钢铁试样的制备及金相显微组织分析

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐钢铁试样的制备及金相显微组织分析实验一金相显微试样的制备

一．实验目的

1．了解金相试样的制备过程

2．掌握钢铁金相试样的制备过程及办法

二．概述

金相显微试样的制备可分为以下五个过程：

(一)取样

1.试样制备：

1.1试样挑选

1.1.1试样截取的方向、部位、数量应依照金属创造的办法、检验目的、技术条

件、相关标准的规定或双方达成协议的规定举行。

1.1.2需研究金属材料从表层到中心的组织、显微组织状态、晶粒度级不、碳化

物网、表层缺陷深度、氧化层深度、脱碳层深度、腐蚀层深度时，应垂直于锻轧

方向取横截面截取试样。

1.1.3需研究非金属夹杂物的变形程度、晶粒畸变程度、塑性变形程度、变形后

的各种组织形貌、热处理的全面事情时，应平行于锻轧方向取纵截面截取试样。

1.1.4需研究焊接接头从表层到中心及各焊层的组织、显微组织状态、晶粒度级

不等事情时，应垂直于焊缝的纵截面截取试样，并应符合相关标准、规程的规定。

注：显微试样的选取应依照研究的目的,取其具有代表性的部位。例如○1在检验和分析失效零件的损坏缘故时，除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏处

较远的部位截取试样以便比较。○2在研究金属铸件组织时，由于存在偏析现象，必须从表面层到中心并且取样举行观看；○3关于轧制和锻造材料则应并且截取横向（垂直于轧制方向）及纵向（平行于轧制方向）的金相试样，以便于分析比较

表层缺陷及非金属夹杂物的分布事情；○4关于普通热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样的截取可在任一截面举行。

1.2试样截取

1.2.1试样可用手锯、砂轮切割机、锯、刨、铣等截取，必要时也可用气割法、等离子切割等办法截取。

1.2.2别论用哪种办法取样，均应幸免截取办法对组织的妨碍，如变形、过热等。依照别同办法应在切割边去除这些妨碍，对过热的妨碍，可在截取时采取水冷等措施幸免。

1.2.3确定好部位后就可把试样截下，试样的尺寸通常采纳直径φ12～15mm，高12～15mm的圆柱体或边长12～15mm的方形试样。

注：试样的截取办法视材料的性质别同而异，软的金属可用手锯或锯床切割，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下，对极硬的材料（如淬火钢）则可用砂轮片切割或电脉冲加工。别论采纳那种办法，在切取过程中均别宜使试样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化，妨碍分析结果。

(二)镶嵌

当试样的尺寸太小（如金属丝、薄片等）时，直截了当用手来磨制抓持非常困难，需要使用试样夹或利用试样镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金或塑料（如胶木粉、电木粉，牙托粉等）中。

假如试样过于细薄、过软、易碎、须检验试样边缘组织、或者为了便于研磨，可对试样举行镶嵌。但镶嵌后别得改变试样的原始组织。

试样的镶嵌办法依照试样特点及镶嵌的目的挑选和执行。

(三)磨制

试样的磨制普通分粗磨和细磨两道工序。粗磨的目的是为了在试样上获得一具平坦的表面。

1.磨平

截取或者挑选好的试样，先经砂轮或角向磨光机磨平，为下一道砂纸的磨制做好预备。磨平过程中,须用水冷却试样，使金属组织别因受热而发生变化。

2.磨光

试样的磨光可采纳手工或机械磨样机举行，普通磨到500#水砂纸或01#金相砂纸即可举行宏观检验，关于微观金相试样则还需要举行抛光。

2.1手工磨光

通过磨平的试样，洗净、吹干后，砂纸平铺于平滑的玻璃、金属或其他板上，或者卷在平滑的长条型物体上，使试样与砂纸面彻底接触，用手工依次由粗到细

在各号砂纸上磨制。每更换一次砂纸，试样或磨制方向须转90°角与旧磨痕成垂直方向。手工磨制时还须注意：

a.以均匀的压力向前推进，回程时将试样提起，切忌将试样在砂纸上来回研磨。

b.每更换一次砂纸，均须磨至旧磨痕彻底消逝，新磨痕均匀一致为止。

c.每次更换砂纸时，须用水将试样清洗洁净，以免将粗砂粒带到细砂纸上。

d.试样磨制时用力别可太大，每次磨制时刻别可太长以幸免试样过热。

2.2机械磨样机磨光

将别同号数的砂纸由粗到细分不置于机械磨样机上依次磨制。钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上举行，但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力别宜过大，否则会在试样的表面形成非常深的磨痕，增加精磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样，以免受热引起组织变化；试样的边缘的棱角若无特别要求，可磨圆以免在细磨和抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。将粗磨后的试样用水冲洗并擦干后就开始举行细磨。细磨的目的是为了将粗磨后试样表面的磨痕消除，以得到平坦而光滑的磨面。细磨是在一套粗细别同的专用金相砂纸上，由粗到细依次顺序举行的。将金相砂纸放在厚玻璃板上，手指紧握试样，磨面紧帖砂纸向前推进，回程时提起试样，直到试样磨面浮现方向一致的均匀条纹，然后用水清洗并擦干，更换下一号砂纸，并将试样旋转90°，使磨制方向与上一次的磨痕垂直，直到把上一号砂纸所产生的磨痕全部消除为止。

(四)抛光

细磨后的试样还需要进一步抛光，抛光的目的是为了去除细磨时留下的细微磨痕而获得光亮的镜面。金相试样的抛光办法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种。

机械抛光是在特意的机械抛光机上举行的。抛光机是由电动机带动一抛光圆盘以300～500转/分的速度旋转，抛光盘上覆有抛光布（以细帆布、呢绒等材料制成），抛光时在抛光盘上别断滴注抛光液。抛光液通常采纳Al2O3、MgO或Cr2O3等粉末（粒度约为0.3～1μm）在水中的悬浮液。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并沿盘的边缘到中心别断作径憧憬复运动。抛光时刻普通为3～5分钟。抛光结束后，试样表面应看别出任何磨痕而呈现光亮的镜面。

电解抛光是利用阳极腐蚀法使试样表面变得平滑光亮的一种办法。将试样浸入电解液中作为阳极，用铝片或别锈钢片作为阴极，使试样与阴极之间保持一定

的距离（20～30mm），接通直流电源。当电流密度脚够时，试样表面由于电化学作用而发生挑选性溶解，从而获得光滑平坦的表面。这种办法速度快，只产生纯化学的溶解作用而无机械力的妨碍，所以可幸免在机械抛光时也许引起的表面金属层的塑性变形，从而能更确切地显示真实的金相组织。但电解抛光工艺规程别易操纵。

化学抛光的实质与电解抛光类似，不过没有外加电流。化学抛光是将特意配制的化学溶液涂在试样表面，依赖化学腐蚀作用发生挑选性溶解，从而得到光滑平坦的表面。

1.机械抛光

1.1粗抛光

将通过磨光后的试样，将利用装有尼纶、尼绒或者细帆布的抛光机或其他抛光设备，配合使用氧化铝、氧化镁、氧化铬、氧化铁、金刚砂等磨料举行抛光。抛光时刻2min～5min,抛光后用水洗净并吹干。

1.2细抛光

通过粗抛光后的试样利用装有尼龙绸、天鹅绒或其他纤维细匀的丝绒的抛光机或其他抛光设备，配合使用别同粒度的细抛光粉或细金刚砂软膏举行精抛光。此过程中应注意：

a.用力要轻，须从盘的中心至边缘来回抛光，并别时滴加少许磨粉悬浮。

b.绒布的湿度以将试样从盘上取下观看时，表面水膜能在2～3s内彻底蒸发消逝为宜。

c.试样抛光到磨痕彻底除去，表面象镜面为止。

d.抛光后的试样用水洗净吹干，使表面别致有水迹或污物残留。

e.试样抛光时，若发觉较粗磨痕别易去除，或试样抛光后在显微镜下观看，发觉有凹坑等妨碍试验结果的缺陷时，试样应重新磨制。

2.电解抛光

利用电化学反应时的阳极溶解原理，以试样作为阳极，碳棒或其他材料为阴极，依照样品材料选用相应的抛光液、电压、电流、温度和时刻，经过电化学反应而得到光亮表面。常用电解抛光液及使用条件见表1。

表1常用金相电解抛光液

3.化学抛光

利用化学试剂对试样表面举行别均匀溶解，从而得到光亮表面。该办法只能使试样表面光滑，别能达到表面平坦的要求。常用金相化学抛光液见表2。

表2常用金相化学抛光液

(五)侵蚀

经抛光后的试样若直截了当在金相显微镜下观看，只能看到一片亮光，除非某些非金属夹杂物（MnS及石墨等）外，无法辨不出各种组成物及其形态特征。必须使用侵蚀剂对试样表面举行侵蚀，才干清晰地显示出显微组织的真实事情。钢铁材料最常用的侵蚀剂为3～4%的硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精溶液。其它材料可查有关［侵蚀剂手册］。

最常用的金相组织显示办法是化学侵蚀法。其要紧原理是利用侵蚀剂对试样表面的化学溶解作用或电化学作用来显示组织。

○1关于纯金属或单相合金来讲，侵蚀是一具纯化学溶解过程。由于晶界上原子罗列混乱切具有较高能量，故晶界侵蚀速度较快容易被侵蚀浮现凹沟，并且由于每个晶粒的原子罗列位向别同，表面溶解的速度也别一样，所以被侵蚀后会浮现轻微的凹凸别平，在垂直光线的照耀下将显示出明暗别同的晶粒。

○2关于两相以上的合金而言，侵蚀是一具电化学腐蚀过程。由于各种组成相具有别同的电极电位，因而在侵蚀剂中会形成微电池，电极电位较低的相作为阴极被侵蚀而形成凹坑，电极电位较高的相作为阳极未被侵蚀而保持原表面。当光线照耀到凸凹别平的试样表面时，由于各处对光线的反射程度别同，在显微镜下就能看到各种别同的组织和组成相。

［侵蚀办法］是将试样的磨面浸入侵蚀剂中，或用棉签沾上侵蚀剂擦洗试样表面。侵蚀时刻要适当，普通试样磨面发暗时就可停止。假如侵蚀别脚可重复侵蚀。侵蚀完毕马上用清水冲洗，继续用无水酒精冲洗，最终用吹风机吹干。关于一些组织细微复杂的材料，必要时还可利用一些有机化合物将别同组织着上别同的色彩以便于区分，具体可查看相关彩色金相侵蚀剂手册。

1.宏观检验浸蚀

宏观检验用肉眼或10倍以下的放大镜观看被检件，宏观金相检验常用酸浸试验。

1.1酸浸试验可用热酸浸蚀或冷酸浸蚀。

1.2依照被检件的化学成分及检验目的，确定浸蚀液的成分，浸蚀温度和浸蚀时刻，以能准确显示缺陷为准。

1.3酸浸液应盛于耐酸器皿（如烧杯）中，酸浸试验宜在通风处举行。

1.4试样放入酸浸液时，被建面应别与器皿或其它试样接触，并应彻底浸入酸浸液中，以保证浸蚀均匀。浸蚀夜可延续使用，但其成分必须能保证试验结果可靠。

1.7浸蚀完毕后，即可用耐酸钳,戴耐酸手套将试样从浸蚀液中取出，并马上在流淌水中冲洗，并且用毛刷将试样表面上的腐蚀产物洗刷掉。但要注意别可粘污、划伤或用手摸被检面。刷洗后还可采纳2%NaOH或3-5%Na2CO3溶液冲洗，然后吹干。

1.8试样酸浸后，如发觉浸蚀别够时，可接着浸蚀至达到要求为止；如发觉浸蚀过深时，须将试样被检面重新举行磨平磨光后再按上述办法重新浸蚀。

1.9酸浸后的试样应及时检查或拍照，并作好记录。若需临时放置，则应置于干燥器中保存。

1.10检查时如发觉折叠、裂纹、气孔和未焊透等缺陷，可绘制简图对其举行记录，拍照时应注明放大倍数并测定缺陷的尺寸与位置，以便评定被检件质量。

2.微观检验浸蚀

2.1试样按照要求举行研磨并经显微镜检查合格后，即可举行浸蚀，浸蚀时刻视金属材料的性质、浸蚀液的浓度、温度，检验目的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清楚显示金属组织为宜。

2.2试样浸蚀完毕后，迅速用水冲洗，然后再用无水酒精清洗，热风吹干。若浸蚀程度别脚时，视具体事情可接着举行浸蚀，或重新抛光后再举行浸蚀；若浸蚀过度时，普通可重新抛光后再举行浸蚀；当浸蚀过度严峻时，则须重新磨制，并经抛光后再举行浸蚀。

2.3浸蚀好的试样，应马上观看拍照。

三．实验设备及材料

1．预备φ12～15mm，高12～15mm的圆柱体或边长12～15mm的方形低碳钢试样若干，预先用砂轮将表面磨平。

2．粗砂纸和金相砂纸每人一套，毛巾、吹风机和水盆共用。

3．机械抛光机，金相显微镜。

4．预先配置好侵蚀剂，并预备好若干棉签用于侵蚀。

四．实验内容及要求

学生按照金相试样的制备流程每人制作一碳钢试样，要求在显微镜下能清晰分辨显微组织，且没有明显可见的磨痕。

实验二铁碳合金平衡组织分析

一、实验目的

1.熟练运用铁碳合金相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。

2.掌握碳钢和白口铸铁的显微组织特征。

二、原理概述

铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热加工工艺的重要依据。按组织标注的铁碳相图见图。铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体F和渗碳体Fe3C两相按别同数量、大小、形态和分布所组成。高温下还有奥氏体A和δ固溶体相。

利用铁碳合金相图分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应及反应产物的本质和形态，并能做出别同合金的冷却曲线，从而得知其凝固过程中组织的变化及最终的室温组织。依照含碳量的别同，铁碳合金可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁三大类，现分不讲明其组织形成过程及特征。

1.工业纯铁

碳的质量分数小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。见图1-1。当其冷到碳在α-Fe中的固溶度线PQ以下时，将沿铁素体晶界析出少量三次渗碳体，铁素体的硬度在80HB左右，而渗碳的硬度高达800HB，因工业纯铁中的渗碳体量非常少，故硬度、强度别高而塑性、韧性较好。

图1-1工业纯铁组织

2.碳钢

碳的质量分数Wc在（0.0218%～2.11%）之间的铁碳合金称为碳钢，依照合金在相图中的位置可分为亚共析、共析和过共析钢。

（1）共析钢成分为%77.0Cw，在727℃以上的组织为奥氏体，冷至727℃时发生共析反应：A0.77→α0.0218%+Fe3C6.69%,将铁素体与渗碳体的机械混合物称珠光体（P）。室温下珠光体中渗碳体的质量分数约为12%，慢冷所