材料科学基础实验指导书（77份） - 图文

材料科学基础实验

指导书

适用专业：材料物理

总学时：32学时

目 录

实验一

铁磁性材料居里温度的测定?????????????3

实验二

材料导热系数的测定?????????????????7 实验三

润湿角（接触角）的测定???????????????10 实验四

四探针法测量半导体电阻率??????????????14 实验五

示波器法测定铁磁性材料的磁化曲线和磁滞曲线??????19 实验六

拉伸实验????????????????????? 26

实验七

铸铁显微组织的观察??????????????? 32 实验八

碳钢金相试样的制备、组织观察及力学性能的测定? 39

2

实验一 铁磁性材料居里温度的测定

铁磁性物质的磁性随温度的变化而变化，当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由磁性状态转变为顺磁性状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以TC表示，测量TC不仅对磁性材料、磁性器件的研制、使用，而且对工程技术以及家用电器的设计都具有重要的意义。

[实验目的]

1. 初步了解铁磁性物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理； 2. 学习用JLD-Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法； 3. 测定5个低温温敏磁环的居里温度。 [实验装置]

JLD-Ⅱ型居里点测试仪一套（主机一台，加温炉一台，样品5只）。 [实验原理]

1. 基本原理

在铁磁性物质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作 用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，这个区域的体积约为10-8m3，称之为磁畴。

在没有外磁场作用时，不同磁畴的取相各不相同，如图1所示。因此，对整个铁磁物质来说，任何宏观的方向，任何宏观区域的平均磁矩不再为零，且随着外磁场的增大而增大。当外磁场增大到一定值时，所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，如图2所示，任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显示出很强的磁性，我们说铁磁物质被磁化了，铁磁物质的磁导率μ远远大于顺磁物质的磁导率。

图1 图2

3

外磁场方向

铁磁物质被磁化后具有很强的磁性，但这种磁性与温度有关，随着铁磁物质温度的升高，金属点阵热运动的加剧会影响磁畴磁矩的有序排列，但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴磁矩的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小。而当与KT（K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度）成正比的热运动能足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时，磁畴被瓦解，平均磁矩降为零，铁磁物质的磁性消失而转变为顺磁物质，相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率。居里温度就是对应于这一磁性转变时的温度。

对于铁磁物质来说，由于有磁畴的存在，因此在外加的交变磁场的作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热一定的温度，由于金属点阵中的热运动的加剧，磁畴遭到破坏时，铁磁物质将转变为顺磁物质，磁滞现象消失，铁磁物质这一转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波管上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。

2、测量装置及原理

（1）测量装置

由居里温度的定义知要测定铁磁物质的居里温度，其测定装置必须具备四个功能：提供使样品磁化的磁场；改变铁磁物质温度的温控装置；判断铁磁性是否消失的判断装置；测量铁磁物质磁性消失时所对应温度的测温装置。以上四个功能由图3所示的系统装置实现。

图3

（2）测量原理

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给绕在待测磁环上的励磁线圈L1通一交变电流如图4所示，产生一交变磁场H，使铁磁物质——磁环往复磁化，样品中的磁感应强度B与H的关系B=f（H）为磁滞回线（如图5所示）。

图4 图5

由于H正比于i，i为通过L1的电流，因此，可以用I来代表H。B是通过副线圈L2中由于磁通量变化而产生的感应电动势来测定的，其感应电动势为：

ε=－（dΦ/dt）=-adB/dt

式中的a为线圈的截面积，将上式积分得

B＝－(1/a)∫εdt

由此可见样品的磁感应强度与副线圈L2的感应电动势的积分成正比，为此将L2上的感应电动势经过R2和C的积分线路，从积分电容C上取出B值，并加以放大后送至示波管的Y偏转板，从而在示波管上得到了样品的磁滞回线。当样品被加热到一定温度时，示波管上的磁滞回线即行消失，对于磁滞回线刚好消失时的温度，即为该样品的居里温度——居里点。

[实验内容及方法] 方法一：定性观察

1、将加热炉的输入连接插头，插入JLD-Ⅱ型主机箱后面板上对应的插座上（注意：千万不能接入220V的市电），将铁磁材料样品与电源箱，用专用线连接，并把样品放入加热炉，将温度传感器，降温风扇的接插件与接在电源箱后面板上的四芯线上的接插件对应相接。

2、将B输出与Y输入，H输出与X输入用专用线相接，“升温——降温”开关打向升温，开启电源箱上的电源开关，并适当的调节Y、X调节，示波管上

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就显示了磁滞回线。

3、 关闭加热炉上的两风门（旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直），将“测量—

—设置”开关打向“设置”，设定好炉温后，打向“测量”，加热炉温工作，炉温逐渐升向设置的温度。

4、当炉温达到此样品的居里点时，磁滞回线消失成一条直线，记录下此时数显温度的温度表显示值——即为该样品的居里点。

5、 打开加热炉上的两风门（风门旋钮方向和加热炉的轴线方向平行，把“升温

——降温”开关打向降温，让加热炉降温后，换一样品重复上述过程，直到样品测完为止。

方法二：定量测量

1、测量温度与感应电动势的关系，对应一个温度值，读出相应的感应电动势，测量感应电动势随温度变化的值从而画出感应电动势—温度曲线。 2、数据列表 温度(℃) 感应电压值 (B值)mv 3、数据处理

作感应电压—温度曲线图，在斜率最大处作切线，切线与横坐标的交点为所求的居里点TC。

4、重复上述过程，直到分别测量完5个试样为止。 本实验采用定量测量法测量铁磁性材料的居里温度。

[注意事项]

1、测量样品的居里点时，一定要让炉温从低温开始升高，即每次要让加热炉降温后再放入样品测量，这样可以避免由于样品和温度传感器相应时间的不同而引起的居里点每次测量值的不同；

2、在80℃以上测量样品时，温度很高，小心烫伤。

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实验二 材料导热系数的测定

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数需要由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法，另一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的。例如呈周期性的变化等。本实验采用稳态法进行测量。 [实验目的]

学会用稳态法测定材料的导热系数。 [实验装置]

圆铜盘、待测样品(圆盘形不良导体，长棒形铝合金)、紫铜圆筒、数字式电压表，FD-DC-II型导热系数测定仪，游标卡尺。 [实验原理]

1、 1882年法国数学、物理学家傅立叶给出了一个热导体的基本公式——傅立叶导热方程式。该方程式指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此相距为h、温度分别为θ1，θ2的平行面(设θ1>θ2)，若平面面积均为S，在

?t时间内通过面积

S的热量?Q满足下述表达式：

?Q?t??S 式中，

?Q?t?1??2h （1）

在数值上等于

为热流量，λ为该物质的热导率(又称导热系数)。λ

相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，在单位时间内通过单位面积的热量，其单位为W／(m·K)。

2、 本实验装置如图1所示。

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A F B P C G 3.000mv H D E I

A—带电热板的发热盘 B—样品 C—螺旋头 D—样品支架 E—风扇 F—热电偶 G—真空保温杯 H—数字电压表 P－散热盘 I—双向开关

图1

在支架D上先后放上圆铜盘P、待测样品(圆盘形不良导体)B和厚底紫铜

圆筒A。在A的上方加热，使样品上、下表面各维持稳定的温度θ1，θ2，它们的数值分别用安插在A、P侧面深孔中的热电偶F来测量。F的冷端浸入保温杯G内的冰水混合物中。I为双向开关，用以变换上、下热电偶的测量回路。数字式电压表H用以测量温差电动势。由上式可知，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为：

?Q?t???1??2h?R （2）

1

2式中，R为圆盘样品的半径，h为样品厚度。当传热达到稳定状态时，θ2和θ

的值将稳定不变，这时可认为发热盘A通过圆盘样品上表面传入的热流量与由散热盘P向周围环境散热的速率相等。因此，可通过散热盘P在稳定温度θ2时的散热速率求出热流量

?Q?t。方法如下：当读得稳态时的θ2和θ1后，即可将样品

B移去，而使发热盘A的底面与散热盘P直接接触。当盘P的温度上升到比稳定时的值θ2高出1mV左右时，再将发热盘A移去，复上圆盘样品，让散热盘P冷却，电扇仍处于工作状态，每隔30秒钟读一下散热盘的温度示值，选取临近θ的温度数据，然后由此求出散热盘P在θ

mc???t???22

2

的冷却速率

???t???2，则

??Q?t (m为黄铜盘P的质量，c为其比热容) 就是散热盘在温度为

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θ2时的散热速率，将其代入(2)式得：

??mc???t???2?h?1??2?1?R2 （3）

其中m=1kg ，c＝0.39kJ/kg·K

[实验内容、要求]

测定橡胶盘、铝合金棒的导热系数

(1) 据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效 率，可先将加热电源电压打到220V快速加热档，加热几分钟后再降至110V慢速加热档。然后，每隔2-5min读一下温度示值，如在10min内样品上、下表面温度θ1、θ2示值都不变，即可认为已经达到稳定状态。记录稳态时θ1、θ2值后，移去样品，再加热散热盘。当散热盘温度比θ2高出约1mV左右时，移去圆筒A，让铜盘P自然冷却。每隔30s读一次P盘的温度示值，最后选取邻近θ2的测量数据来求出冷却速率

???t|???2

(2) 置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与保温杯、数字毫伏计位于同一侧。热电偶插入小孔时，要抹上些硅油，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好。热电偶冷端插在滴有硅油的细玻璃管内，再将玻璃管浸入冰水混合物中。

(3) 圆盘B和铜盘P的各几何尺寸，均可用游标卡尺多次测量取平均。铜盘的质量(约lkg)可用药物天平称量。

(4) 实验选用铜—康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.2mV。 (5) 将

注意：由于热电偶冷端温度为0℃，对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围不太大时，其温差电动势(mV)与待测温度(℃)的比值是一个常数。由此，在用导热公式计算时，可直接以电动势值代表温度值。

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???t|???2，θ1、θ2以及m,c,h,R值带入（3）式计算材料的导热系数。

实验三 润湿角（接触角）的测定

当液体微滴滴在平面光滑的固体表面上时，它将无限的扩散或与固体表面成某一接触角而达到平衡状态。

润湿角是指液滴在物体表面扩展并达到平衡状态后，三相周边上某一点引气液界面的切线，则该切线与固液界面的夹角称为润湿角。 [实验目的]

学会用用润湿角测量仪测定润湿角。 [实验装置]

JJC-1型润湿角测量仪 [实验原理]

润湿角测量仪结构如图1、2所示

图1

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图2

用润湿角测量仪可以很方便地测出润湿角。方法有两种： 方法一：

如图3所示，O点为定分划板圆刻划中心，使液滴一端边缘和定分划板刻度中心O点重合，再使动分划板的刻线通过O点并和液滴边缘相切，则动、定分划板之间的夹角θ就是所要测的润湿角。

图3

方法二：如图4所示：

图4

11

若只用动分划板的移动和转动测出2r和h，通过计算可得到要测的润湿角θ。 若测2r则将动分划线与被测液滴边缘相切如图5所示，转动测微目镜鼓轮1(图1)，直至动分划线与液滴的另一边缘相切，如图6所示，记下测微目镜所走的距离，即为2r（鼓轮再转动一格值为0.01mm）。

图5 图6

测h时则先松开固定手轮3（图2），将测微目镜旋转90o用上述同样方法测出。 当润湿角θ为锐角时，tg?2?hr；

?h?r?? r??当润湿角θ为钝角时，??90?arcsin?[实验内容、要求]

运用两种方法测定润湿角。 液体：水、乙醇、硅油；

固体：铝片、铜片、玻璃

（1） 仪器应放在牢固、平稳、无震动的工作台上。通过调平手轮5（图1）使

圆水准器9（图2）气泡居中。接通电源（切记照明光源插在可调变压器上，不得直接插入220伏的电源），使光线照亮样品盒的长方形玻璃窗上，高、低通过固定手轮6（图2）进行调节。

（2） 液滴滴在样品盒中靠近照明光源的一侧，利用调焦手轮2（图1）和纵、

横向升降手轮，使液滴清晰的成像在目镜分划板上。如液滴和固体的接触线与定分划板（图7）水平线不重合，可通过固定首轮3（图2）进行调节，并使液滴一端边缘与定分划板刻度中心重合，使动分划板做线性移动，用转动首轮2（图2）使动分划板旋转。

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图7

完成上述调整后即可进行测量，注意：对于水滴测量时间不要超过1分钟；对油滴直径在1－2mm为宜，时间不超过3分钟。

（3）测量2r和h，则用转动手轮2（图2）和测微鼓轮1（图1）如图7所示测

量。

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实验四 四探针法测量半导体电阻率

半导体材料的电阻常用四探针法来测量。SDY-4型四探针测试仪是根据单晶硅物理测试方法国家标准并参考美国A.S.T.M标准设计的，专用于测试半导体材料电阻率及方块电阻（薄层电阻）的专用仪器。仪器以大规模集成电路为核心器件，应用了模拟和数字电子技术。具有功能选择直观、测量取数快、精度高、稳定性好、易操作等特点。 [实验目的]

1、了解四探针法测量半导体材料电阻的测量原理； 2、运用四探针测试仪测量半导体材料的电阻率 [实验装置]

SDY-4型四探针测试仪一套，薄片硅材料 [实验原理] 1、基本原理

半导体材料的电阻常用四探针法测量。测量时使用相距约1mm的四根金属探针同时与样品表面接触，通以恒流源给其中两根探针(如1、4)通以小电流使样品内部产生压降，并以高输入阻抗的直流电位差计或数字电压表来测量其他的两根探针(如2、3)的电压，然后计算材料的电阻率??CU23I，式中U23为2、3两探

针间的电压，C为该测法的探针系数(cm)。测量的简单装置和原理如图1所示。 1 2 3 4 电位差计 1 恒流源 2 r12 3 r34 4 r13 r24 (a)装置 (b)点电流源 (c)探针排列

图1

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测量时四个探针间距不等地排列在一直线上（外侧两根为电流探针，内侧的为电压探针），测量原理为：

设有一均匀的半导体试样，其尺寸与探针间距相比可视为无限大，探针引入点电流源的电流强度为I。因均匀导体内恒定电场的等位面为球面，故在半径为

2r处等位面的面积为2?r，则电流密度为j?I2?r2。由欧姆定律的微分形式可

I?2?r得电场强度为E?j??j??I?2?r2，因此距点电荷r处的电位为V?。

显然，半导体内各点的电位应为电流探针分别在该点形成电位的矢量和。通过数学推倒可得四探针法测量电阻率的普遍公式为：

?1111??2??????rr24r13r34?12?????1?????1U23I （1－1）

?1111???式中C?2???rr24r13r34?12为探针系数，r12,r24,r13,r34分别为相应探针的间

距。

若四探针处于同一平面的同一条直线上，其间距分别为S1、S2、S3，则（1－1）式又可写成

?1111????2??????SS2?S1S2?S3S3??1??1U23I （1－2）

当S1＝S2＝S3＝S时，（1－2）式可简化为??2?S距四探针法测电阻率的公式。

U23I，这就是常用的直流等间

若令I?C?2?S，即流过探针1、4的电流数值上等于探针系数，则?＝U23，即从探针2、3上测得的电压在数值上就直接等于试样的电阻率。 2、测量原理

根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按以下公式计算样品的电阻率或方块电阻：

A. 薄圆片（厚度≦4 mm ）电阻率：

??V/I ?F ?D/S ??F ?W/S ??W ?F s p

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??cm ?1?

其中：D——样品直径，单位cm或mm，注意与S 单位一致；

S——平均探针间距，单位：cm或mm，注意与D单位一致； W——样品厚度，单位：cm,在F(W/S)中注意与S单位一致； Fsp——探针间距修正系数；

F(W/S)——样品厚度修正系数,由附表II查出； F(D/S)——样品直径修正系数, 由附表I查出；

I——1、4探针流过的电流值，单位mA，选值可参考表2; V——2、3探针间取出的电压值，单位：mV

B. 薄层方块电阻R□：

R□=V/I×F(D/S) ×F(W/S) ×Fsp (Ω/□)

其中：D——样品直径，单位cm或mm，注意与S 单位一致；

S——平均探针间距，单位：cm或mm，注意与D单位一致； Fsp——探针间距修正系数；

F(W/S)——样品厚度修正系数,由附表II查出； F(D/S)——样品直径修正系数, 由附表I查出；

I——1、4探针流过的电流值，单位mA，选值可参考表1; V——2、3探针间取出的电压值，单位：mV

C. 棒材或厚度大于4mm的厚片电阻率ρ：

当探头的任一探针到样品边缘的最近距离不小于4S时，测量区的电阻率为：

??V/I ?C ??cm ?3?

其中：C=2πS为探针系数，单位：cm；S的取值来源于：

1S ?1S1 ?1S3 ?1S1?S3 ?1S2?S3 ，S1为(1-2)针、S2为(2-3)针、S3为

(3-4)针的间距，单位：cm；

I——1、4探针流过的电流值，单位mA，选值可参考表2; V——2、3探针间取出的电压值，单位：mV

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[实验内容及方法]

首先连接四探针探头与SDY-4主机，接上电源，再按以下步骤进行操作： 1、开启主机电源开关，此时―R□‖和―I‖指示灯亮。预热约5分钟；

2、估计所测样品方块电阻或电阻率范围，按表1和表2选择电流量程，按下K1、

K2、K3、K4中相应的键；（如无法估计样品方块电阻或电阻率的范围，可以―0.1mA‖量程进行测试，再以该测试值作为估计值按表1和表2选择电流量程。）

表1 方块电阻测量时电流量程选择表 方块电阻(Ω/□) <2.5 2.0～25 20～250 >200 表2 电阻率测量时电流量程选择表

电阻率(Ω·cm) <0.06 0.03～0.6 0.3～60 >30 电流量程(mA) 100 10 1 0.1 电流量程(mA) 100 10 1 0.1 3、放置样品，压下探针，使样品接通电流。主机此时显示电流数值。调节电位

器W1和W2，即可得到所需的测试电流值。推荐按以下方法，根据不同的样品，调定不同的测试电流值，即可方便得到测试结果： A. 测试薄圆片（厚度≦4 mm ）电阻率： 按以下公式：

??V/I ?F ?D/S ??F ?W/S ??W ?F s p ??cm

选取测试电流I：I=F(D/S)×F(W/S) ×W×Fsp.（式中各参数按―测量原理简介‖中的定义可分别得出。）然后计算出测试电流值：I=0.ABCD

在仪器上调整W1和W2，使测试电流显示值为―□ABCD‖。当选取不同的电流量程时，测试电流显示值与实际电流值的关系如表3：

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表3 测试电流显示值与实际电流值的关系

电流显示值 □ABCD □ABCD □ABCD □ABCD 电流量程（mA） 100 10 1 0.1 实际电流值（mA） AB.CD A.BCD 0.ABCD 0.0ABCD 按以上方法调整电流后，按K6键选择“R□/ρ”，按K5键选择“ρ”，仪器则直接显示测量结果(Ω?cm)。

B. 测试薄层方块电阻R□： 按以下公式：

R□=V/I×F(D/S) ×F(W/S) ×Fsp (Ω/□)

选取测试电流I:I=F(D/S)×F(W/S)×Fsp. （式中各参数按“测量原理简介”中的定义可分别得出。）然后计算出测试电流值：I=A.BCD

在仪器上调整W1和W2，使测试电流显示值为“□ABCD”。当选取不同的电流量程时，测试电流显示值与实际电流值的关系如表3。

按以上方法调整电流后，按K6键选择“R□/ρ”，按K5键选择“R□”，仪器则直接显示测量结果(Ω/□)。

C. 测试棒材或厚度大于4mm的厚片电阻率ρ： 按以下公式：

??V/I ?C ??cm

选取测试电流I:I=C（式中参数C的说明见―测量原理简介‖。C数值见探头合格证。）然后得出测试电流值：I=0.ABCD

在仪器上调整W1和W2，使测试电流显示值为“□ABCD”。当选取不同的电流量程时，测试电流显示值与实际电流值的关系如表3。

按以上方法调整电流后，按K6键选择“R□/ρ”，按K5键选择“ρ”，仪器则直接显示测量结果(Ω?cm)。 4、测量薄圆片硅材料的电阻率。

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实验五 示波器法测定铁磁材料的磁化曲线和磁滞曲线

【实验目的】

1.了解用示波器法显示磁滞回线的基本原理 2.学会用示波器法测绘磁化曲线和磁滞回线

3.根据磁滞回线确定磁性材料的饱和磁感应强度、剩磁和矫顽力 【实验原理】

1.铁磁材料（如铁、镍、钴和其他铁磁材料）除了具有高的磁导率外，另一个重要的特点就是磁滞。磁滞现象是材料磁化时，材料内部磁感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且与以前的磁化状态有关。图1表示铁磁质的这种性质，设铁磁质在开始时没有磁化，如磁场强度H逐渐增加，B将沿oa增加，曲线oa叫做起始磁化曲线，当H增加到某一值时，B几乎不变。若将磁场强度H减小，则B并不沿原来的磁化曲线减小，而是沿图中ab曲线下降，即使H降到零（图中b点），

B的值仍接近于饱和值，与b点对应的B值，称为剩余磁感应强度Bｒ（剩磁）。当加反向磁场H时，B随着减小，当反向磁场H达到某一值（如图中c点）时，B=0，与oc相当的磁场强度Hｃ称为矫顽磁力。当反向磁场继续增加时，铁磁质中产生反向磁感应强度，并很快达到饱和。逐渐减小反向磁场强度，减到零，再加正向磁场强度时，则磁感应强度沿defa变化，形成一闭合曲线abcdefa，称该闭合曲线为磁滞回线。

由于有磁滞现象，能够有若干个B值与同一个H值对应，即B是H的多值函数，它不仅与H有关，而且与这铁磁质磁化程度有关。例如：与H=0相应的B有以下3个值。

⑴B＝0的O点，这与原来没有磁化相对应。 ⑵B＝Bｒ，这是在铁磁质已磁化后发生的。

图1 磁滞回线

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⑶B＝－Bｒ，这是在反向磁化后发生的。

必须指出，当铁磁材料从未被磁化开始，在最初的几个反复磁化的循环内，每一个循环H和B不一定沿相同的路径进行（曲线并非闭和曲线）。只有经过十几次反复磁化（称为―磁锻炼‖）以后，才能获得一个差不多稳定的磁滞回线。它代表该材料的磁滞性质。所以样品只有―磁锻炼‖后，才能进行测绘。

不同铁磁材料，其磁滞回线有―胖‖、―瘦‖之分，通常根据磁滞回线的不同形状将磁铁分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料等几种。

软磁材料的磁滞回线窄而长，剩余磁感应强度Bｒ和矫顽力Hｃ都很小，其基本特征是磁导率高，易于磁化及退磁。软铁、硅钢等属于这一类，它们常用来制造变压器及电机的转子。当铁磁质反复被磁化时，介质要发热。实验表明，反复磁化所产生的热与磁滞回线包围的面积成正比，变压器选用软磁材料就是考虑了这一点。

硬磁材料的磁滞回线较宽，Bｒ和Hｃ都较大，因此，其剩余磁感应强度Bｒ可保持较长时间。铬、钴、镍等元素的合金属属于硬磁材料。它常用于制造永久磁铁。

矩磁材料的磁滞回线接近矩形，其特点是剩余磁感应强度Bｒ接近饱和时的 Bｍ，矫顽磁力小。若使矩磁材料在不同方向的磁场下磁化，当磁化电流为零时，它仍能保持＋Bｒ和－Bｒ两种不同的剩磁，矩磁材料常用作记忆元件，如电子计算机中存储器的磁芯。软磁材料和硬磁材料的根本区别在于矫顽磁力Hｃ的差别。

对于高磁导率的软磁材料，Hｃ很小，只有1～10 A/m；对高矫顽磁力硬磁材料，Hｃ在105 A/m以上；矩磁材料的矫顽磁力Hｃ一般在102 A/m以下。

可见，铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构和仪表的重要依据之一。

由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H＝0时，B＝0；其次，磁化电流在实验过程中只允许单调增加或减小，不可时增时减。

图2 退磁示意图

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退磁方法，从理论上分析，要消除剩磁Bｒ，只要通一反向电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行了，实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因此无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示，如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零。那么该材料磁化过程是一连串逐渐缩小而最终趋向原点的环状曲线，如图2所示，当H减小到零时，B亦同时降到零，达到完全退磁。

总结以上情况，在进行测量时，一般要先退磁，再进行“磁锻炼”，然后进行正式测量。

2.示波器显示磁滞回线的原理

示波器法正广泛用在交变磁场下观察、拍摄和定量测绘铁磁材料的磁滞回线。但是怎样才能使在示波器的荧光屏上显示出磁滞回线（即B-H曲线）呢？显然，我们希望在示波器的X偏转板输入正比于样品的励磁场H的电压，同时又在Y偏转板输入正比于样品中磁感应强度B的

电压，结果在屏幕上得到样品的B-H回线。

用待测铁磁材料制成的圆环，再在外面紧密绕上原线圈（励磁线圈）N１和副线圈（测量线圈）N２，参见图3。

当原线圈N１中通过磁化电流I１时，此电流在圆环内产生磁场。根据安培环路定律HL＝ N１I１，磁场强度的大小为

H?N1I1L图3 测定装置图

（1）

其中 N１为原线圈的匝数，L为圆环的平均周长。如果将电阻R１上的电压Uｘ

= I１R１(注意：I１和Uｘ是交变的)，取出来加在示波器X偏转板上，则电子束在水平方向上的偏移跟磁化电流I１成正比，按照式（1）有

21

I1?HLN1

所以

Ux?LR1N1H （2）

它表明，在交变磁场下，在任一瞬时t，如果将电压Uｘ接到示波器X轴输出端，则电子束在水平的偏转正比于励磁场强度H。为了获得跟样品中磁感应强度瞬时值B成正比的电压Uy ,采用电阻R２和电容C组成的积分电路，并将电容C两端的电压Uｃ接到示波器Y轴的输出端。因交变的磁场H在样品中产生交变的磁感应强度B，结果在副线圈N２内产生感应电动势，其大小为

ε

２

＝

d?dtN2＝N２S

dBdt （3）

式中N２为副线圈匝数，S为待测铁磁质圆环的截面积。忽略自感电动势后，对于副线圈回路有

ε

２

＝Uｃ＋I２R２ （4）

为了如实地绘出磁滞回线，要求：

⑴、积分电路的时间常数R２C应比1/（2πf）（其中f为交流电频率）大100倍以上，即要求R２比1/（2πf C）（电容C的阻抗）大100倍以上，这样Uｃ与I

１２

R相比可忽略（由此带来的误差小于1％），于是（4）式简化为

ε

２

≈I２R２ （5）

但R２比1/（2πf C）不能过大，过大了使Uｃ值过小，显然也就困难了。 ⑵、在满足上述条件下，Uｃ的振幅很小，如将它直接加在Y偏转板上，则不能绘出大小合适需要的磁滞回线，为此，须将Uｃ经过Y轴放大器增幅后输至Y偏转板。这就要求在实验磁场的频率范围内，示波器的放大器的放大系数必须稳定，不然会带来放大的相位畸变和频率畸变，而出现磁滞回线“打结”现象，而无法进行定量测量。此时适当调节R２阻值有可能得到最佳磁滞回线图形。

利用（5）式的结果，电容C两端的电压表示为

Uｃ＝

QC＝

1C２

?I1dt＝

1CR2??2dt （6）

这表明输出电压是感应电动势ε

对时间的积分，这也是“积分电路”名称

22

的由来。将（6）式代入上式得到

Uｃ＝

N2SCR2?dBdtdt ＝

N2SCR2?B0dB ＝

N2SCR2B （7）

（7）式表明，接在示波器Y轴输出端的电容C上的电压Uｃ（即Uy）值正比与B。 这样，在磁化电流变化的一个周期内，电子束的径迹描出一条完整的磁滞回线，以后每个周期重复此过程。

我们可逐渐调节输入交流电压，使磁滞回线由小到大扩展，把逐次在坐标纸上记录的磁滞回线顶点的位置联成一条曲线。这条曲线就是样品的基本磁化曲线。

⑶、标定Hi值

对于显示在荧光屏上的磁滞回线如图1所示，在保持示波器增益不变的条件下进行标定。将图3中样品原边短接，保持R1数值不变，并接入电流表，如图4所示，合上开关K，调节调压器，使显示在荧光屏上水平线段恰好与图1中?Hs间的水平距离相等。若这时电流表读数为I1(电流表指示的是正弦波的有效值)，其峰值I1m?2I1，根据安培环路定律

I1mN1L2I1N1LHi???安匝/米?

式中I1单位用安培，L单位用米。

图4

(4)、标定Bi值

用标准互感器M取代被测样品。按图4接线，其中R1、R2、C均保持原来的数值，合开关K，调节调压器，使示波器的垂直线段等于图1中的?Bs间的高度。

23

如果初级回路中电流为im电流表指示有效值IM安培，根据互感原理，互感器付边的感应电动势?M??Mdimdt

dimdt?NiSdBdt又因?M??2时，电容上的电压Ucm=UC，因此得M

两边积分得MIMm?N2SBi，式中IMm为标准互感器原边电流的最大值。 因此得Bi?MIMmN2S?2MIN2SM特斯拉，式中M为亨利，S为米，IM为安培。

2

【实验仪器】

磁滞回线测试仪1台，KY-A型可调隔离变压器；CA8022型示波器1台；透明米尺1根。 【实验内容与步骤】 本实验内容为：

①测绘铁磁材料的基本磁化曲线；②测绘铁磁材料的磁滞回线。 具体操作步骤如下。

1、调整仪器按图1连接线路，先调电压调节旋钮为零，再调节示波器，使电子束光点呈现在荧光屏坐标网格中心。 2、测绘基本磁化曲线

⑴把电压调节旋钮调到零，然后逐渐调节电压调节旋钮使电压逐渐升高（由测定面板上表头指示可观察到），屏上将出现磁滞回线的图像，调节示波器垂直增益，使图形大小适当。待磁滞回线接近饱和后，逐渐减小输出电压至零，目的是对样品进行退磁。

⑵从零开始，逐渐升高输出电压若干挡进行，使磁滞回线由小变大，分别记录每条磁滞回线顶点坐标，描在坐标纸上，并将所描各点连成曲线，就可得出基本磁化曲线。

3、测绘磁滞回线

⑴调节输出电压到某值，然后调节示波器垂直增益和水平增益，使磁滞回线大小适当。

⑵在方格纸上按1∶1（或1∶2）的比例描绘屏上显示的磁滞回线，记下有代表性的某些点，如图1中的a、b、c、d、e、f点的坐标Xｉ、Yｉ 。

24

(3)在坐标纸上标定并描绘出磁滞回线。

仪器参数：

S=38×10-5

m2

（铁芯截面积） L=130mm=0.13m 初级匝数：N1=1700T 次级匝数：N2=398T

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实验六 拉伸实验

拉伸是材料力学最基本的实验，通过拉伸可以测定出材料一些基本的力学性

能参数，如弹性模量、强度、塑性等。

【实验目的】

1、测定塑性材料的抗拉强度ζ

m 、断后伸长率δ

和截面收缩率ψ；

2、绘制材料的应力-应变曲线；

3、了解WE-600B下置式万能试验机的构造和工作原理，掌握其使用方法。

【实验仪器、设备】

WE-600B下置式万能材料试验机，引伸计，力传感器，位移传感器、游标卡尺等。万能材料试验机结构图： 试件：

最常见的拉伸试件的截面是圆形和矩形，如图1-1a、b所示。 夹持 过渡 夹持 过渡 h d b

l0 l0

(a) (b)

图1-1 试件的截面形式

试样分为夹持部分、过渡部分和待测部分。标距（l0）是待测部分的主体，

26

其截面积为S0。按标距（l0）与其截面积（S0）之间的关系，拉伸试样可分为比例试样和非比例试样。按国家标准GB228-2002的规定，比例试样的有关尺寸如下表1-1。

表1-1

截面积S0试样 标距l0，(mm) （mm） 2圆形试样直径d (mm) 长 比例 短 11.35.65S0S0或10d 任意 或5d 任意 【实验原理】

1、塑性材料的拉伸（低碳钢）：

实验原理如图1-2a所示，首先，实验各参数的设置由PC传送给测控中心后开始实验，拉伸时，力传感器和引伸计分别通过两个通道将式样所受的载荷和变形连接

1-2a 拉伸实验原理图 到测控中心，经相关程序计算后，再在PC

机上显示出各相关实验结果。

当试样开始受力时，因夹持力较小，其夹持部分在夹头内有滑动，故图中开始阶段的曲线斜率较小，它并不反映真实的载荷—变形关系；载荷加大后，滑动消失，材料的拉伸进入弹性阶段。

应力

E D

B’ BC F

ζ m ζeL 应变

1-2b 典型的低碳钢拉伸图

27

低碳钢的屈服阶段通常为较为水平的锯齿状（图中的B′-C段），与最高载荷B′对应的应力称上屈服极限，由于它受变形速度等因素的影响较大，一般不作为材料的强度指标；同样，屈服后第一次下降的最低点也不作为材料的强度指标。除此之外的其它最低点中的最小值（B点）作为屈服强度ζ

FSLeL：

ζeL =

S0

当屈服阶段结束后（C点），继续加载，载荷—变形曲线开始上升，材料进入强化阶段。若在这一阶段的某一点（如D点）卸载至零，则可以得到一条与比例阶段曲线基本平行的卸载曲线。此时立即再加载，则加载曲线沿原卸载曲线上升到D点，以后的曲线基本与未经卸载的曲线重合。可见经过加载、卸载这一过程后，材料的比例极限和屈服极限提高了，而延伸率降低了，这就是冷作硬化。

随着载荷的继续加大，拉伸曲线上升的幅度逐渐减小，当达到最大值（E点）ζ

m 后，试样的某一局部开始出现颈缩，而且发展很快，载荷也随之下降，迅速

m

到达F点后，试样断裂。材料的强度极限ζ

Fm为：

ζm =S0

当载荷超过弹性极限时，就会产生塑性变形。金属的塑性变形主要是材料晶面产生了滑移，是剪应力引起的。描述材料塑性的指标主要有材料断裂后的延伸率δ和截面收缩率ψ来表示。

伸长率：??lu?l0l0?100%

?100%

截面收缩率： ??S0?SuS0式中l0、lu和S0、Su分别是断裂前后的试样标距的长度和截面积。 lu可用下述方法测定：

直接法：如断口到最近的标距端点的距离大于l0/3，则直接测量两标距端点间的长度为lu；

移位法：如断口到最近的标距端点的距离小于l0/3，如图1-3所示：在较长段上，从断口处O起取基本短段的格数，得到B点，所余格数若为偶数，则取其一半，得到C点；若为奇数，则分别取其加1和减1的一半，得到C、C1点，

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那么移位后的lu分别为：lu=AO+OB+2BC， lu=AO+OB+BC+BC1。

A O B C D

●

● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

(a)

A O B C C D

● 1

● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

(b)

【实验步骤】

1、 确定标距

根据表1-1的规定，选择适当的标距（这里以10d作为标距l0），并测量l0的实际值。为了便于测量lu，将标距均分为若干格，如10格。

2、试样的测量

用游标卡尺在试样标距的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径d，并计算出S0值。

3、仪器设备的准备 根据材料的强度极限ζ

m

和截面积S0估算最大载荷值Fmax，根据Fmax选择试

验机合适的档位，并调零；同时调整好试验机的自动绘图装置。

4、安装试件

试件先安装在试验机的上夹头内，再移动下夹头，使其达到适当的位置，并把试件下端夹紧。

5、加载、卸载。注意试加载值不能超过比例极限。 6、测试

WE-600B下置式万能材料实验机操作步骤： 1、接好电源线，按“电源”按钮，指示灯亮；

2、根据试样规格选用量程，在摆杆上挂上或取下砣，必要时调整缓冲手轮；

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3、根据试样形状及尺寸，把相应的钳口装入上下钳口座内； 4、在描绘器的转筒上，卷压好记录纸；

5、开动油泵拧开送油阀使台板上升约10mm，然后关闭送油阀。如果台板已在升

起位置，则不必先开动油泵送油，仅将送油阀关好即可；

6、将试样的一端夹于上钳口中。对于配有液压夹头的机型，则按下控制盒上的“上紧”按钮，加紧试样； 7、开动油泵调整指针对准盘零点；

8、启动升降电机调整拉伸实验空间，将试样垂直夹持好。对于配有液压夹头的

机型，则按下控制盒上的“下紧”按钮，将试样垂直夹持好； 9、将推杆的描绘笔放下进入描绘准备状态；

10、按实验要求的加力速度，缓慢地拧开送油阀进行加力试验。试样断裂后关闭

送油阀。如下一组试验间隔较长时间，应停止油泵工作； 11、把记录数值的描绘笔抬起；

12、打开回油阀卸力后，将从动针拨回零点；

13、取下断裂试样。对于配有液压夹头的机型，先按“上松”按钮使上钳口松开，

在按“下松”按钮松开下钳口，分别取下断裂的试样。

14、将断裂试件的两断口对齐并尽量靠紧，测量断裂后标距段的长度lu；测量断

口颈缩处的直径du，计算断口处的横截面积Su 。

自动描绘器的使用

自动描绘器由记录笔、描绘筒、导线轮组等零件组成，使用本机构可以粗略地绘出“应力应变图”。操作步骤如下： 1、装夹好试样，做好试验准备； 2、在描绘筒上夹好记录用纸；

3、将弦线的一端系于移动横梁右侧的导线轮组上，并逐次穿过各导线轮组，最后选择描绘筒左端的三个沟槽中的一个缠一圈，并在弦线另一端挂上坠砣； 4、选择沟槽中直径最大的，则在“应力应变图”上应变量按1：1绘出；选择中等大小的。应变量放大至2：1，选择最小的沟槽，应变量放大至4：1； 5、通过改变弦线在沟槽中的缠绕方向来保证试验时描绘筒向着观察者的方向旋转；

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6、装上记录笔，使笔尖与记录纸恰好接触； 7、试验结束后，取下记录纸。

【实验要求】

1、测定塑性材料的抗拉强度ζ

m 、断后伸长率δ

和截面收缩率ψ；

2、绘制材料的应力-伸长率曲线；

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实验七 铸铁的显微组织

一、实验目的

（1）熟悉常用铸铁的显微组织特征（包括石墨的形态及基体组织） （2）了解浇铸及处理条件对铸铁组织和性能的影响。 二、实验原理

铸铁是碳的质量分数WC＞2.11%的铁碳合金。它是以Fe、C、Si为主要组成元素，并比钢含有较高的S和P等杂质。碳在铸铁中，主要以石墨的形式存在。

石墨化：铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程。 石墨化有两种方式：一种是在冷却过程中，可以从液体和奥氏体中直接析出石墨；另一种是在一定条件下由亚稳定性的Fe3C分解出铁素体和稳定的石墨。

双重相图：实践证明，铸铁在冷却时，冷速越缓，析出石墨的可能性越大，用Fe-G相图说明；冷速赶快，则析出渗碳体的可能性越大，用Fe-Fe3C相图说明。为便于比较和应用，习惯上把这两个相图合画在一起，

图1 Fe－G与Fe－Fe3C双重相图

称之为铁-碳合金双相图。如图1所示。其中虚线表示稳定态（Fe-G）相图，实线表示亚稳定态（Fe-Fe3C）相图，虚线与实线重合的线用实线画出。石墨化以哪一种方式进行，主要取决于铸铁的成分与保温冷却条件。 1、石墨化过程

按照Fe-G相图，铸铁的石墨化过程分为三个阶段：

第一阶段石墨化：①对于过共晶成分合金而言，铸铁液相冷至C'D'线时，结晶出的一次石墨；②各成分铸铁，在1154℃（E'C'F'线）通过共晶反应形成的共晶石墨。即墨。即GⅡ

第三阶段石墨化 在738℃（P'S'K'线）,通过共析转变析出共析石墨。即

AS????FP??G共析

738℃LC????AE??G共晶1154℃

第二阶段石墨化：在1154～738℃温度范围内，奥氏体沿E'S'线析出二次石

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2、影响石墨化的主要因素

（1）化学成分 按对石墨化的作用，可分为促进石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co、P等）和阻碍石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）两大类。 ·C和Si是强烈促进石墨化的元素；S是强烈阻碍石墨化的元素，而且还降低铁液的流动性和促进高温铸件开裂；

·适量的Mn既有利于珠光体基体形成，又能消除S的有害作用；

·P是一个促进石墨化不太强的元素，能提高铁液的流动性，但当其质量分数超过奥氏体或铁素铁的溶解度时，会形成硬而脆的磷共晶，使铸铁强度降低，脆性增大。

总之，生产中，C、Si、Mn为调节组织元素，P是控制使用元素，S属于限制元素。

（2）石墨化温度 石墨化过程需要碳、铁原子的扩散，石墨化温度越低，原子扩散越困难，因而石墨化进程越慢，或停止。尤其是第三阶段石墨化的温度较低，常常石墨化不充分。

（3）冷却速度 一定成分的铸铁，石墨化程度取决于冷却速度。冷速越慢，越利于碳原子的扩散，促使石墨化进行。冷速越快，析出渗碳体的可能性就越大。这是由于渗碳体的WC（6.69%）比石墨（100%）更接近于合金的WC（2.5%～4.0%）

影响冷却的因素主要有浇注温度、铸件壁厚、铸型材料等。当其它条件相同时，提高浇注温度，可使铸型温度升高，冷速减慢；铸件壁厚越大，冷速越慢；铸型材料导热性越差，冷速越慢。 二、铸铁的组织与性能

1、铸铁的组织 通常铸铁的组织可以认为是由钢的基体与不同形状、数量、大小及分布的石墨组成的。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。

表1 铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织

名 称 灰铸铁 麻口铸铁 白口铸铁

石墨化程度 第一阶段 充分进行 充分进行 充分进行 部分进行 不进行 第二阶段 充分进行 充分进行 充分进行 部分进行 不进行 第三阶段 充分进行 部分进行 不进行 不进行 不进行 显微组织 F＋G F＋P＋G P＋G Le'＋P＋G Le'＋P＋Fe3C 33

2、铸铁的性能 铸铁基体组织的类型和石墨的数量、形状、大小和分布状态决定了铸铁的性能。 （1）石墨的影响

石墨是碳的一种结晶形态，其碳的质量分数WC≈100%，具有简单六方晶格。 由于石墨的硬度为3～5HBS，ζb约为20MPa，塑性和韧性极低，伸长率δ接近于零，从而导致铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均不如钢。并且石墨数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对力学性能的削弱就越严重。其中

·片状石墨对基体的削弱作用和引起应力集中的程度最大； ·球状石墨对基体的割裂作用最小； ·团絮状石墨的作用居于二者之中。

但石墨的存在，使铸铁具有优异的切削加工性能、良好的铸造性能和润滑作用、很好的耐磨性能和抗振性能，大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。 （2）基体组织的影响

对同一类铸铁来说，在其它条件相同的情况下，铁素体相的数量越多，塑性越好；珠光体的数量越多，则抗拉强度和硬度越高。由于片状石墨对基体的强烈作用，所以只有当石墨为团絮状、蠕虫状或球状时，改变铸铁基体组织才能显示出对性能的影响。 三、常用铸铁材料 1、普通灰铸铁

普通灰铸铁俗称灰铸铁，简称灰铁。其生产工艺简单，铸造性能优良，在生产中应用最为广泛，约占铸铁总量的80%。

（1）灰铸铁的成分、组织和性能

一般铸铁含WC＝2.7%～3.6%，WSi＝1.0～2.2%，WMn＝0.5%～1.3%，WS＜0.15%，WP＜0.3%。其组织有：铁素体灰铸铁（在铁素体基体上分布着片状石墨）；珠光体+铁素体灰铸铁（在珠光体+铁素体基体上分布着片状的石墨）；珠光体灰铸铁（在珠光体基体上分布着片状的石墨）如图2（a）、（b）、（c）所示。

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a）铁素体灰铸铁 b）铁素体+珠光体灰铸铁 c）珠光体灰铸铁

图2 三种基体的灰铸铁

灰铸铁组织相当于在钢的基体上分布着片状石墨，因此，其基体的强度和硬度不低于相应的钢。石墨的强度、塑性、韧性极低，在铸铁中相当于裂缝和孔洞，破坏了基体金属的连续性，同时很容易造成应力集中。因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性及韧性都明显低于碳钢。石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对基体的割裂作用越严重。但是石墨片很细，尤其相互连接时，也会使承载面积显著下降。因此，石墨片长度应以0.03～0.25mm为宜。石墨的存在，使灰铸铁的铸造性能、减摩性、减振性和切削加工性都高于碳钢，缺口敏感性也较低。灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨的存在基本无关。因此，灰铸铁的抗压强度约为抗拉强度3～4倍。 （2）灰铸铁的孕育处理

浇注时向铁液中加入少量孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），改变铁液的结晶条件，以得到细小、均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织的方法，称为孕育处理。

孕育处理时，孕育剂及它们的氧化物使石墨片均匀细化，并使铸铁的结晶过程几乎在全部铁液中同时进行，避免铸件边缘及薄壁处出现白口组织，使铸铁各个部位截面上的组织与性能均匀一致，提高了铸铁的强度、塑性和韧性，同时也降低了灰铸铁的断面敏感性。经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁，表4-24中，HT250、HT300、HT350即属于孕育铸铁，常用于制造力学性能要求较高，截面尺寸变化较大的大型铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等。 2、球墨铸铁

球墨铸铁是石墨呈球状的灰铸铁，如图3所示。它是在浇注前向砂灰铸铁液

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中加入球化剂和孕育剂，而获得具有球状石墨的铸铁。

球墨铸铁的成分中，C、Si的质量分数较高，Mn的质量分数较低，S、P质量分数限制很严，同时含有一定量的Mg和稀土元素。球墨铸铁常见的基体组织有铁素体、铁素体＋珠光体和珠光体三种。通过合金化和热处理后，还可获得下贝氏体、马氏体、托氏体、索氏体和奥氏体等基体组织的球墨铸铁。

在石墨球的数量、形状、大小及分布一定的条件下，珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体球墨铸铁高50%以上，而铁素体球墨铸铁的伸长率是珠光体球墨铸铁的3～5倍。铁素体＋珠光体基体的球墨铸铁性能介于二者之间。经热处理后以马氏体为基的球墨铸铁具有高硬度、高强度，但韧性很低；以下贝氏体为基的球墨铸铁具有优良的综合力学性能。石墨球越细小，分布越均匀，越能充分发挥基体组织的作用。

球墨铸铁的金属基体强度的利用率可以高达70%～90%，而普通灰铸铁仅为30%～50%。同其它铸铁相比，球墨铸铁强度、塑性、韧性高，屈服强度也很高。屈强比可达0.7～0.8，比钢约高一倍，疲劳强度可接近一般中碳钢，耐磨性优于非合金钢，铸造性能优于铸钢，加工性能几乎可与灰铸铁媲美。因此，球墨铸铁在工农业生产中得到越来越广泛的应用，但其熔炼工艺和铸造工艺要求较高，有待于进一步改进。

a）铁素体球墨铸铁 b）铁素体+珠光体球墨铸铁 c）珠光体球墨铸铁

图3 球状石墨

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3、蠕虫状石墨铸铁

这是一种新型的铸铁材料。在浇铸前加入稀土硅铁（蠕化剂），使石墨结晶成蠕虫状。蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的石墨形态。这种过渡形 态极象“蠕虫”，片短而厚，头部较圆。如图4所示。

蠕虫状石墨铸铁的强度、塑性、韧性远比普通灰口铸铁好，且具有良好的热传导形，抗热疲劳性，铸造工艺简单，成品率锆，主要用作内燃机上的缸盖、缸套和排气管等耐热构件。

(a) 金相组织 (b)扫描电镜下的蠕虫状石墨

图4 蠕虫状石墨铸铁

4、可锻铸铁

首先浇注成白口铸铁件,然后经可锻化退火(可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨)而获得可锻铸铁。

可锻铸铁中的石墨呈团絮状，如图5所示，大大减轻了石墨对基体金属的割裂作用，使其强度、塑性和韧性比灰铸铁高，接近同样基体的球墨铸铁，而且成本比球铁低，质量稳定，但退火时间长、生产效率低。主要用来制造要求强度较高并承受一定冲击载荷的薄壁零件。可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。

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a）铁素体可锻铸铁 b）珠光体可锻铸铁

图5 可锻铸铁的显微组织

5、白口铸铁 含碳量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金为白口铸铁。根据含碳量的不同又分为亚共晶白口铸铁，共晶白口铸铁，过共晶白口铸铁三类。 1）亚共晶白口铸铁

碳的质量数为2.11～4.3%，室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体，见图6 。黑色树枝状为初生奥氏体转变的珠光体，其周围白色网状物为二次渗碳体。其余为莱氏体，莱氏体中的黑色粒状或短杆状物为共晶珠光体。

图6 亚共晶白口铸铁显微组织

2）共晶白口铸铁

碳的质量分数为4.3%。室温组织为单一的莱氏体，见图7。图中黑色的粒状短杆状为珠光体，白色基体为渗碳体。

图7 共晶白口铸铁组织

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3）过共晶白口铸铁

碳的质量分数为4.3～6.6%之间。室温组织为一次渗碳体和莱氏体，见图8。一次渗碳体呈白色长条状，贯穿在莱氏体基体上，其余为共晶莱氏体。

图8 过共晶白口铸铁组织

四、实验内容

观察下表所列铸铁试样的显微组织，画出所观察组织的示意图，注意石墨形态。 编号 1 材料 普通灰铸铁 显微组织 片状石墨 基体P+F;P 2 球墨铸铁 球状石墨 基体P+F;P 3 蠕虫状铸铁 蠕虫状石墨 基体P+F 4 可锻铸铁 团絮状石墨 基体P+F;P 5 亚共晶白口铸铁 珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体 6 共晶白口铸铁 莱氏体(珠光体+渗碳体) 7 过共晶白口铸铁 一次渗碳体和莱氏体 4％硝酸酒精 400 4％硝酸酒精 400 4％硝酸酒精 400 4％硝酸酒精 400 4％硝酸酒精 400 4％硝酸酒精 400 腐蚀剂 4％硝酸酒精 放大倍数 400 五、实验报告要求 1、实验目的

2、画出所观察的组织示意图，注明组成物名称、特征。

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实验八 碳钢金相试样的制备、组织观察

及力学性能的测定

一、实验目的

（1）熟悉金相显微镜的光学原理和构造。 （2）初步掌握金相显微的使用方法。 （3）了解金相试样的制备过程。

（4）初步掌握金相试样制备、浸蚀的基本方法。 （5）观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。 （6）掌握铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律。 （7）了解硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。 （8）学会正确使用硬度计。

二、实验相关知识

（一）金相显微镜的构造和使用 1、实验仪器

金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具。将专门制备的金属试样放在金相显微镜下进行放大和观察，可以研究金属组织与其成分和性能之间的关系；确定各种金属经不同加工及热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优劣，如各种非金属夹杂物在组织中的数量及分布情况，以及金属晶粒度大小等。因此，利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究中的一种基本实验技术。简单地讲，金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察的。下面分别介绍金相显微镜的基本原理、构造和使用方法。

图1 单目与双目光学金相显微镜

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