金属学实验讲解稿

1、实验一金相样品的制备与显微组织的显露一、实验目的：1、掌握金相样品的制备过程；2、熟悉显微组织的显露方法。利用金相显微镜来研究金属和合金的组织的方法叫显微分析法。它可以解决金属组织方面的很多问题，如非金属夹杂物，金属与合金的组织，晶粒的大小和形状，偏析、裂纹以及热处理操作是否合理等。金相样品是用来在显微镜下进行分析、研究的试样，所以对金相样品的观察面光洁度要求较高，要求达到镜面一样光亮，无一点划痕。二、金相样品的制备过程：金相样品的制备过程包括：取样、磨光、抛光、腐蚀以及观察等步骤。1、取样 金相样品的取样部位对金相分析较为重要。取样的部位及观察面的选择应根据被检验材料或零件的特点、加工工艺及

2、分析研究的目的来确定，一定要具有代表性以达到研究金属或合金的目的。例如：对于铸造合金，考虑到组织的不均匀性，样品应从表层到中心的各典型部位截取，研究零件的失效原因时，应在失效部位和完好的部位分别取样，以便对比分析；对于轧材，研究表层缺陷，如夹杂物分布时，应横向取样，研究夹杂物类型、形状，材料的变形程度，晶粒拉长程度，带状组织时，应横向取样；研究热处理件时，因组织较为均匀可随意取样；对于表面处理的零件，样品主要取自表面层。取样时应保证试样观察面不发生组织变化。软材料取样用锯、车、刨等方法截取；硬质材料可用金刚砂轮片切割；硬脆材料可用锤击取样。必须用电、气焊切割时，应防止过热和过烧。切口应距试样面

3、50100。试样的大小应以手拿操作方便及便于观察即可。样品的形状一般大小如图1-1所示。 图1-1 试样的尺寸形状不规则或太小的（细丝和薄片）试样，为了便于制备，应将样品用试样夹夹住或用低熔点金属、电木粉或环氧树脂镶嵌成尺寸适合手握的试样。如图1-2所示。2、磨光 磨光分人工磨光和机械磨光两种方法。2.1人工磨光：截取的试样表面凹凸不平，首先用4060目的砂轮进行初次整平（或用钢锉锉平），称为粗磨，粗磨时要防止样品过热，引起组织变化，常用水冷却；为防止在细磨中刮坏砂纸，应将样品的棱角倒掉（表面热处理试样除外）。细磨在粒度不同的水砂纸和金相砂纸上按由粗到细的顺序进行（常用的水砂纸为200400#

4、越大粒度越细）；金相砂纸为（1#5#）。磨制时要注意：每换一号砂纸，样品要掉转90（也就是与上一号砂纸的磨痕方向相垂直），将上一号砂纸的磨痕全部磨掉后，再更换更细一号砂纸。注意事项：磨样时要把砂纸垫平，用力要均匀，方向要一致，防止来回磨和左右磨，以便观察上一道砂纸的磨痕是否完全被磨掉。磨软材料时，可在砂纸上涂一层润滑油，如机油、煤油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入样品表面。 图1-2 试样的镶嵌2.2机械磨光：磨削过程与人工磨光过程相同，机械磨光是将粒度不同的水砂纸贴在预磨机的转盘上，磨光时对样品的压力不可过大，并及时加水冷却。同样每换一号砂纸时将样品用水洗净，以防粗砂粒被带到下一道砂纸上。3、

5、抛光 抛光是磨光的继续，使磨光表面更加光亮平滑，获得象镜面一样光亮的观察面。抛光可以采用机械抛光、电解抛光、化学和机械抛光等方法，使用最广泛的是机械抛光，3.1机械抛光：样品经砂纸磨制后要用水冲洗干净，防止砂粒或金属屑带入抛光盘中，抛光是在抛光机上进行的，分为粗抛光和细抛光两道工序。试样磨好用水冲洗后首先进行粗抛光，在抛光盘上放置帆布或呢子，在帆布或呢子上撒抛光剂（2%的AI2O3或Cr2O3的水悬浊液）。抛光机由一个电机带动抛光盘逆时针转动，试样磨面均匀平整地压在旋转的抛光盘上，随着抛光盘不停的旋转（抛光液中的AI2O3或Cr2O3起砂粒磨削样品的作用，水起冷却作用）。样品不停的被磨削直到原

6、来砂纸的磨痕全部被抛掉为止。粗抛光完成后进行细抛光，抛光剂为水，细抛光过程同粗抛光，直到样品表面象镜面一样光亮为止。注意事项：抛光时要不间断地向抛光盘上撒抛光剂，头一定要抬起来，身子站直，手要握稳试样，防止抛光过程中试样飞出发生意外。 3.2电解抛光：对于软金属和容易发生加工硬化的合金，特别是有易剥落的夹杂物的合金，应采用电解抛光。电解抛光时，将试样放入电解槽中作阳极，以不锈钢或铝板做阴极。要使抛光的表面与阴极表面成相对位置，通过直流电，使样品表面凸起部分被溶解而达到抛光目的，电解抛光的速度快，表面光洁，并可以免除机械抛光所形成的塑性变形，但工艺规范不易控制。电解抛光所用的电解液成分，阴极材料

7、以及电压、电流密度、电解时间等，要根据被抛光的材料来确定。常用电解抛光液及规范见表1-1。表1-1常用电解抛光液及规范电解液组分（体积比）抛光材料抛光规范备注电流密度（A/2）时间电解液温度H3PO438%甘油53%H2O9%不锈钢0.51.537分50100i1 A/2纯钢0.10.25310分1530I=0.22 A/25分最佳HClO420%甘油10%酒精70%不锈钢1.515秒小于50要求有较高的槽压电解液不得超过50超过有危险碳钢1.252.515秒铝等0.5510秒H3PO4100ml甘油6 ml铜铜合金0.10.115510分1530电解液温度高，表面易氧化。H3PO488 ml

8、H2SO412 ml铬酐6克铝1211.5分7090磷酸铬酐不锈钢126080奥氏体钢46分。马氏体钢、珠光体钢23分。合金钢碳钢0.360703.3化学抛光：化学抛光是依靠化学试剂对样品的选择性溶解作用，将磨痕去除的一种方法，化学抛光一般总不是太理想的。若和机械抛光结合，利用化学抛光剂边腐蚀边机械抛光可以提高抛光效能。常用的化学抛光液的成分见表1-2。4、腐蚀即金相组织的显露，其原理如下：化学浸蚀剂对金属或合金样品表面所起的浸蚀作用，可以说是简单的化学溶解作用或是电化学作用。纯金属及单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程，磨面表层原子被溶于浸蚀剂中。在溶解中由于晶粒和晶粒之间，晶粒和晶界之间溶解速

9、度不同，组织就被显示出来。由于晶界上原子排列的规律性差、位于晶界上的原子具有较高的自由能，所以晶界处容易被浸蚀成沟壑，因此，在金相显微镜下能够看到多边形的固溶体晶粒，若使浸蚀继续进行，则浸蚀剂对晶粒本身起溶解作用，金属原子的溶解多是沿着原子排列最密的面进行，由于磨面上各个晶粒中原子排列的位向不同，而浸蚀后各晶粒倾斜了不同的角度在垂直光线的照射下，将显示出明暗不一的晶粒。浸蚀顺序如下：抛光后的样品表面，用水和酒精洗涤干净，然后进行浸蚀。样品抛光面浸入浸蚀剂中，抛光面呈暗灰色即可。腐蚀时间最短的仅需几秒钟，长的需10多分钟，据样品的成分、外界温度及浸蚀剂的配比不同而不同。腐蚀好的试样经酒精洗涤，用

10、热风吹干即可进行显微组织观察。表1-2 化学抛光液的成分编号抛光液成分适用材料1草酸2.5g硫酸1.5ml过氧化氢10 g水100 mlAI2O3或Cr2O3粉1020 g碳钢、钢铁2铬酐10 g水100 mlAI2O3或Cr2O31020 g钢铁、非金属夹杂、不锈钢3草酸5 g过氧化氢（30%）46 ml硫酸铜0.5 g水100 ml高锰钢、奥氏体不锈钢4HCl5 ml过氧化氢（30%）3 ml氢氟酸（12%）5 ml同上三、实验所用仪器设备：低碳钢试样，水砂纸，金相砂纸，玻璃板，金相抛光机，抛光粉，腐蚀用酒精、硝酸，金相显微镜等。四、实验报告要求：1、简述金相样品的制备及显微组织的显露过程

11、，2、画出自己制备的金相样品的显微组织。本实验依据的标准：GB2975-82钢材力学及工艺性能试验取样规定GB/T13298-91金属显微组织检验方法实验二 金属铸锭组织金属的结晶，是形核和长大的过程，铸锭结晶后的组织，其晶粒大小决定于形核率和长大速率，也就是取决于过冷度的大小和非自发形核的作用。而晶粒的形状还与结晶过程中的散热条件有关。柱状晶与粗大等轴晶区的发展程度与下列因素有关：A、冷却速度：冷却速度越大，则表面与中心的温差越大，柱状晶体越能向内发展，中心等轴晶区也就越小，可以改变铸模的温度，使铸锭的组织发生变化。如选用导热良好的铜模，比之用导热稍差的钢模、水冷的金属模和比之空气冷却的金属

12、模、壁厚的金属模比之用同一材料做成的壁薄的金属模，柱状晶的发展均较显著。反之，如果使用预热的砂模，则甚至可以出现全部粗大的等轴晶。B、浇铸条件：提高浇铸时的液体温度以及提高浇铸速度，则促使柱状晶区发展。因为在这样的浇铸条件下，注入锭模内的液体温度高，内外温度梯度大，促使柱状晶长大，柱状晶向内长大时，如要内部液体要结晶，其温度必须降低到熔点以下，才能产生等轴轴晶晶核，故要放出较多的热量。即需要更长的时间，这样柱状晶就有充分的时间向内生长而不受阻。此外，由于内部液体温度高，即过热大，非自发的形核机会也就减少，这也促使柱状晶发展的一个原因。C、凝固条件：浇铸时，把液体进行机械振动或用超声波振动，可以

13、使柱状晶区大大减少，当振动的频率足够大或铸锭的体积不大。脆弱的树枝晶震碎，这些细的枝晶可作为晶核。D、外来杂质的影响：浇铸时，在液体中加入少量可以作为变质剂的元素，合金或化合物从而促使非自发形核，使铸锭组织细化，这一过程称之为变质处理。如在A1的熔液中加入细的Ti粉，结晶后使晶粒大大细化，这可能是由于Ti在A1中形成TiA1，而促使非自发形核的缘故。一、实验目的：1、观察金属铸锭的三个晶区的形态；2、分析浇注条件（钢锭模的厚薄、锭模的材料、锭模的温度、液体金属的过热度）对三个晶区的影响。二、实验步骤：本实验用纯铝做样品，坩埚内放入铝块，在箱式炉内加热，加热温度要高于铝的熔点150，使之融化。待

14、试样完全熔化后浇注，观察其三种晶区的分布和形态。试验前将厚薄不同的金属模、砂模准备好，并摆放整齐，注意便于浇注金属液体。1、将铝块放入坩埚，放到箱式电阻炉中加热到熔点以上100150熔化，保温30分钟；2、将铝液分别浇注进厚薄不同的金属模、砂模、及预热的金属模中（取出熔化好的试样时为防止烫伤带石棉手套，夹紧化铝坩埚，对准好浇注口，缓慢地将铝液浇入不同的坩埚）；3、在相同的冷却条件下，铝液完全结晶后脱掉金属模和砂模。并立即在铸锭上分别打上相应条件的标记；4、完全冷却的铝锭，夹在台钳上用手工钢锯沿中心线纵向剖开铝锭至离下端1015处；5、距铝锭下端1015处，垂直铝锭轴线方向切断铝锭使其成三块；6

15、、用砂纸将铝锭剖开面磨平；7、用王水（HCl:HNO3=3:1）热浸腐蚀（注意在实验过程中防止酸液喷溅污染衣物或烧伤皮肤）后用热水洗涤，即可直接进行观察，分析浇铸条件对三个不同晶区的影响。三、实验内容简述：金属结晶得到的三种晶区是由铸锭冷却条件确定的。液态金属倒入铸锭模中，结晶首先由模壁开始，在靠近模壁处，过冷度最大加上模壁凹凸不平，结晶核心产生的多，这些核心长大时，很快就互相碰撞，因此就形成了细小的等轴晶，这一晶区称为细小等轴晶区或第一晶区。在第一晶区形成的过程中，模壁的温度已经升高，温度梯度减少。与液体接触的晶粒要长大，很快上、下、左、右互相碰撞，在这些方向长大受到限制，唯一不受限制的方向

16、是向液体内长大，而这时由于垂直模壁方向散热最快，就形成了许多与模壁垂直的粗大晶粒柱状晶，这一晶区称为柱状晶区或第二晶区。由于模壁温度继续升高，温度梯度减少，散热速度逐渐下降，柱状晶长大速度也逐渐减少，与金属液体交错的柱状晶的前沿被液体冲刷又溶于液体中，在金属液体中又造成了很多结晶核心。由于各方向散热速度基本相同，所以这些核心各自向各个方向长大，从而在铸锭心部形成了许多位向不同的粗大等轴晶。这一晶区称为粗等轴晶区或第三晶区。金属铸锭就是由这三个晶区组成，改变浇注条件将改变这三个晶区特别是柱状晶区和粗等轴晶区的大小。生产上一般都希望铸锭中柱状晶区窄些，等轴晶区宽些，晶粒细小些。为了达到以上目的，生

17、产上一般采用：（1）液体的过热度尽量少，以便在液体中保留足够的结晶核心，细化结晶后的晶粒；（2）减少温度梯度，阻止和减少柱状晶的发展，促进等轴晶的形成；（3）加强流动运动，有利于破碎粗大晶粒，给各个晶粒造成相同的长大条件以利于等轴晶的发展；（4）人为地添加促进结晶核心形成的元素或合金，提高形核率，细化晶粒。四、实验用的仪器设备：金属坩埚箱式加热炉及炉温控制仪表纯铝块厚壁金属模2个，壁厚10mm，薄壁金属模2个 ，壁厚5mm（结构见图3）砂模2个，壁厚70mm铁夹钳2把钢锯4把台钳4部五、实验报告要求：1、分析比较各种条件对三个晶区的影响；2、画出所观察不同浇注条件下铸锭的纵、横断面的组织示意图

18、。 厚模 薄模图3 金属模结构尺寸图实验三 金属的变形与再结晶一、实验目的：通过本实验要了解变形金属发生的再结晶现象及再结晶后晶粒大小与变形量和退火温度间的关系。二、实验内容简述：金属的变形及再结晶行为是非常重要的冶金现象，对金属的性能有很大的影响。金属和合金冷塑性变形后，在组织、结构和性能等方面都发生了相当复杂的变化。显微观察证明：晶粒被拉长或压扁；性能检测显示：硬度强度提高。为了提高金属的塑性以便继续加工，一般要进行退火，使金属的硬度、强度下降而塑性提高，原来变形后被拉长或压扁的晶粒随着退火温度的升高或保温时间的延长形核后由细小的等轴晶逐渐长大，这一形核和长大过程叫再结晶。变形后的再结晶过

19、程分为：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。1、回复阶段：加热温度低于再结晶温度；1.1金相观察：显微组织几乎没有发生变化，晶粒仍是被拉长或压扁的，细长的和加热前的没有多大区别；1.2内应力有所消除；1.3硬度、强度缓慢下降，塑性有所提高；2、再结晶阶段：加热温度达到再结晶温度后金属发生再结晶，对纯金属来讲T再结晶=0.4T熔点。2.1显微观察：开始有小的等轴晶形成，并随着温度的升高直到完全由细小的等轴晶代替变形时被拉长或压扁的细长的晶粒；2.2内应力很快下降，直到全部消除；2.3硬度、强度明显下降，塑性显著提高。3、长大阶段：加热温度明显的高于再结晶温度或保温时间过长，将会发生晶粒长大现象。3.

20、1显微观察：由再结晶后的细小的等轴晶，随着加热温度的升高，晶粒越来越大；3.2硬度、强度下降缓慢，塑性开始缓慢下降。三、实验步骤：1、为了冷变形容易，及观察组织方便，本实验选用低碳的08号钢作为试样，经退火软化得到等轴多边形铁素体晶粒组织。2、将退火后的08号钢，经不同程度的冷变形。变形量按下面公式计算：=式中：h0-变形前厚度 h1-变形后厚度 -变形量（%）本实验采用50%、70%两个变形量的08号钢。3、将不同变形量的试样分别加热到400、500、700，各保温30分钟使其分别进行回复，再结晶和长大过程，然后出炉空冷至室温。试样编号、变形量、退火温度间的关系见下表：试样编号0050545

21、55770747577变形量 （ %）未变形5050505070707070退火温度（）原始状态未退火400500700未退火400500700表中试样号的第一位数字代表变形量；第二位数字代表退火温度。4、将各条件试样制成金相样品，用金相显微镜观察分析。5、测定原始组织、变形、回复、再结晶及长大各条件下的硬度值。四、实验报告要求：1、画出50%、70%变形量的：变形、回复、再结晶及长大的组织示意图。2、记录50%、70%变形量的各阶段的硬度值。3、分析08号钢变形、经400、500、700退火的组织结构变化及性能变化的原因。实验四 铁碳合金平衡组织观察一、实验目的：1、观察和识别铁碳合金（碳钢

22、和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织特征；2、了解铁碳合金成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织、性能之间的关系；3、熟悉金相显微镜的使用。二、实验内容简述：FeFe3C状态图是研究铁碳合金组织与成分关系的重要工具，了解和掌握FeFe3C状态图，对于制定钢铁材料的各种加工工艺有着很重要的指导意义。所谓平衡状态的显微组织是指合金在极缓慢的条件下冷却到室温所得到的组织。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的缓慢冷却到室温得到的组织，它们是（特别是碳钢）工业上应用最广泛的金属材料，它们的性能与其显微组织有密切的关系。从FeFe3C相图可以看出，所有的碳钢和白口铸铁的平衡组织

23、都是铁素体（F）渗碳体（Fe3C）这两个基本的相组成。但由于含碳量不同，结晶条件的差异，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况不同，因此呈现各种不同特征的组织形态。根据FeFe3C状态图，组成FeFe3C合金的基本组织有以下几种：1、铁素体(F)：C%0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它是由铁素体(F)组成。铁素体是碳在Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，其硬度较低（HB80120）但塑性、韧性很好，经3%5%的硝酸酒精浸蚀，铁素体呈白亮色不规则的等轴晶粒，其中的黑色线条是铁素体的晶界、随着含碳量的升高，铁素体逐渐减少，铁素体较多时呈块状。当含碳量接近共析成分时铁素体呈断续网状，分布

24、在珠光体周围。2、渗碳体（Cm）：是铁与碳的化合物，含碳量为6.69%、硬而脆（HB800以上）强度和塑性很差。经3%5%的硝酸酒精浸蚀呈白亮色，若用苦味酸钠水溶液浸蚀则被染成黑褐色。渗碳体有三种形态：一次渗碳体是从液体中直接析出的。呈长条状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，当奥氏体（A）转变成珠光体（P）时，它呈网状分布在珠光体周围；三次渗碳体由铁素体析出，量不多，在铁素体边界上或晶粒内部。3、珠光体（P）：是铁素体和渗碳体的共析混合物。它是双相结构组织，在一般退火情况下，珠光体是铁素体和渗碳体交替分布的层状组织，疏密程度不同，经3%5%的硝酸酒精或苦味酸溶液浸蚀，铁素体相和渗碳体相均为白亮的

25、片层，其相界为黑线条。在不同的放大倍数下观察，组织呈现出不太一样的特征。在高倍（600倍以上）观察时，珠光体由白亮的宽条铁素体和白亮的窄条渗碳体组成相界是黑色线条。在中倍（400倍左右）观察时，由于放大倍数较低，显微镜的鉴别能力小于渗碳体片层厚度，将渗碳体及铁素体的相界看成一条黑色线条，实际上这条黑线包括一片渗碳体和两条相界。在低倍（200倍以下）观察时，由于放大倍数更低，显微镜的鉴别能力低得连较宽的铁素体片层也分不开了，珠光体就成为黑块组织。4、莱氏体（Ld）：是含碳4.3%的共晶白口铁缓冷到室温的产物，在1148时它是有奥氏体和渗碳体组成的共晶体。继续冷却是由奥氏体析出二次渗碳体在727以

26、下奥氏体转变为珠光体。经3%5%的硝酸酒精浸蚀莱氏体黑点状珠光体在白亮的渗碳基体上（渗碳体基体包括二次渗碳体和共晶渗碳体，它连在一起分不开）。莱氏体硬而脆，HB可达700，一般存在含碳量大于2.11%的白口铸铁中和某些高碳合金钢中。三、几种钢的组织特征：1、亚共析钢含碳量在0.02%0.77%之间。经3%5%的硝酸酒精浸蚀后，其组织为白亮的铁素体黑白层相间的珠光体（其中白亮层为铁素体层、黑层为一片渗碳体和两个相界组成）；亚共析钢随着含碳量的增加铁素体逐渐减少，珠光体逐渐增加。直到0.77%珠光体为100%时成为共析钢。铁素体和珠光体的含量可由杠杆定律求得，反之，估计出各组织组成物各自占面积的百

27、分数，可以近似计算出钢的含碳量。2、共析钢含碳量为0.77%，由100%的珠光体组成。经3%5%的硝酸酒精浸蚀后，为黑白相间的片层结构。3、过共析钢含碳量为0.77%2.11%，组织为珠光体和二次渗碳体。经3%5%的硝酸酒精浸蚀二次渗碳体形成白亮的断续网状分布在黑白相间的珠光体周围，随着含碳量的增加二次渗碳体网越来完整，越来越粗。4、亚共晶白口铁含碳量为2.11%4.3%，经3%5%的硝酸酒精浸蚀为黑白层相间的珠光体和以白亮的渗碳体的基体分布着点状珠光体的莱氏体以及块状珠光体周围的一层白亮的二次渗碳体的基体组成。含碳量越接近4.3%块状珠光体越少，莱氏体越多。5、共晶白口铁含碳量为4.3%，组

28、织为100%的莱氏体。6、过共晶白口铁，含碳量为4.3%6.69%，经3%5%的硝酸酒精浸蚀为白亮条状一次渗碳体和白亮渗碳体基体分布着黑点状珠光体的莱氏体组成。四、实验报告要求：1、观察下表中所列样品的显微组织，并联系铁碳平衡图分析组织的形成过程。2、画出所观察金相样品的显微组织示意图，并在图中标出组织，在图下标出：含碳量、组织、放大倍数、浸蚀剂。3、根据观察的组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律。4、本次实验的体会表4-1 试样号、成分、显微组织和腐蚀条件试样号样品名称状态显微组织浸蚀剂I1工业纯铁退火铁素体3%硝酸酒精溶液I20.10%碳钢退火铁素体和珠光体3%硝酸酒精溶液

29、I30.4%碳钢退火铁素体和珠光体3%硝酸酒精溶液I40.77%碳钢退火珠光体3%硝酸酒精溶液I51.2%碳钢退火珠光体和网状渗碳体3%硝酸酒精溶液I61.2%碳钢退火珠光体和网状渗碳体苦味酸钠水溶液I7亚共晶白口铁铸造珠光体、二次渗碳体和莱氏体3%硝酸酒精溶液I8共晶白口铁铸造莱氏体3%硝酸酒精溶液I9过共晶白口铁铸造一次渗碳体和莱氏体3%硝酸酒精溶液附录： 金相显微镜的结构及使用方法一、显微镜的成象原理：研究金属磨面的金相组织的光学显微镜称为金相显微镜，它与生物显微镜的不同点在于金相试片的磨面不能透过光线，因此显微镜是利用可见光在试片磨面上的反射成象来观察金属的组织。众所周知，放大镜是最简

30、单的一种光学仪器，它实际上是一块凸透镜，利用它就可以将物体放大。其成象原理如图4-1所示。 图4-1放大镜的光学原理图当物体AB置于凸透镜焦距以外时，得到倒立的放大实象AB 如图1（a）所示，它的位置在2倍焦距以外。如果将物体AB放在凸透镜焦距内，就可看到一个放大了的正的虚象AB如图（b）所示。映象的长度与物体长度之比（ AB/ AB ）就是放大镜的放大倍数（放大率），由于放大镜到物体之间的距离a近似地等于凸透镜的焦距（a=f），而放大镜到影像间的距离b近似地相当于人眼的明视距离（250mm）故放大镜的放大倍数为：N=250/a （4-1）由式（4=1）可知，透镜的焦距f越短，则放大镜的放大倍

31、数越大，一般采用的放大镜焦距在10100毫米范围内，因而放大倍数在2.525倍之间。进一步提高放大倍数，将会由于透镜焦距缩短和表面曲率过分增大而使形成的映象变得模糊不清。为了得到更高的放大倍数，就要采用显微镜，显微镜可以使放大倍数达到15002000倍。显微镜不象放大镜那样由单个的透镜组成，而是由两组透镜所组成。靠近被观察物体的透镜叫物镜，而靠近人眼的透镜叫目镜。借助物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（2000倍）。图4-2所示是在显微镜中得到放大物象的光学原理图。图4-2显微镜光学原理图被观察的物体AB放在物镜之前距其焦距略远一些的位置，由物体反射的光线穿过物镜，经折射后得到一

32、个放大了的倒立实象AB，再经目镜将实象AB放大成倒立虚象AB，这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物象。在显微镜设计时，让目镜的焦点位置与物镜放大所成的实象位置接近，并使最终的倒立虚象在距眼睛250毫米（约等于人眼的正常明视距离）处成象，这样就可以看得最为清晰。显微镜质量的好坏，主要取决于：（1）放大倍数；（2）透镜的质量；（3）显微镜的鉴别能力。二、显微镜的放大倍数：显微镜包括两组透镜物镜和目镜。物镜的放大倍数可由下式得出，即M物= L/ F1 （4-2）式中：L显微镜的光学镜筒长度（即物镜后焦点与前焦点的距离）； F1物镜的焦距。 而AB经放大后的放大倍数则可由公式（4

33、-3）计算： M目= D/ F （4-3） 式中：D人眼的明视距离（250）；F目镜焦距。显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积，即：M总=M物M目=（L/ F1）（D/ F） (4-4)显微镜的主要放大倍数通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。放大倍数用符号“”表示，例如物镜的放大倍数为25，目镜的放大倍数为10，则显微镜的放大倍数为2510=250。放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。在使用显微镜观察物体时，应根据其组织的粗细情况，选择适当的放大倍数。以细节部分观察得清晰为准，不要盲目追求过高的放大倍数。因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数

34、越大，焦距必须越小，结果会带来许多缺陷，同时所看到的区域也越小。三、透镜成象的质量：单个透镜在成象过程中，由于几何光学条件的限制，映象会变得模糊不清或发生畸变，这种缺陷称为象差。象差主要包括球面象差和色象差。象差的产生降低了光学仪器的精确性。球面象差的产生是由于透镜的表面呈球曲形，通过透镜中心及边缘的光线折射以后不能交于一点（如图4-3（a）所示），而分成几个交点前后分布；来自透镜边缘的光线靠近透镜交集，而靠近透镜中心的光线则交集在较远的位置，这样得到的映象显然是不清晰的。球面象差的程度与光线通过透镜的面积有关。光圈放得越大，则光线通过透镜的面积越大，球面象差就越严重；反之，缩小光圈，限制边缘

35、光线射入，使通过透镜的光线只有中心的一部分，则可减小球面象差。但是光圈太小，也会由于透过的光线太少而影响成象的清晰度。校正透镜球面差的方法采用多片透镜组成透镜组，即将凸透镜和凹透镜组合在一起（称为复合透镜），由于这两种透镜有着性质相反的球面差，因此可以相互抵消。色象差的产生是由于组成白光的各种不同波长的光线在穿过透镜时折射率不同，其中紫色光线的波长最短，折射率最大，在离透镜最近处成象；红色光线的波长最长，折射率最小，在离透镜最远处成象；其余的黄、绿、蓝等有色光线则在它们之间成象。这些光在平面上成的象不能集中一点，而呈现带有彩色边缘的光环（如图4-3（b）所示）。色象差的存在也会降低透镜成象的清

36、晰度，也应予以校正。通常采用单色光源（或加滤光片），也可使用复合透镜。图4-3透镜产生象差的示意图显微镜的放大作用主要取决于物镜，物镜质量的好坏直接影响显微镜成象的质量，所以对物镜的校正是很重要的。物镜的类型，根据对透镜球面象差和色象差的校正程度不同而分为消色差物镜、复消色差物镜和半复消色差物镜等。目镜也是显微镜的主要组成部分，它的主要作用是将由物镜放大所得的实象再度放大，因此它的质量将最后影响到物象的质量。按照目镜的构造型式，一般可分为普通目镜、补偿目镜和测微目镜等。普通目镜其映象未经校正，应与消色差物镜配合使用。补偿目镜与复消色差物镜或半复消色差物镜配合使用，以抵消这些物镜的残余色象差。四

37、、显微镜的鉴别能力（鉴别率）：显微镜的鉴别能力是显微镜也是物镜最重要的特性，它是指显微镜对于试样上最细微部分所能获得清晰映象的能力，通常用可以辨别的物体上两点间的最小距离d来表示。被分辨的距离越短，表明显微镜的鉴别能力越高。显微镜的鉴别能力可由下式求得：d = = (4-5)式中：入射光源的波长；NA物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力。可以看出，波长越短，数值孔径越大，鉴别能力就越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。数值孔径可用下列公式求出：NA=sin （4-6）式中：物镜与物体间介质的折射率； 通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。一般物镜与物体之间的介质是空气，光线在空气中的折射率=1

38、，若一物体的角孔径为60，则其数值孔径为：NA=sin=1sin30=0.5。这样，如果增大孔径角或增大介质的折射率，就增大了物镜的数值孔径。物镜在设计和使用中指定以空气为介质的称为“干系物镜”（或干物镜），以油为介质的称为“油浸戏物镜”（或油物镜），油物镜具有较高的数值孔径，因为透过油进入到物镜的光线比透过空气进入的多，使物镜的聚光能力增强，从而提高了物镜的鉴别能力。物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头外壳，例如镜头上刻有25/0.50或65的下面刻有0.75等数字，这个0.50或0.75即表示物镜的数值孔径。高倍物镜通常都为油浸系，油镜头用“油”（或OiL、OL、HL）或外壳涂一黑圈来表示

39、。五、显微镜放大倍数的选择：经物镜放大而得到的中间象，又经目镜放大，但目镜放大倍数是有一定范围限制的，近似计算显微镜的有效放大倍数的经验公式如下：N有效=（5001000）NA例如：某40物镜其数值孔径NA=0.65，则其有效放大倍数N有效为N总=N物N目；N总= N有效=（5001000）NA=（5001000）0.65=325650N总=（325650）/40=816所以选用的目镜放大倍数为816，均可满足要求，目镜倍率小于8时，不能充分发挥物镜的分辨能力。若大于16时，只是简单的放大，而且使物象发晕。六、金相显微镜的构造：金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三类。金相显

40、微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附有摄影装置。现以XJB1型台式金相显微镜为例加以说明。XJB1型金相显微镜的光学系统如图4-4所示，由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径光拦9，再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样7的表面，从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5，由半反射镜4转向，经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实象，该象再经过目镜15的放大，就成为在目镜视场中能看到的放大映象。图4-4 XJB1型金相显微镜的光学系统1、照明系统：在底座内装有一低压（68V，15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，

41、靠调节次级电压（68V）来改变灯光的亮度。聚光镜、孔径光拦及反光镜等装置在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安装在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。2、显微镜调焦装置：在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。随粗调手轮6的转动，支呈载物台的弯臂作上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮5使显微镜本体沿着滑轨缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下移动0.002毫米。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，不能在继续旋转而应倒转回来使

42、用。3、载物台（样品台）用于放置金相样品，载物台和下面托盘之间有导架，用手推动，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。4、孔径光栏和视场光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物象达到清晰的程度。视场光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场光栏范围。使目镜中视场明亮而无阴影。在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。5、物镜转换器：转换器呈球面形，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。6、目镜筒：目镜筒呈45倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还

43、可将目镜转向90呈水平状态以配合照明装置进行金相摄影。七、金相显微镜的使用规程：金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之前首先应熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。1、显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（68V）变压器接通电源；2、根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并使转换器转至固定位置（由定位器定位）；3、将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住；4、转动粗调手轮先使载物台下降，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与试样相碰）。然后向相反方向转动粗动手轮，使载物台渐渐上

44、升以调节焦距，当视场亮度增强时改用微调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止；5、 调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象；6、如果使用油浸系物镜，则可在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上。油镜头用后应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。八、微镜使用注意事项：1、作时必须特别细心，不能有任何剧烈的动作。光学系统不允许自行拆卸。2、镜镜头的玻璃部分和试样磨面严禁手指直接接触，若镜头中落有灰尘，可用镜头纸或软毛刷轻轻擦拭。3、 镜的灯泡（68V）插头，切勿直接插在220V的电源插座上，应当插在变压器上否则灯泡立即烧坏。观察结束后及时关闭电源。4、在旋转粗调（或

45、微调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导教师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏机件。实验五 碳钢热处理操作、硬度测定及组织观察一、实验目的：1、了解钢的几种热处理操作(退火、正火、淬火、回火等)；2、研究碳含量、加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢热处理后性能硬度的影响；3、掌握洛氏硬度计的使用方法(仔细阅读附录四)；4、观察热处理后钢的组织特征，掌握其变化规律。二、实验原理： 1、钢的热处理二艺 钢的热处理是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。钢的热处理基本操作有退火、正火、淬火、回火等。 进行热

46、处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。 1.1加热温度的选择 钢的退火、正火、淬火加热温度根据FeFe3C相图确定。 1.1.1退火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3十(2030)；共析钢和过共析钢加热至Ac1十(2030)(球化退火)，目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。 1.1.2正火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3十(305D)；过共析钢加热至Accm十(3050)，即加热到奥氏体单相区。 1.1.3淬火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3(3050)，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。如果加热温度不

47、足(低于Ac3)，则淬火组织中将出现铁索体，造成淬火后硬度不足，共析钢和过共析钢加热至Ac1十(3050)，淬火后的组织为隐晶马氏体与粒状二次渗碳体。未溶的粒状二次渗碳体可以提高钢的硬度和耐磨性。过高的加热温度(高于Accm)，会因得到粗大的马氏体，过多的残余A而导致硬度和耐磨性的下降，脆性增加。 在各种热处理手册或材料手册中，都可查到各种钢的热处理温度。各种成分碳钢的临界温度列于表5l中* 1.1.4回火温度 钢淬火后都要回火、回火温度决定于最终所要求的组织和性能(工厂中常常是根据硬度的要求)。按加热温度不同，回火可分为三类： 低温回火 在150250回火，所得组织为回火马天体硬度约为HRC

48、5760，其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。一般用于高碳钢的切别刀具、量具、滚动轴承、渗碳件。中温回火 在350500回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRc4048，其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于含碳0.50.8的弹簧钢。高温回火 在500650回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC2535。其目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。常把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳的结构钢，如柴油机连杆螺栓、汽车半袖以及机床主轴等重要零件。1.2保温时间的确定 为了使钢件内外各部分温度约达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物

49、溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定时间。通常将钢件升温和保温所需时间算在一起统称为加热时间。表51碳钢的临界点 热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。具体时间可参考热处理手册中的有关数据。 实际生产中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米二分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短l2倍。 回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。一般来说，低温回火为了稳定组织，清除内

50、应力，回火时间要长一些，一般不少于1.52小时。高温回火时间不宜过长，一般为0.51小时。1.3冷却方法 热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能退火一般采用随炉冷却， 正火采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650550)快冷，超过临界冷却速度，而在MS(300200)点以下温度尽可能慢冷，以减少内应力。常用淬火方法有：单液淬火、双液淬火(先水冷后油冷)、分级淬

51、火，等温淬火。表52中列出了几种常用淬火介质的冷却能力2钢热处理后的组织碳钢经热处理后的组织，可以是平衡或接近平衡状态(如退火、正火)，也可是不平衡组织(如淬火组织)。因此在研究热处理后的组织时，不但要参考铁碳相图，还要利用钢的C曲线或CCT曲线。铁碳相图能说明慢冷时不同碳含量的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织以及相对量。C曲线或CCT曲线则能说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的转变过程，以及转变后能得到哪些组织表52常用淬火介质的冷却能力 2.1钢冷却时的转变 为简便起见，这里用C曲线来分析过冷奥氏体连续冷却后的显微组织：2.1.1共析钢过冷奥氏体慢冷(炉冷)时，(见图51)将全部得到珠

52、光体，冷却速度增大(空冷)时，得到片层细的索氏体，冷却速度又增大(油冷)时，得到片层更细的屈氏体和部分马氏体，而冷却速度再增大(水冷)时，奥氏体一下被过冷到马氏体转变开始点(Ms)以下，转变成马氏体。由于共析钢的马氏体转变终点在室温下(一50)，所以在生成马氏体的同时保留有部分残余奥氏体。与C曲线鼻尖相切的冷却速度Vk称为淬火的临界冷却速度。图51在共折钢C曲线上估计连续冷却速度的影响 2.1.2亚业共析钢的C曲线与共析钢的相比，上部多了一条铁素体析出线。当奥氏体缓慢冷却(如炉冷)时，转变产物接近平衡状态显微组织，为珠光体和铁素体，随冷却速度的增大(如空冷或风冷)，奥氏体的过冷度越大，析出的铁

53、索体越少，而共析组织(珠光体)的量增加，碳的含量减少。共析组织变得更细。这时的共析组织为伪共析组织。析出的少量铁素体多分布在晶粒的边界上，因此冷却速度逐渐增大，显微组织的变化是： 铁素体十珠光体铁素体十索氏体铁素体十屈氏体。 当冷却速度再增大，如油冷时，析出的铁素体极少，最后主要得到屈氏体和马氏体及少量贝氏体。当冷却速度超过临界冷却速度Vk后，奥氏体全部转变为马氏体。碳含量大于0.5的钢中，马氏体间还有少量残余奥氏体。 2.1.2过共析钢的C曲线与亚共析钢的相似，不同之处是亚共析钢先析出的是铁索体，而过共析钢先析出的是渗碳体。所以随着冷却速度的增加，钢的组织变化将是：渗碳体十珠光体渗碳体十索氏

54、体渗碳体十屈氏体屈氏体马氏体十残余奥氏体马氏体十残余奥氏体。 2.2钢冷却后所得组织的形态 2.2.1索氏体(S) 是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍(700以上)放大下才能分辨。 2.2.2屈氏体(T) 也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层比索氏体更细，在一般光学显微镜下无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色组织。当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体。当析出量较多时，呈大块黑色晶团状。只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。 2.2.3贝氏体(B) 贝氏体也是铁索体与渗碳体的两相混合物，但其金相形态与珠光体类组织不同，且因钢的成分和形成温度不同而有差别。其组织形态主要有三种： 上贝氏体 是由成束平行排列的条状铁索体和条间断续分布的细条状渗碳体所组成。当转变量不多时在光学显微镜下可观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征，如图52所示。在电镜下观察可看到铁索体以几度到十几度的小位向差相互平列着，渗碳体沿条的长轴方向排列成行(如图53)。上贝氏体中铁素体的亚结构是位错。 下贝氏体 是在具有一定过饱和的针状铁索体的内部沉淀有碳化物的组织，由于下贝氏