工程材料实验目录

工程材料实验目录

实验一 硬度试验···················· 2 实验二 金相显微镜的构造、使用及金相试样的制备····· 11 实验三 铁碳合金平衡组织观察·············· 14 实验四 金相摄影及暗室技术··············· 16 实验五 碳钢的热处理及显微组织观察··········· 20 实验六 铸铁和有色金属显微组织观察··········· 23

机械制造基础实验目录

实验七 车刀角度测量·················· 25 实验八 金属的塑性变形与再结晶············· 29 实验九 焊接接头组织观察················ 32 实验十 铸造应力的测定················· 34

实验一 硬度试验

一、实验目的

1. 了解利用压入法测定硬度的基本原理及应用；

2. 了解布氏、洛氏、维氏硬度计的主要结构及操作方法； 3. 了解各种硬度值的换算和查表方法。

二、概述

金属材料的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同；因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性，微量塑变抗力，塑变强化能力以及大量形变抗力。由于硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 压入法硬度试验的主要特点是：

1. 无论是脆性材料还是塑性材料，均可采用此法测定其硬度。 2. 此种硬度值同其它机械性能指标间存在着一定的近似关系：

式中： ——材料的抗拉强度值；

HB——布氏硬度值； K——系数 退火状态的碳钢K=0.34~0.36 合金调质钢K=0.33~0.35 有色金属合金K=0.33~0.53

3. 硬度值对材料的耐磨性，疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。

4. 硬度测定由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。 5. 设备简单，操作迅速方便。

三、布氏硬度（HB）

1. 布氏硬度测定的原理是把一定直径的淬火钢球，以规定的载荷P压入被测材料表面（如图1-1）保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积F凹计算出平均应力值，以此为布氏硬度值的计量指标，并用符号HB表示。因此布氏硬度值HB是以试样压痕

面积上的平均压力 表示。即单位面积所承受的压力。

图1-1 布氏硬度试验原理图

布氏硬度公式

（1-1）

式中：P—载荷（kg·f）常为3000、750、187.5三种 F凹——压痕面积（mm）

D——钢球直径（mm）常有10、5、2.5三种 d——压痕直径（mm） h——压痕深度（mm）

由于金属材料的软硬不同，厚薄不同，若只采用同一种载荷（如3000kgf）和钢球直径（10mm）时，则硬的金属适合，而对极软的金属就不合适，会发生整个钢球陷入金属中的现象，若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以测定不同材料的布氏硬度值，就要求有不同的载荷P和钢球直径D。为了得到统一的可以相互进行比较的硬度值，必须使D和P之间维持某一比较关系，以保证得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角 保持不变。 根据相似原理由图1-1（b）中可知d和

的关系是：

2

或

将（1-2）式代入式（1-1）得：

（1-2）

（1-3）

式（1-3）说明，当 径，只要满足

值一定，为使HB值相同， 也应保持为一定值，因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直

比值

=常数，所得的HB值是一样的，对不同的材料来说，所得的HB值是可以进行比较的。按照GB231-84规定

有30、10和2.5三种，试验数据和适用范围可参照表1-1。

表1-1 布氏硬度试验规范

材 料 硬度范围 （HB） 试样厚度 （mm） 6~3 钢球直径 D（mm） 10 30 5 2.5 10 10 5 2.5 10 30 5 2.5 10 10 5 2.5 10 2.5 5 2.5 载荷 （kg·f） 3000 750 187.5 1000 250 62.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 250 62.5 15.625 载荷保持 时间（s） 黑 色 金 属 140~450 4~2 ＜2 ＞6 10 ＜140 6~3 ＜3 6~3 10 ＞130 4~2 ＜2 ＞6 30 有 色 36~130 金 6~3 ＜3 30 属 ＞6 3~35 6~3 ＜3 60

2. 构造、操作与要求

a. HB3000型布氏硬度试验机的外形结构如图1-2所示。 b. 操作方法与要求

（1）按表1-1选择压头、载荷、保持时间。将选定的压头装入主轴衬套中，加上相应的砝码，然后将紧压螺钉拧松，把时间定位器园盘（红色指示点）转到与保持时间相符的位置上。 （2）将试样置于载物台上，打开电源开关，顺时针方向转动手轮，使工作台上升至压头与试样接触，并在手轮打滑后，按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因紧压螺钉已拧松，时间园盘并不转动，当绿色加载指示灯亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使时间园盘转动，达到所要求的持续时间后，转动自动停止，随后电动机自动反转，上升而卸除载荷。从加压指示灯亮到熄灭为载荷持续时间。

（3）逆时针转动手轮降下载物台，取下试样用读数放大镜测出压痕直径，将测得结果查表（压痕直径与布氏硬度对照表）即可确定出试样硬度值。

（4）试验后压痕直径应在0.25D＜d＜0.6D范围内，否则影响准确性。

（5）压痕中心至试样边缘间距应不小于压痕直径的2.5倍，即距压痕中心距离不小于压痕直

径的4倍。

（6）为表明试验条件，可在HB后标注D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120是在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。

（7）一般用HBS表示淬火钢压头，用HBW表示硬质合金压头测定的布氏硬度值。

四、洛氏硬度（HR）

1. 基本原理

洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入法，但它不是测定压痕面积而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图1-4所示洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120°的金钢

石压锥，另一种是直径为 （1.588mm）或 （3.175mm）英寸的淬火钢球。根据金属材料

软硬程度不同。可选用不同压头和载荷配合使用，最常见的是HRA、HRB、HRC。这三种洛氏硬度的压头，负荷及使用范围列于表1-2。洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷P1和主载荷P2），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好以保证测量结果准确。图1-3中a为加上10kgf预加载荷后的压头位置，此时压入深度为h1，b为加上主载荷后的压头位置，

此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到C位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷引起的残余压入深度（

）来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度。

将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致采用一常数（k）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）

洛氏硬度值公式如下：

（1-4）

式中：

h1——预加载荷压入试样的深度（mm） h3——卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；

k——常数，采用金钢石圆锥时k=0.2（用于HRA，HRC），有用钢球时k=0.26（用于HRB）。 因此，上式可改为：

（1-5）

（1-6）

根据被测材料硬度的高低，按表1-2选择压头和载荷。 2. 构造、操作方法与要求 a. 构造

HR-150型洛氏硬度试验机结构示意图1-4所示。

图1-4 洛氏硬度计机构示意图

1-支点；2-指示器；3-压头；4-试样；5-试样台；6-螺杆；7-手轮；

8-弹簧；9-按钮；10-杠杆；11-纵杆；12-重锤；13-齿杆； 14-油压缓冲器；15-插销；16-转盘；17-小齿轮；18-扇齿轮 b. 操作方法与要求

（1）按表1-2选择压头及载荷

（2）将试样置于载物台上，加予载荷。即按顺时针方向转动升降丝扛手轮，使试样与压头缓慢接触直至表盘（表盘见图1-5所示）小指针从小黑点移动到小红点，大指针指向上方左右15°时为止。调整读数表盘。如作HRC、HRA硬度试验时，使大指针与表盘上黑字C处对准。试验HRB时，使大指针与表盘上红字B处对准。

（3）加主载。平稳地板动加载手柄，手柄自动升高至停止位置（时间为4~6秒），并停留10秒后卸去主载，扳回手柄至原来位置。由表盘上直接读出硬度值。HRC、HRA读黑刻度数字。HRB读红刻度数字，然后逆时针转动手轮，卸下试样。

（4）用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度值，各压痕中

心距和压痕中心至试样边缘的距离不得小于3mm。

表1-2 洛氏硬度的试验规范 总载荷 硬度符号 压头 （kgf） HRA 金钢石圆锥 60 表盘上刻度颜常用硬度值范色 围 使用范围 黑 色 70~85 碳化物、硬质合金表面淬火等 有色金属、退火及正火钢等 调质钢、淬火钢等 HRB HRC 金钢石圆锥 100 150 红 色 黑 色 25~100 20~67 五、维氏硬度（HV）

1. 基本原理

布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料，洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度，但采用了不同的压头和总载荷，标度不同，硬度值彼此没有关系，也不能直接换算。为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。

维氏硬度试验法是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同，是用一种顶角为136°的金钢石角锥压头，在载荷p（kgf）作用下，试样表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d（mm）供以计算压痕面积F凹（mm）以P/F凹的数值表示试样的硬度值。如图1-6所示，单位面积承受负荷愈大，则硬度愈高。其计算公式如下：

2

（1-7）

式中：P——负荷，大小根据试样厚度和其它条件的不同在5~100kgf范围选用； d——压痕两对角线的平均值（mm）； ——金钢石角锥相对两面的夹角136° 2. 操作方法与要求

（1）负荷的选择应根据试件的厚度，试件厚度H应大于对角线的1.5倍，即H＞1.5d。测定硬度HV=600，HV=400，HV=200所允许的负荷列表1-3。当试样硬度大于HV=500时，不许选用大于50kg的负荷，否则会使压头损坏；

图1-6 维比硬度试验压头及压痕示意图

（2）试样表面光洁度要大于

（3）试验时将试样放入工作台，转动物镜与压头转盘，将压头转到工作台中心位置，在转动时避免碰坏压头；

（4）将加载操作手柄至水平位置，转动负荷值手轮，调好加载负荷值，旋转工作台升降手轮，直到试样与压头保护套紧密接触为止； （5）向左转动操作手柄，使负荷作用到试样上，从指示灯燃亮到熄灭；转动升降手轮使试样离开压头；转动压头转盘使物镜转到工作台中心，再通过转动升降手轮来调整试样与物镜间焦距。直到在目镜内看清压痕为止。

表1-3 维氏硬度试验规范

金属试验层 厚度（mm） 0.2 对角线长度 不大于（mm） 0.133 测定下列硬度的最大允许负荷（kg） HV=600 不大于5 HV=400 不大于5 HV=200 不大于5 0.3 0.200 不大于10 不大于10 不大于10 0.4 4.266 不大于20 不大于20 不大于20 0.5 0.333 不大于30 不大于30 不大于30 0.6 0.400 不大于50 不大于30 不大于30 0.7 0.466 不大于50 不大于50 不大于30 0.8 0.533 不大于50 不大于50 不大于30 0.9 0.600 不大于50 不大于50 不大于30 1.0 0.666 不大于50 （6）通过目镜测微计测量压痕对角线平均值，在维氏硬度值换算表中查出硬度值或计算出硬度值，最后取下试样。 （7）在试样上两压痕中心距及压痕中心到试样边缘距离，均不得小于2.5倍压痕对角线。

（8）维氏硬度值表示方法为HV硬度数值，有时为反映试验条件在硬度数值前用下标加上负荷，例如HV20232，20为加载负荷。

六、实验仪器及材料

1. HB-3000型布氏硬度计； 2. HR-150型洛氏硬度计； 3. HV-120型维氏硬度计； 4. 20倍读数放大镜；

5. 试样：45钢、淬火及正火状态，标准块。

七、实验报告要求

1. 简述布氏和洛氏硬度试验原理。

2. 说明洛氏硬度试验加10公斤预载荷其目的是什么？ 3. 测定标准块的布氏硬度值，并填入表1-4。

4. 测定45钢正火及淬火试样的洛氏硬度值，并填入表1-5中。 5. 测定标准块的维氏硬度值，并填入表1-6中。

表1-4

载荷 P 试样材料 钢球直径 （kgf） 持续时间（S） 凹痕直径 HB值 d(mm) 表1-5

试样材料 45钢 状态 正火 淬火 压头 载荷P（kg·f） HR值 表1-6

试样材料 标准块 压头 136°金钢石角锥压头 负荷kg·f） 对角线长度（mm） HV值

实验二 金相显微镜的构造、使用及金相试验的制备

一、实验目的

1. 了解普通金相显微镜的构造和使用方法； 2. 了解并掌握金相试样的制备过程和方法。

二、概述

（一）金相显微镜

研究金相显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜可分为台式、立式和卧式三大类，构造由光学系统、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。现以本室使用的4X型台式金相显微镜为例加以说明。 1. 光学系统

4X型金相显微镜的光学系统如图2-1所示。由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径栏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，就成为在目镜视物中能看到的放大映象。

2. 照明系统

在金相显微镜的底坐内装有一低压（6~8V、15W）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6~8V）来改变灯光的亮度。聚光镜，孔径光栏及反光镜等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上。它们组成显微镜的照明系统，使试样表面得到充分、均匀的照明见图2-2。 3. 机械系统

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 手轮的转动，支承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微动0.002mm。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，不能再继续旋转而应倒转回来使用。

载物台（样品台）：用于放置金相试样，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，以改变试样的观察位置。

孔径光栏和视物光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，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。视物光栏设在物镜支架

下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视物明亮而无阴影，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。 物镜转换器：转换器呈球面状，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。

目镜筒：目镜筒呈45°倾斜安装在有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90°，呈水平状态以配合照相装置进行摄影。 （二）金相显微镜的使用方法及注意事项

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. 将试样置放在载物台上，从目镜上观察，用双手旋转粗细调手轮，当视场亮度增强或看到组织后，再调节微调手轮直到图像清晰为止。

2. 当微调手轮转不动时，不可强力旋转，而应向反方向旋转几圈后再重新调焦。

3. 需要变换观察部位时，用手推动载物台，可使载物台在水平面上作一定范围的移动，不可把试样在载物台上来回拉动。 （三）金相试样的制备

金相试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、浸蚀等几个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、麻点与水迹，并使金属

组织中的夹杂物、石墨等不脱落。否则将会严重影响显微分析的正确性。

1. 取样

取样的部位及磨面的选择，根据检验金属材料或零件的特点，加工工艺及研究目的进行选择，取其具有代表性的部位。

试样的截取方法视材料的性质不同而异，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）则可采用砂轮片切割或电脉冲加工。但不论用哪种方法取样，都应避免试样受热或变形从而引起金属组织变化，为防止受热，必要时应随时用冷水冷却试样。

试样的尺寸一般不要过大，应便于握持和易于磨制，其尺寸通常采用直径φ12-15mm的园形试样。对形状特殊或尺寸较小不易握持的试样，或为了试样不发生倒角。可采用的镶嵌或机械装夹法。

镶嵌法是将试样镶在镶嵌材料中见图2-3，目前使用的镶嵌材料有热固性塑料（如胶木粉）及热塑性材料（聚乙烯聚合树脂）等，还可将试样放在金属圈内，然后注入低熔点物质，如硫磺、松香、低熔点合金等。 2. 磨制

磨制分为粗磨和细磨。粗磨可使用砂轮机或锉刀锉平，目的是为了将试样修整成平面。细磨分手工和机械磨制（在予磨机上磨制），目的是消除粗磨留下的磨痕，为抛光作好准备。细磨时，将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，手持试样同一个方向在砂纸上向前推时磨制，回程时提起试样不与砂纸接触，磨制时，依次由粗到细的各号金相砂纸上把磨面磨平，每更换一道砂纸，应将试样上磨屑和砂粒清除干净并将试样的研磨方向调转90°，与上一道磨痕方向垂直，直到磨痕全部消除。按砂纸的粗细程度，由粗到细更换4~5道砂纸即可。 有色金属应在金相砂纸上制备，用汽油、机油或肥皂水等作润滑剂。 3. 抛光

抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光，电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。

机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘（φ200~300mm）组成，抛光盘转速为200~600转/分。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用Al2O3、MgO或Cr2O3等细粉末（粒度约为0.3~1 ）在水中的悬浮液Al2O3机械抛光是靠极细的抛光粉对磨面的机械作用消除磨痕而使其成为光滑的镜面。 4. 浸蚀

抛光后的试样在显微镜下仅能看到某些非金属夹杂物、石墨、孔洞和裂纹等。无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。

化学浸蚀常用的化学试剂有硝酸、盐酸、苦味酸、过氧酸铵等，根据材料的不同来选择浸蚀剂配方。钢铁材料常用4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀。试样浸蚀前用酒精棉擦净，浸蚀方法可采用浸入法或擦试法，浸蚀时间一般为试样表面发暗即可。浸蚀后立即用水冲洗 ，酒精擦洗，吹干后在显微镜下进行观察。

三、实验设备及用品 1. 金相显微镜

2. 不同粗经的金相砂纸一套，玻璃板、抛光液、酒精浸蚀剂（4%的硝酸酒精溶液）； 3. 抛光机、抛光绒布、帆布； 4. 待制备的金相试样等。 四、实验要求

1. 了解金相显微镜及有关设备构造，熟悉正常操作步骤及注意事项。 2. 在教师指导下学习使用金相显微镜，并用不同放大倍数观察金相显微组织。 3. 每人制备一块（45钢或T8钢或T12钢）基本合格的试样。

4. 利用金相显微镜观察自己制备好的试样，并结合金相显微镜组织照片搞清该试样为何种组织。 五、实验报告要求

1. 简述金相显微试样的制备过程。

2. 以自己制备的试样为例说明其显微组织形态。 3. 写出在实验中所发现的问题和体会。

实验三 铁碳合金平衡组织观察

一、实验目的

1. 根据Fe-Fe3C相图观察和分析铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在接近平衡状态下的显微组织；

2. 分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。

二、概述

（一）组织特征

显微组织特征是指晶粒、相、组织的形状、大小、数量和分布。对于纯金属来说，指的是晶粒的形态、大小和分布，对于合金来说还要研究相和组织特征。

铁碳合金的平衡组织是研究和分析钢铁材料的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态即接近平衡状态）所得到的组织。铁碳合金的平衡组织主要指碳钢和白口铸铁组织。

所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组织。但由于含碳量不同，铁素体（F）和渗碳体（Fe2C）相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因为呈现各种不同的组织形态。在金相显微镜下平衡组织一般有下面几种基本组成物。

（1）铁素体（F）——是碳α—Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格、具有磁性及良好塑性，硬度低。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，亚共折钢中铁素体呈块状分布，当含碳量接近于共折成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。

（2）渗碳体（Fe3C）——是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%，质硬而脆。耐腐蚀性强，经4%硝酸酒清溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钢深液浸蚀。则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色。由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态。一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状：二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出物，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；共晶渗碳体是由液体在发生共晶反应时得到的，呈层片状结构，与铁素体共同构成珠光体。三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状或粒状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。

（3）珠光体（P）——是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。在高倍放大进能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度而无法分辩，因此，当组织较细而放大倍数低时，珠光体的片层不能分辩，而呈黑色。

（4）莱氏体（Ld′）——是在室温时珠光体及二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1148℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在727℃以下分解为珠光体。菜氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基体上相间地分布着暗黑色班的点状或细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。 （二）分类

1. 工业纯铁（含碳量＜0.0218）

室温下它为两相组织，由等轴晶粒状铁素体和少量颗粒状三次渗碳体组成。 2. 碳钢（含碳量0.0218-2.11%） （1）共折钢（含碳量为0.77%）

室温下它由单一的珠光体组成。珠光体可以是层片状的，也可以是粒状的。其中铁互体均为连续相。层片状珠光体中渗碳体是层片状的。而粒状珠光体中渗碳体是粒状的。在硝酸酒精腐蚀下，铁素体和渗碳体均不易腐蚀，而在铁素体和渗碳体交界处易腐蚀下凹，我们在显微锏 上看到的层片状珠光体是黑白相间的平行条纹，实则难以分辩铁素体和渗碳体，黑的条纹是两相交界。粒状珠光体要经过珠化退火才能形成。

（2）亚共折钢（含碳量为＜0.77%）

在室温下的组织为珠光体和二次渗碳体。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。二次渗碳体是先共折转变由奥氏体中析出的，在奥氏体转变成珠光体后，它呈网状分布在珠光体的边界上。 （3）过共折钢（含碳量＞2.11%）

在室温下的组织为珠光体和二次渗碳体。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。二次渗碳体是先共折转为由奥氏中析出的，在奥氏体转变成珠光体后，它呈网状分布在珠光体的边界上。 3、白口铸铁（含碳量为＞2.11%） （1）共晶白口铁（含碳量为4.3%）

在室温下为单一的共晶菜氏体。菜氏体是由珠光体以粒状或条状均匀分布在渗碳体的连续相中。 （2）亚共晶白口铁（含碳量为4.3%）

在室温下的组织为珠光体，二次渗碳体和菜氏体构成。珠光体是在共晶反应之前由液体中首先结晶出来的部分奥氏体转为来的，故形状粗大，呈枝晶状或蚕卵状。 （3）过共晶白口铁（含碳量＞4.3%）

在室温下的组织为一次渗碳体和菜氏体。一次渗碳体是直接由液体中析出的，形状为粗大条片状。 三、实验设备及材料 1. 金相显微镜

2. 观察样品（见表3-1） 表2-1 几种碳钢和白口铁样品

编号 1 2 3 4 5 6 7 材料 工业纯铁 20钢 45钢 60钢 T8钢 T12钢 亚共晶白口铁 状态 组织名称及特征 浸蚀剂 4% 硝 酸 洒 精 溶 液 退火 铁素体（呈等轴晶粒）和微量三次渗碳体（粒状） 退火 铁素体（呈等轴晶粒状）和少量的珠光体（呈块状） 退火 铁素体（呈块状）和相当数量的珠光体（呈等轴共粒状） 退火 铁素体（呈网状）和大量的珠光体（呈等轴晶粒状） 退火 铁素体（宽条状）和渗碳体（细条状）相间交替排列 退火 珠光体（暗色基底）和细网络状二次渗碳体 铸态 珠光体（呈黑色枝晶状）、菜氏体（斑点状）和二次渗碳体（在枝晶周围） 菜氏体、即珠光体（黑色细条及斑点状）和共晶渗碳体（亮白色） 8 9 共晶白口铁 过共晶白口铁 铸态 铸态 菜氏体（暗色斑点）和一次渗碳体（粗大条片状） 四、实验报告要求

1. 实验目的

2. 画出所观察过的组织，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为30mm的圆内，并将组织组成物名称

以箭头引出标明。 3. 本次实验的心得体会。

实验四 金相摄影及暗室技术

一、实施目的

1. 通过实验掌握金相摄影及暗室技术；

2. 了解感光材料的性质与显影、定影操作对金相照片质量的影响。

二、概述

1. 金相摄影

金相摄影就是把金相试样的组织摄照下来的过程，也称显微摄影。

由于经光照的银盐在还原剂中可以被还原为黑色的银粒。从而当不同强度的不照射在银盐上，能还原的银粒量不同，就形成明暗不同的图像。因此金相摄影就是利用一组光学仪器将金相试样显微视域中的典型组织放大，并在涂有银盐的底片上曝光，在随后的还原过程中（显影）形成清楚的像，然后用它来印制金相照片。

优良的金相照片，要求显微组织的细节清晰、层次分明、衬度适当。而要达到这一点，主要决定于试样制备的质量；正确选择放大倍率及显微镜光学系统的调整；正确的选择感光材料；恰当的曝光时间以及暗室处理等。 2. 金相摄影的基本过程： ① 挑选典型的金相组织；

② 负片曝光，将所研究观察的组织拍摄在照相底片上的过程；

③ 对负片进行暗室处理，将经曝光的负片所形成的物像潜影还原（显影），使底片上的银盐转变成黑色的银粒而形成明暗不同的负片； ④ 正片处理，即印相或放大，将底片反转成正片的过程。

三、摄影知识

（一）摄影感光材料的性质与结构

摄影离不离底片和相纸。底片用来形成负片，相纸用来形成正片。 1. 底片

底片是由片基和感光乳剂组成的，片基是感光乳剂层的支持体，它使感光材料保持一定的形态，一般由玻璃或硝化纤维等材料构成。感光乳剂层是感光材料最核心的部分，它直接影响感光性能，它由动物胶、银盐和色素构成，动物胶是一种粘接剂，是为了形成乳剂，能使银均匀地悬浮在乳剂中，并均匀地涂在片基上，银盐是金属银和化学卤素（氯、溴、碘等元素）形成的盐类化合物，它的特点是遇到光照后，就产生潜影，经过一定处理（显影液作用后），已经感光的银盐会还原成黑色的银粒，因此，感光物质就是银盐，它们以极细微的晶体（颗粒）状态分散悬浮在动物胶薄膜中。色素的成分不同，对光的敏感程度也不一样。同时由于组织的不同，光线对底片各部分作用不同，会得到明暗不同的映象，色素是为了改变感色情况，使底片能感受各种颜色的光线（即不同波长的光线）。因为各种银盐只能感受各种短波程的兰紫光，对黄绿红等色不能感受。加入色素就是为了改变感色情况。

相纸的结构与底片基本一样，由纸基和感光乳剂构成，在感光乳剂中没有加入色素。相纸分为印相纸和放大纸，放大纸是用感光速度较快的溴化银制成，可在橙红色灯下操作。印相纸多用氯化银为感光材料，可在黄灯下操作。感光纸有很多片号。它是直接与反差性相联系的，1号感光纸，反差表现弱。2号是中性反差感光纸。3号是硬性感光纸，反差表现较强。4号是极硬性感光纸，反差表现最强。

（二）底片的特性 1. 感色性：

底片对各种波长光线的感光能力叫感色性。根据感光能力的不同，可分为无色片、分色片和全色片。

无色片：在底片乳剂中不加入色素，它只感受兰紫光。

分色片：在感光乳剂中已加入色素，但只感受紫光和黄绿光的底片。

全色片：在加入吸收各种波长光线的色素，所以能感受白光中各种色彩的底片。 2. 感光速度

是表示在一定亮度下得到良好的负片所需要的曝光时间。感光速度越快，感光乳剂中银盐颗粒越粗。每一种胶片都是固定的感光速度作为曝光的标准。对于感光速度，每个国家都有自己的标准，国外常用DIN，国内用GB来表示。这两种表示方法实际上是一致的，常用的底片感光速度有17DIN，19DIN，23DIN，25DIN或GB17，GB19，GB21，GB23，GB25数字越大，感光速率越快，也就是银盐接受光的能力越强。 3. 分辨率

底片的鉴别能力就是分辨率，是指金相组织映像在底片上能分清的程度，用分清两个线条之间的最小距离来表示。由于感光片曝光和显影后，形成一张有黑色影象的底片，这黑色影象全是无数微小银粒构成。因此银粒愈细，分辨率越高，银粒越粗，分辨率越低。 4. 反差性

在显影后，底片上明亮部分与阴暗部分黑色的差别称为反差，银盐颗粒愈细，反差性愈强，颗粒愈粗，反差性愈弱。 5. 伸缩性（宽容度）

是感光片纪录明暗等级的能力。一般中速度21DIN感光片的宽容度为1:128，就是最高能纪录明暗（如黑和白）等级相差128倍的景物。

不同的感光片的伸缩性是不同的，按一般原则讲，银粒细，感光速度慢的感光片伸缩性小，银盐颗粒粗感光速度快的感光片伸缩性大。 我们拍摄的金相底片，要求分辨率高，反差性适中，因此最好选用17DIN或19DIN的底板。

四、暗室技术

摄影后底片的处理均在暗室中进行，包括底片的显影、定影、冲洗，凉干以及印相，放大等，统称为暗技术。

暗室是完全黑暗的，丝毫不能有漏光，底片的安装，冲洗等都是在暗室中安全灯光下进行的。前面讲的底片的性质就可以知道：如分色底片以深红色安全灯，全色底片以深绿色安全灯对相纸和放大的均用桔色灯做安全灯。 1. 负片的显影

曝光与显影是彼此相关连的两项工作，是决定摄影成败的重要因素。曝光正确的底片可因显影不当而被断送，反之若曝光不当的底片可在显影过程中做适当的补求。

显影是在显影液中进行的。显影液通常由四类化学药品组成：显影剂、促进剂、保护剂、抑制剂。

① 显影剂：主要起显影作用，将底片曝光时所形成的“潜影”转为成可见的映象。使经光照的银盐还原成黑色的银粒。 常用药品有米吐尔、海得罗几奴尼、二氨酚、对氨酚、磷苯二酚等。

② 促进剂：作用是加速显影剂的还原作用，就其性质而言就是碱类，有苛性钠、碳酸钠、硼砂等药品。

③ 保护剂：主要作用是保护显影液不被氧化，从而延长显影液的保存和使用时间。常用的药品有亚硫酸钠，重亚硫酸钠。 ④ 抑制剂：使未感光的银盐在显影过程中不起变化，以防止底片发生殴雾。常用溴化钾等药品。

显影液又分硬性、中性、软性三大类，主要促进剂强弱来分。硬性显影液碱性较强，反差比较大。中性则适中，软性显影液碱性弱；反差小显影慢。 2. 负片的定影

负片经显影后，感光的银盐被还原为黑色的银粒。而未受到感光的银盐不发生变化，仍为乳白色的膜面，定影的目的只为了去除这些未感觉的银盐使之溶解于水，以保证有清晰的像显现在透明的负片上。 主要化学药品是硫代硫酸钠（海波）。 配方

微粒显影液（1000ml）

品名 水（约52℃） 米吐尔 无水亚硫酸钠 对苯二酚 结晶硼砂 冷水 量（g） 700ml 2 100 5 2 余量 酸性定影液（1000ml）

品名 水（约52℃） 硫代硫酸钠 无水亚硫酸钠 硼酸 冷水 量（g） 500ml 250 25 32 余量 五、实验操作

（一）底片的曝光

① 装底片，并将装有底片的单幅片盒装在摄影装置上； ② 挑选典型的金相组织，对焦、调节孔径光栏，确定放大倍数； ③ 拉开片盒的片盖； ④ 打开快门摄钮，上快门； ⑤ 拨开反光镜；

⑥ 按下快门线的按钮，按照处需时间曝光；

⑦ 曝光完毕，重新插入片盒的片盖，取出片盒付之冲印； （二）底片的显影、定影。

① 定时，将定时钟定在所需定影的时间上；

② 将底片盒中取出，将底片置入盛有显影液的盘中，并轻轻摆动，以使显影均匀去除底片上的气泡； ③ 显影时间到，取出在清水中冲洗；

④ 冲洗完毕，立即将底片置入盛有定影液的盘中，3分钟后可在灯下观察负片质量，然后继续定影至定透； ⑤ 定影完毕，取出经水冲洗30分钟，从水中取出晾干。 （三）印相

① 印相时，将相纸乳剂面与负片乳剂面迭合起来，将负片放在印相机的晒箱玻璃板上，负片乳剂面向上，相纸乳剂面向下压紧，打开白光使之曝光。曝光时间通过试印一般在1～5秒； ② 曝光后的相纸，显影1～3分钟，形成清楚的相； ③ 取出水洗；

④ 水洗后立即放入定影液中定影10分钟；

⑤ 取出水洗1小时，再经上光机干燥上光，得到清晰的相片。

六、实验报告要求

1. 实验目的。

2. 简述金相摄影的基本原理及操作步骤。

3. 将自己印制的照片贴在报告上，注明材料名称、热处理状态、组织成分、放大倍数、孔径光栏数、曝光时间等各种参数。 4. 写出经过实验的心得体会。

实验五 碳钢的热处理及显微组织观察

一、实验目的

1. 了解碳钢的基本热处理工艺方法； 2. 了解不同的热处理工艺对碳钢硬度的影； 3. 观察碳钢的各种热处理后的显微组织。

二、概述

热处理的目的是改变钢的性能，它的工艺特点就是利用钢在固态下加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得所需要的性能。钢的热处理工艺分为退火、正火、淬火和回火等。

在研究热处理的组织时，不仅要参考铁碳相图，还要利用C-曲线。铁碳相图能说明缓慢冷却时，铁碳合金的结晶过程和室温下的组织及相的相对量。C-曲线则能说明一定成份的铁碳合金在不同冷却条件下的转变及能得到哪些组织。 （一）碳钢的热处理工艺 1. 加热温度的确定

碳钢普通热处理的加热温度，原则上可按表5-1选定。但生产中，应根据工作实际情况作适当调整。 常用碳钢的临界点如表5-2所示。

热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳严重，变形、开裂倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求的效果。

表5-1 碳钢普通热处理的加热温度

方 法 退火 加热温度 Ac3+30～50℃ Ac1+20～30℃ Ac3+30～50℃ Accm+30～50℃ Ac3+30～50℃ Ac1+20～30℃ 应 用 范 围 亚共折钢完全退火 过共折钢球化退众 亚共折钢 过共折钢 亚共折钢 过共折钢 切削刃具，量具，冷冲摸具，高强度零件等 弹簧，中等硬度零件等 齿轮，轴，连杆等要求综合机械性能的零件 正火 淬火 低温 回火 中温 高温 150～250℃ 350～500℃ 500～650℃ 表5-2 常用碳钢的临界点

钢号 20 45 T8 T12 临界点（℃） Acl 735 724 730 730 Ac3或Accm 855 780 —— 820 Arl 680 682 700 700 Ar3 835 760 —— ——

2. 加热时间的确定

热处理的加热时间（包括升温与保温时间）与钢的成分、热处理方法等许多因素有关。因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。在实验室中，通常将钢件放入炉中后，当炉温恢复到指定温度，从此刻到钢件出炉的一段时间为加热时间。根据经验，钢在箱式电炉中加热，按直径（或厚度）每毫米保温一分钟计算。 3. 冷却方式

钢退火一般采用随炉冷却到600-550℃以下再出炉空冷。正火采用空气中冷却，淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650-550℃）的冷却速度应大于临界冷却速度，以保证工作不转变为珠光体型组织；而在MS点附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时创造了要选用合适的淬火冷却介质外，还应乞讨进淬火方法。对于形状简单的工件，常采用简易的单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。 （二）碳钢热处理后显微组织

由于碳钢热处理冷却条件不同，过冷奥氏体将在不同温度范围发生不同类型的转变。 1. 珠光体型组织

它是过冷奥氏体在高温区（Ar1至C曲线鼻尖）转变产物。随奥氏体在冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、屈氏体。它们都是铁素体与渗碳体的细密机械混合物，但铁素体与渗碳体层片间距离依次变小，使组织的强度、硬度递增。 2. 贝氏体型组织

是过冷奥氏体在中温区（C曲线鼻尖至MS）转变的产物。上贝氏体与下贝氏体是由含碳过饱和铁素体与渗碳体组成的两相混合物。上贝氏体在光学显微镜下呈羽毛状，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针状。下贝氏体的性能与上贝氏体比较，它不仅具有较镐的硬度、强度与耐磨性，而且下贝氏体的韧性与塑性均高于上贝氏体。钢的等温淬火处理正是为了得到这种综合机械性能较高的下贝氏体组织。 3. 马氏体组织

是过冷奥氏体在低温区（MS以下）转变的产物。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 低碳马氏体组织呈板条状，它不仅具有较高的强度和硬度，同时还具有良好的塑性与韧性。 高碳马氏体组织呈片状（或称针状），性能硬而脆。

在正常加热淬火后，得到马氏体都是很细小的，在光学显微镜下分辨不出它的形态，故通常称为隐晶马氏体。 4. 回火组织

淬火组织为马氏体（常有少量残余奥氏体）的碳钢，在低温回火后获得回火马氏体组织。它由含碳过饱和的α固溶体和与其母相联系的ε碳化物组成。回火马氏体仍保留着原来马氏体的针片状或板条状形态，但由于在过饱和α固溶体上分布着大量高度弥散的细小ε碳化物，回火马氏体比淬火马氏体容易被腐蚀，放在光学显微镜下呈暗黑色。回火马氏性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。 中温回火获得回火屈氏体组织。它是由于尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的极细粒状渗碳体组成。这些极细的粒状渗碳体在光学显微镜下无法分辨，且因铁素体尚未再结晶，仍保持原来马氏体形态。回火屈氏体具有较高的屈服强度、弹性极限和较好的韧性。 高温回火得到回火索氏体组织，它是由已再结晶的铁素体与细粒状渗碳体所组成。由于铁素体已发生再结晶，故基本已失去马氏体的形态。回火索氏体具有优良的综合机械性能。

三、实验设备及材料

1. 箱式电炉； 2. 洛氏硬度计； 3. 金相显微镜；

4. 冷却剂：水、10#机械油；

5. 试样（见表5-3） 6. 观察样品（见表5-4）。

表5-3 热处理实验

材料 加热温度 冷却方式 炉冷 空冷 45钢 860℃ 油冷 水冷 水冷 T12钢 45钢 780℃ 780℃ 水冷 水冷 水冷 200℃ 回火温度 600℃ 硬度 HB180 HRC HRC HRC HRC HRC HRC HRC 组织 F+P F+P绷 T+M M S回 M+Cml M回+Cml F+M 表5-4 热处理钢样品

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 材料 20钢 45钢 45钢 45钢 45钢 T12 T12 T12 状态 淬火 正火 淬火 淬油 调质 球化退火 1100℃淬水 1100℃淬火后200℃回火 组织 M F+P M M+T S回 P粒 M+A′r M回+A′r 浸蚀剂 4%硝酸酒精溶液 四、实验内容及步骤

1. 根据表5-3进行不同的热处理；并分成七个小组进行； 2. 将热处理后试样表面用砂纸磨去氧化皮，然后测量HRC值；

3. 在炉内取、放试样时必须切断电源，淬火过程动作要迅速，试样在冷却液中要不断搅动。

五、实验报告要求

1. 实验目的。

2. 实验结果（将硬度填入表5-3） 3. 画出热处理样品的组织示意图。

4. 分析含碳量、淬火温度、冷却速度及回火温度对碳钢性能（硬度）的影响，并阐明硬度变化的原因。

实验六 合金钢、铸铁、有色合金的显微组织观察

一、实验目的

1. 观察和研究各种不同类型合金材料的显微组织特征。 2. 了解这些合金材料的成分、显微组织对性能的影响。

二、实验说明

（一）合金钢的显微组织

合金钢分为低合金钢（含合金量＜5%）；中合金钢（含合金量5-10%）；高合金钢（含合金量＞10%）。例如合金调质钢 1. 低合金钢

例如合金调质金刚40Cr钢，其平衡组织与碳钢的组织没有本质区别，热处理后的显微组织也没有根本不同。差别是合金元素使C曲线右移（除Co外），以较低的冷却速度可获得马氏体组织。 2. 高合金钢

例如W18Cr4V，因为含有大量合金元素（＞20%），使相图中的E点向左移，以致它含有菜氏体组织，所以它也称为菜氏体钢。W18Cr4V在铸态下由屈氏体、马氏体和共晶菜氏体组成；锻造后退火由索氏和碳化物组成；淬火由隐晶马氏体、碳化物和残余奥氏体组成；淬火后三次回火由回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体组成。 （二）铸铁的显微组织

铸铁的组织是在钢的基体上分布着不同形状的石墨，铸铁分为灰口、可锻和珠墨铸铁。 1. 灰口铸铁（含碳量2.5～4%）（1～2.5%Si）

石墨呈片状，基体有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三类。其铸造性能好，有良好的减磨抗振性，易切削。 2. 可锻铸铁（含渗量2.2-2.8%）（1.2-2%Si）

可锻铸铁是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火处理而得，其中渗碳体发生分解而成团絮状石墨，其体有铁素体和珠光体两类，有较高的韧性和塑性，主要用于制作薄壁小型铸件，但同期长，成本高。 3. 球墨铸铁（含碳量3.6%-3.8%）（2-2.8%Si）

石墨呈球状，其体有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三类。球墨铸铁是用球化剂（镁、钙及稀土原素等）进行球化处理，使石墨变为球状。它的机械性能高于其它铸铁。 （三）有色金属的显微组织 1. 铝合金

有铸造铝合金和形变铝合金两类。

常用的铸造铝合金为铝一硅系合金ZL102含硅10-13%，成分在共晶点附近，有良好的铸铁性能，铸造后得到组织是粗针状硅晶体和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多布什本状的初生硅晶体组成。粗大针状硅晶体使合金的塑性降低，经变质处理，使组织细化。得到由初生α固溶体和细密的共晶体组成的亚共晶组织，使强度和塑性提高。 2. 铜合金

有多种铜合金，这里仅以黄铜为例加以分析。

常用的黄铜中含锌量均在45%以下，由Cu-Zn合金相图可知，含锌量少于39%的黄铜均呈α固溶体单相组织，称为α黄铜或单相黄铜。单相黄铜H68经变形及退火后具有良好的塑性，易于冷变形。含锌量在39-45%的黄铜呈（α+β）两相组织，称为（α+β）黄铜或双相黄铜。双相黄铜H62经变形及退火后在高温下有良好的塑性，易于热压力加工。 3. 承轴合金

轴承合金又称为巴氏合金，用来制造滑动轴承的轴瓦及其内衬，分为锡基、铅基轴承合金。 （1）锡基轴承合金

常用的有ZChSnSb11-6，其组织中黑色的为软基体α相，白争块状为硬质点β相，而白亮针状及星状的是铜锡化合物。这种既硬又软的混合组织，保证了轴承合金具有足够的强度和塑性的配合以及良好的减摩性，但价格较贵。 （2）铅基轴承合金

常用的有ZChPbSn16-16-2，其组织中白色大块为初生β相，花纹状软基体是（α+β）共晶体，白色针状晶体是化合物Cu2Sb，化合物Cu2Sb及SnSb是合金中的硬质点。这种轴承合金含锡量少，成本较低，铸造性能及耐磨性较好。

四、设备及材料

1. 金相显微镜； 2. 金相放大图片； 3. 观察试样（见表6-1）

五、实验报告要求

1. 实验目的。

2. 画出合金钢、灰口、可锻、球黑铸铁，单相黄铜的显微组织示意图。 3. 综合分析各类合金的显微组织特征以及组织对性能影响。

表6-1 合金钢、铸铁及有色金属样品

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 材料 40钢 40Cr W18CrV W18Cr4V GCr15 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 硅铝明（ZL102） 硅铝明（ZL102） 单相黄铜（H68） 双相黄铜（H62） 锡基巴氏合金 铅基巴氏合金 状态 调质 调质 铸态 淬火+高温回火 淬火+低回 铸态 可锻化退火 铸态 铸态 铸造变质 退火 退火 铸态 铸态 侵蚀剂 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 0.5HF水溶液 0.5HF水溶液 3tCl3+10%Hcl水溶液 3tCl3+10%Hcl水溶液 4%硝酸酒精 4%硝酸酒精 组织 S回 S回 L′d+K+M M回+K粒+A′r M回+K P+R F+G P+F+R Si+（α+Si） α+（Si+α） α α+β α+β+Cu3Sn α+β+SnSb+Cu2Sb 实验七 车刀角度测量

一、实验目的

1、巩固和加深对车刀标注角度参考系及车刀标注角度基本定义的理解； 2、了解车刀量角台的结构，掌握车刀标注角度的测量方法。

二、测量原理与实验用具

1、测量原理

车刀标注角度测量的基本原理是根据车刀标注角度的定义，在车刀的切削刃选定点上利用车刀量角台上的指度板和标尺的平面，与构成被测车刀角度的刀面或切削刃贴合（相互平行或垂直），把车刀的角度测量出来。 2、实验用具

车刀量角台、游标卡尺、车刀。

三、车刀量角台的结构与使用

1、车刀量角台的结构

如图1-1所示，松开锁紧螺钉10，刻度板8可绕立柱4旋转，并可用调整螺母5将其调整到所需高度。指度板9可绕其轴在刻度板8上转动，对准刻度板8零线时，互相垂直的A、B二平面则分别平行和垂直于底座1上的工作台面。 松开锁紧螺钉12，刻度板8可绕其水平轴旋转，旋转度数由指针7在刻度板6上指出。

松开锁紧螺钉3，标尺11及标尺座2可立方柱4旋转，标尺座2上的零线与底座1上的零线对准时，固定在滑板14上的二个挡销13的中心连线垂直于标尺11。

2、车刀量角台的使用（以外圆车刀为例） 1）主剖面系内：

①测量主偏 与副偏角

如图1-2所示，先转动调整螺母5升高刻度板8，并转向一旁不用。

将车刀刀杆的侧面紧靠二挡销13。松开锁紧螺钉3和15，转动标尺座2，同时移动滑板14，使车刀的主切削刃（或副切削刃）与标尺11贴合，底座1上的零线所对的标尺座2上的刻度值即主偏角

（或副偏角

）的度数。

② 测量刃倾角

先使指针7对准刻度板6的零线，拧紧锁螺钉12。然后使车刀主切削刃位于指度板9所在的平面内，转动指度板9，当平面A与主切削刃贴合时，刻度板8上即可读出刃倾角

的度数。

1、底座 钉 5、调整螺母 针 9、指度板 尺 13、挡销

2、标尺座 3、锁紧螺 4、立柱

6、刻度板 7、指 8、刻度板

10、锁紧螺钉 11、标 12、锁紧螺钉

14、滑板 15、锁紧螺钉

图7-1 车刀量角台结构与测量前角、后角示意图

图7—2 测量主偏角示意图

或者先让指度板9对准刻度板8的零线，并使指度板9所在平面垂直主切削刃在底座1工作台面上的投影（即平面B与主切削刃贴合），松开锁紧螺钉12，转动刻度板8使其绕水平轴转动，并适当转动调整螺母5，当平面A与主切削刃贴合时，指针7即在刻度板6上指示出刃倾角

的度数。

③ 测量前角 、后角 和副后角

如图1-1所示，先使指针7对准刻度板6的零线，拧紧锁紧螺钉12。

测前角 ：转动刻度板8，使指度板9所在平面垂直主切削刃在底座1工作台面上的投影（即主切削刃在基面上的投影），转动指度

的度数。

板9，并适当转动调整螺母5，使平面A与车刀前刀面贴合，指度板9即在刻度板8上指出前角

测后角 ：同上动作，使平面B与车刀后刀面贴合，在刻度板8上即可读出后角 的度数。

测副后角 ：在车刀副切削刃选定点上，用测后角 的方法即可测出副后角 。

2）法剖面系内：

测法前角 和法后角 ：先使指针7在刻度板6上对准所测定的刃倾角 和法后角

。

的值，拧紧锁紧螺钉12再如测量前角 与后角 那样

测出法剖面内的法前角

3）进给、切深剖面系内：

读者思考一下，该如何测量进给前角 、进给后角 和切深前角 、切深后角 。

在使用车刀量角台时应注意：刀具要轻拿轻放，更不能在底座1与滑板14上碰撞；转动标尺座2、调整螺母5、指针7和指度板9时不要超过极限位置，转动前应先将锁紧螺钉松开。

四、实验报告要求

1、测量主剖面系基本角度（单位：度）

刀杆尺寸 车刀 车刀名称 编号 （mm×mm） B×H 主偏角 副偏角 刃倾角 前角 后角 副后角 2、测量法剖面系和进给、切深剖面系的前角和后角（单位：度）

法剖面 车刀 车刀名称 编号 法前角 法后角 假定进给剖面 进给前角 假定切深剖面 切深前角 进给后角 切深后角 3、派生角度（单位：度）

楔 角 车刀 车刀名称 编号 刀尖角 余偏角 主剖面楔角 法剖面楔角 进给楔角 切深楔角 4、绘出主剖面参考系的车刀标注角度图，并标注测量得到的角度值。

思考题

1、试分别指出测量

、

、

和

时，车刀量角台上那个平面是

、

、

和

。

2、45°弯头车刀在车外圆和车端面时，主、副切削刃和主、副偏角是否发生变化？为什么？ 3、切断车刀有几条切削刃？哪条是主切削刃？哪条是副切削刃？

实验八 金属的塑性变形与再结晶

一、实验目的

1、了解金属经冷塑性变形后组织与硬度的变化；

2、了解已塑性变形的金属经加热后的组织与硬度的变化。

二、实验概述

在外力作用下，应力超过金属的弹性极限时金属所发生的永久变形称塑性变形。

金属经受塑性变形后，不但其外形发生变化，而且晶粒内部也发生明显的变化。随变形程度增大，晶粒逐渐沿变形方向伸长，变形程度愈大，则晶粒变形也愈大。

金属发生塑性变形主要是通过滑移方式进行，而滑移则是由滑移面上的位错运动造成的，金属经冷变形后，其晶体缺陷增加，位错密

6~8-211~12-2

度从10cm增至10cn，通过位错交互作用，进而出现位错缠结，变形程度愈大，其晶粒愈细，位错密度愈高，使位错运动阻力增大，金属的塑性变形抗力迅速增大。因此，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化现象。

变形后的金属在加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程，回复阶段因为加热温度较低，原子活动能力较弱，因此，金属的晶粒形状无明显变化，金属的强度，硬度和塑性等机械性能基本不变，只是内应力及电阻等性能显著降低。

当加热温度较高时，原子活动能力增大，晶粒外形从变形拉长形状变成新的等轴晶粒，这便是再结晶过程。通过再结晶消除了加工硬化，即强度和硬度明显降低而塑性和韧性升高。

再结晶完成后，若提高温度或延长保温时间，则金属的晶粒会继续长大，使机械性能下降。回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的组织和性能变化见图2-1。

图8-1 冷变形的金属在加热时组织和性能变化示意图

三、实验内容及步骤

1、轧制防锈铝（LF6）试片，并测定经各次轧制后的试片厚度及硬度。

变形在小型辗压机上进行，用手轮来调节两轧辊（图2-2）间的距离以控制变形程度。

每人取一块厚4mm的退火试片，按表2-1上“参考”的变形度（根据手轮转动不同格数）进行不同程度的冷轧变形。“参考”一栏变形度数据仅供辊压时参考。因为，实际变形度由于种种原因（齿轮的啮合间隙，轧辊的磨损等）会有一些变化，因此“实际变形度”一栏是指在一定的控制条件下辊压后实测的厚度根据公式计算而得，每人只做一个变形度，并测出该变形度下的硬度，每组完成表中所列内容，每人汇总本组数据，画出变形度与硬度的关系曲线。

变形度= （取小数点后一位）

b0——辊压前试片的厚度（mm，取小数点后二位）； bi——辊压后试片的厚度（mm，取小数点后二位）。

必须指出，辊压后试片上各部分的变形不是十分均匀的，这对厚度与硬度的测量均带来误差。为减小这方面的误差，首先要求辊压后的试片应尽量平整，一般翘曲不平的，可将试片转90度或反一个面压3~4次即可，其次是厚度和硬度的测量部位能够一致起来，见图2-3，分别取平均值。

图8-2 图8-3 表2-1 变形度与硬度的关系

试样编号 手轮转动格数 参考 变形度% 实际 0 0 0 1 10 2 2 20 7 3 40 18 4 60 30 5 80 40 b0平均值mm bi平均值mm 硬度 第1点 第2点 HRA 平 均 2、变形金属的回复和再结晶退火

每人取一块变形度为40%的LF6试片，按表2-2上所列温度加热，保温15分钟取出空冷，测HRA值，每组完成表2-2所列内容，每人汇总本组数据，画出加热温度与硬度的关系曲线。

表2-2 变形40%的LF6，加热温度与硬度的关系

试样编号 加热温度℃ 硬度 第1点 第2点 HRA 0 室 温 1 100 2 250 3 300 4 400 5 480 平 均 加热在开水和空气炉内进行。 3、金相组织观察

观察两组照片，一组是不同变形度；另一组是变形40%后经不同加热温度。 4、步骤

每次半个班（15人左右），分为二个小组，1组先做内容1，2组先做内容2，然后对换实验内容。

四、实验设备和量具

1、辊压机 一台 2、千分尺 若干 3、洛氏硬度计 三台 4、电炉

五、注意事项

1、轧制前，先测量出试片原始厚度（bo），然后将试片放入轧辊之间进行辊压。表2-1中各变形度的试片，均应由最小变形度开始，按操作规程逐次辊压到所要求的变形度，不允许一次辊压到所要求的变形度，以免损坏设备。 2、操作只允许一人独自进行，以免误操作。轧辊运转后、用工具将试片送入，严禁用手送入试片。

3、轧制时一次只允许轧一片试片，轧辊距离调进一次不得超过5格，更不能将其它物品放入轧制，以免损坏设备。

六、实验报告要求

1、根据本组数据，画出变形度与硬度、加热温度与硬度两条关系曲线（根据数据点分布，画出光滑曲线），并对两条曲线进行分析。 2、指出去应力退火和再结晶退火的目的，并根据所做曲线，确定去应力退火和再结晶退火的加热温度。

实验九 焊接接头组织观察

一、实验目的

1、了解低碳钢焊接接头各区域的组织变化和性能； 2、了解不同焊接方法对焊接热影响区大小的影响。

二、实验概述

焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。

在焊接过程中，焊接接头各部分的加热速度、加热的最高温度、高温停留时间和随后的冷却速度各不相同，因而所得组织各异。组织不同，导致机械性能也不同。对焊接接头进行金相组织分析，是对其机械性能鉴定不可缺少的环节。 1、焊缝组织

熔化焊是将被焊金属的联接处加热到熔化状态，待其冷凝后实现金属的焊接。因此，焊缝是铸态组织，焊缝金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。由于开始结晶处是高温下的半熔化区，不会出现等轴细晶，又因焊缝截面积小，冷却快，其中心也不形成等轴细晶。柱状晶从接头表面的半熔化区一直伸展到焊缝中心，非常明显，即使用肉眼也能清楚地观察到。 若焊缝金属硫、磷等杂质较多时，就会集中到焊缝的中心层而影响其机械性能。

焊接时由于熔化金属受到电弧吹力或保护气体的吹动，加之熔滴滴入的作用，干扰了柱状晶的连续成长，形成层状柱状晶。 2、热影响区组织

焊接低碳钢时，根据热影响区的组织特征可分为四个区域：（1）熔合区（或称半熔化区）；（2）过热区；（3）正火区；（4）部分相变区（或称部分重结晶区）。 （1）熔合区

母材对焊接交界处的金属称熔合区。此区很窄，但加热温度在液固两相之间。熔化了的金属凝固成铸态粗晶，是焊缝金属柱状晶的“根部”，未熔化部分则成为过热粗晶，使焊接接头强度、塑性，韧性都下降，往往成为产生裂缝的发源地。 （2）过热区

该区加热温度在1100~1350℃之间，奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到过热粗晶，就会形成魏氏组织——珠光体加片状或针状铁素体。因焊缝冷速较大，除形成魏氏形态铁素体（针状或片状）外，还在晶界上呈现网状铁素体。故该区组织为网状及针状铁素体和珠光体。这种组织使其塑性差、韧性低、机械性能差。 （3）正火区

该区加热温度在AC3~1100℃之间，虽比正常正火温度高，但停留时间短，而且冷速较空冷为快，相当于正火处理，晶粒细化，珠光体和铁素体分布均匀，是焊接接头机械性能最好的一段。 （4）部分相变区

该区加热温度在AC1~AC3之间，加热时，首先是珠光体向奥氏体转变，随着温度升高，部分铁素体转变为奥氏体。冷却时，奥氏体先析出细小的铁素体，冷至 时，剩余的奥氏体转变为珠光体。可见，仅有部分组织发生了相变重结晶过程，而未转变为奥氏体的铁素体晶粒较粗大。故该区组织是不均匀的，晶粒大小不一。由于晶粒大小不均，使机械性能变差。

三、实验内容及步骤

1、肉眼观察手弧焊、埋弧自动焊、气焊、氢气保护焊等不同焊接方法试样，区分焊缝区及热影响区，并估计热影响区尺寸，填入下表。 表3-1 各种焊接方法的热影响区尺寸

焊接方法 材料（母材） 热影响区 尺寸（mm） 手弧焊 Q195 埋弧自动焊 Q195 气焊 Q195 氩气保护焊 Q195不锈钢 2、在显微镜下观察手弧焊、埋弧自动焊、气焊、氩气保护焊等不同焊接方法焊接的A3钢板焊接接头试样。先用低倍（80~100×）对整个接头组织进行全面观察，找出焊缝区、熔合区、过热区、正火区、部分相变区及母材。然后再用中倍（400~500×）仔细观察各区域的组织，分辨其形貌特征。

四、实验设备及试样

1、金相显微镜 2、金相放大照片

3、不同焊接方法的焊接接头试样

五、实验报告要求

1、绘制埋弧自动焊试样焊接接头各区组织图； 2、选作思考题中任意两题。

思考题

1、为什么焊缝区为柱状晶粒组织？性能如何？

2、热影响区各区性能如何？与组织有何联系？怎样减少其有害影响？ 3、若试样材料为40Cr，热影响区会有何变化？性能如何？

4、不同焊接电源，焊接速度对焊接接头组织有无影响？怎样影响？

实验十 铸造应力的测定

一、实验目的

1、用铝合金应力框试样测定铸造应力。

2、了解铸造应力的形成、分布规律和对铸造质量的影响，掌握减少和消除铸造应力的方法。

二、实验概述

（一）铸造应力的形成、分布规律和对铸件质量的影响。

铸件凝固以后，在继续冷却过程中，产生固态收缩，当固态收缩受到阻碍时，在铸件内部将产生平衡的内应力，称为铸造应力。 铸造应力按产生的原因不同，可分为机械应力和热应力。 1、机械应力

机械应力是铸件发生固态收缩时受到铸型或型芯等的机械阻碍而形成的内应力。这种应力一般使铸件产生拉伸或剪切应力，但这种应力是暂存的。落砂后，机械阻碍一消除，应力自行消失，很少残留在铸件中，因此，这种应力也称临时应力。 2、热应力

热应力是由于铸件壁厚不均匀，冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部门收缩量不一样，但又彼此相联、互相制约而形成的内应力。这种内应力一直残留到室温，故称残留应力。 下面用应力框试样分析热应力的形成过程。

图10-1 热应力的形成过程

应力框试样是两侧细杆Ⅱ和中间粗杆Ⅰ并用刚性横梁连成一体的框形铸件，由于杆Ⅰ截面大，冷却较慢，而杆Ⅱ截面小，冷却较快，但二者又连成一个整体，收缩时必然相互制约而产生阻碍，形成热应力。最终结果，在杆Ⅰ中产生拉应力；在杆Ⅱ中产生压应力，当拉应力超过铸件的抗拉强度时，粗杆就会断裂。

一般，在铸件冷却较慢处（厚壁处或心部）产生拉应力，而铸件冷却较快处（薄壁处或表层）产生压应力。

铸件中存在内应力，使铸件的实际承载能力下降，而且是铸件产生变形、热裂和冷裂等缺陷的主要原因。铸件中的应力不消除，经机械加工后就会破坏原先的应力平衡，使铸件产生变形甚至裂纹。

预防和减少铸造应力是减少变形和开裂倾向，提高铸件质量的重要方面。为此，要求设计铸件结构时，应尽量使其壁厚均匀，有夹层壁的铸件，内壁厚度应小于外壁；不同壁厚的过渡要力求平缓，或使铸件的形状对称。在铸造工艺上，可采用反变形法和同时凝固原则来减少铸造应力及变形。

对于重要的不允许变形的铸件必须进行去应力退火，消除铸件中的残留应力。

（二）应力框测定铸造残余应力的基本原理

残余应力的测定方法大致可分为机械测定法和物理测定法。用应力框（如图10-2）测定铸造应力是属于机械测定法中最简便的一种方法，其基本原理是把铸件（或试样）用一定方法进行局部分割。残余应力被局部释放，从而破坏了铸件内存在的相互平衡的应力，使铸件（或试样）产生变形。然后测定这时的变形量，再应用弹性力学求出铸件内的残余应力。

图10-2 应力框

应力框中的残余应力处于平衡状态，即：

σⅠFⅠ=2σⅡFⅡ 式中：σⅠ——粗杆中的粒应力 σⅡ——细杆中的压应力 FⅠ——粗杆的截面积 FⅡ——细杆的截面积

粗杆上的A、B两面的面间距为 。锯断前后的变化量为 ，即

式中：

——锯断粗杆后，A、B两平行面间的距离；

——粗杆的应变量；

——细杆的应变量；

（1） 2）

（L——杆长；

——A、B两平行面的原始面间距；

——A、B两平行面锯断前后的面间距变化量

——粗杆合金的弹性模量；

——细杆合金的弹性模量。 假设：

，则式（2）改写为：

（3）

联立式（1）及式（3），得：

（4）

（5）

三、实验试样和工具

1、两个铝合金应力框（一个是铸造状态，一个是去应力退火状态） 2、锉刀

3、千分尺（或游标卡尺） 4、手锯

四、实验方法

首先把两个应力框试样粗杆上的凸起部分的两个侧面锉成A、B两个垂直面，用千分尺准确测量出AB长度即 。然后用手锯在A、B之间锯断，接着，用千分尺准确测量A、B两端长度即 。

用卡尺测量应力框的杆长和粗、细杆的截面尺寸，最后用式（4）和（5），计算出各杆的残余应力。 下面的表格是常用铸造合金的弹性模量（E）

材料 E（MPa） 钢 200,000 白口铁 170,000 球墨铸铁 灰铸铁 钢合金 铝合金 138,000~186,000 75,000~110,000 112,500~133,500 67,000~84.4000 五、实验报告内容

1、铸造应力形成的原因及分布特点是什么？ 2、应力框的残余应力测试的实验数据和计算结果。

3、说明铸造应力对铸件质量的影响及减少铸造应力的措施。

（注：图4-2中尺寸为铸造尺寸，进行计算时应以实际测得的数据为准。）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hm7x.html