冷奧氏體連續冷卻后的顯微組織：2.1.1共析鋼過冷奧氏體慢冷(爐冷)時，(見圖51)將全部得到珠

52、光體，冷卻速度增大(空冷)時，得到片層細的索氏體，冷卻速度又增大(油冷)時，得到片層更細的屈氏體和部分馬氏體，而冷卻速度再增大(水冷)時，奧氏體一下被過冷到馬氏體轉變開始點(Ms)以下，轉變成馬氏體。由于共析鋼的馬氏體轉變終點在室溫下(一50)，所以在生成馬氏體的同時保留有部分殘余奧氏體。與C曲線鼻尖相切的冷卻速度Vk稱為淬火的臨界冷卻速度。圖51在共折鋼C曲線上估計連續冷卻速度的影響 2.1.2亞業共析鋼的C曲線與共析鋼的相比，上部多了一條鐵素體析出線。當奧氏體緩慢冷卻(如爐冷)時，轉變產物接近平衡狀態顯微組織，為珠光體和鐵素體，隨冷卻速度的增大(如空冷或風冷)，奧氏體的過冷度越大，析出的鐵

53、索體越少，而共析組織(珠光體)的量增加，碳的含量減少。共析組織變得更細。這時的共析組織為偽共析組織。析出的少量鐵素體多分布在晶粒的邊界上，因此冷卻速度逐漸增大，顯微組織的變化是： 鐵素體十珠光體鐵素體十索氏體鐵素體十屈氏體。 當冷卻速度再增大，如油冷時，析出的鐵素體極少，最后主要得到屈氏體和馬氏體及少量貝氏體。當冷卻速度超過臨界冷卻速度Vk后，奧氏體全部轉變為馬氏體。碳含量大于0.5的鋼中，馬氏體間還有少量殘余奧氏體。 2.1.2過共析鋼的C曲線與亞共析鋼的相似，不同之處是亞共析鋼先析出的是鐵索體，而過共析鋼先析出的是滲碳體。所以隨著冷卻速度的增加，鋼的組織變化將是：滲碳體十珠光體滲碳體十索氏

54、體滲碳體十屈氏體屈氏體馬氏體十殘余奧氏體馬氏體十殘余奧氏體。 2.2鋼冷卻后所得組織的形態 2.2.1索氏體(S) 是鐵素體與滲碳體的機械混合物。其片層比珠光體更細密，在顯微鏡的高倍(700以上)放大下才能分辨。 2.2.2屈氏體(T) 也是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物，片層比索氏體更細，在一般光學顯微鏡下無法分辨，只能看到如墨菊狀的黑色組織。當其少量析出時，沿晶界分布呈黑色網狀包圍馬氏體。當析出量較多時，呈大塊黑色晶團狀。只有在電子顯微鏡下才能分辨其中的片層。 2.2.3貝氏體(B) 貝氏體也是鐵索體與滲碳體的兩相混合物，但其金相形態與珠光體類組織不同，且因鋼的成分和形成溫度不同而有差別。其組織形態主要有三種： 上貝氏體 是由成束平行排列的條狀鐵索體和條間斷續分布的細條狀滲碳體所組成。當轉變量不多時在光學顯微鏡下可觀察到成束的鐵素體條向奧氏體晶界內伸展，具有羽毛狀特征，如圖52所示。在電鏡下觀察可看到鐵索體以幾度到十幾度的小位向差相互平列著，滲碳體沿條的長軸方向排列成行(如圖53)。上貝氏體中鐵素體的亞結構是位錯。 下貝氏體 是在具有一定過飽和的針狀鐵索體的內部沉淀有碳化物的組織，由于下貝氏