材料作业 - 图文

机械工程材料实验指导

实验一： 金相显微镜的原理、构造及使用

[实验目的]

1、了解金相显微镜的基本构造及工作原理。 2、掌握金相显微镜的使用方法。

[实验内容]

1、观察显微镜的构造，了解各部件的作用。 2、装好显微镜的物镜、目镜，调好光阑进行观察。

3、用不同的放大倍数观察同一试样并画出所观察的组织示意图。 [实验报告要求]

1、写出实验目的及所用设备。 2、写出实验步骤。

3、画出所观察到的显微组织示意图，并对实验现象进行分析。

[实验原理]

用于研究金属显微组织最常用的光学显微镜是金相显微镜，它是一种反射式显微镜。 1. 显微镜的成相原理

显微镜的基本放大原理如图1--1所示。起放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的目镜来完成。为了减少像差，显微镜的目镜和物镜都是由透镜组构成的复杂的光学系统，其中物镜的构造尤其复杂。为了便于说明，图中的物镜和目镜都简化为单透镜。物体AB位于物镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立放大的实像A'B'，这个像位于目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实像再放大成虚像A''B''，位于观察者的明视距离（距人眼250mm）处，供眼睛观察。在视网膜上形成的是实像A'''B'''。

图1—1显微镜的成像原理图

2. 显微镜的照明系统

金相显微镜的光源通常采用钨丝灯、卤素灯、碳弧灯及氙灯等。

2.1 钨丝灯

一般中小型显微镜照明部分采用6—8伏钨丝灯泡做光源。其原理是光线通过物镜射至试样表面，然后靠金属本身反射能力，由试样表面反射，再通过物镜进行放大，这种灯适合于金相显微组织的观察。

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2.2 氙灯

其特点是光强高，输出稳定，寿命较长，此外，它具有类似日光性质的连续光谱，可用于彩色照相。是金相显微组织观察的最新光源之一。

氙灯容易爆炸，因此，在使用时要特别注意安全。使用时间最多不得超过规定时间的125%，尽量减少启动次数可以显著延长氙灯的使用寿命。

2.3 其他照明系统

目前金相显微镜中供观察用的低压钨丝灯已逐渐为卤素灯所取代，卤素灯的灯泡必须用耐高温的石英玻璃制造。另外还有碳弧灯，它是利用两支暴露在空气中而相互靠近的碳棒，通电后产生强烈的电弧发出亮度很高的光，但由此产生的电弧跳动，导致光源不稳定，特别不利于照明，这是它的缺点。

3. 显微镜的光程调节部分

光程中主要调节部分是光阑。在金相显微镜光源系统中常放置着两个孔径可变的光阑，分别为孔径光阑和视场光阑。总的目的是为了提高最后映像的质量。 3.1 孔径光阑

主要调节入射光线粗细，具体调节将根据直接观察映像清晰度判定。

3.2 视场光阑

主要是为减少镜筒内的反射光和炫光，从而提高映像的衬度，因此，常将视场光阑缩小到最低限度。

除光阑外，还常常在孔径光阑后加滤光片，以提高映像质量。 4. 显微镜的物镜及目镜

物镜是靠近观察物体的一组透镜。物镜是显微镜中主要零件。物镜的主要特性参数有：放大率、数值孔径、鉴别能力。

4.1 放大率

物镜放大率取决于物镜的焦距，它与光学镜筒的长度有关，焦距越短，放大倍数越高。所以，物镜放大率除直接用放大倍数表示外，也可以用焦距表示。常用的物镜的放大率有8x、45x（或40x）、100x三种。

4.2 数值孔径

数值孔径表示物镜收集光线的能力。物镜对试样上各点的反射光收集的越多，成像质量就越好。它取决于物镜的角孔径大小和介质的折光系数。

4.3 分辨率

显微镜的分辨率用它能清晰分辨试样上两点间的最小距离d表示。分辨率是物镜对于试样最细微组织形式清晰可辨映像的能力。物镜的作用是使物体放大成实像，目镜的作用是使这个实像再次放大；这就是说目镜只能放大物镜已分辨的细节，物镜未能分辨的细节，决不会通过目镜放大而变的可分辨。因此，显微镜的分辨率主要取决于物镜的分辨率。物镜分辨率的表达式如下：

d??2N?A

由式中看出，物镜鉴别能力d与光源波长成正比，波长越短，d越小，因而鉴别能力越高。放大率和数值孔径常常刻在物镜的外壳上。

4.4 目镜

是靠近人眼的一组透镜，目镜的作用在于将经过物镜放大的实像再次放大。目镜放大倍数通常为5x、7。5x、10x、15x、20x数种。

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5. 常用金相显微镜介绍

图1—2 XJ-16金相显微镜结构示意图 图1—3 XJ-16金相显微镜的光路图

金相显微镜种类较多，国内普遍使用的是4X型和XJ-16型。这两种显微镜均为倒立式 ，样品台位于显微镜的上方，可在水平方向上做二维运动，显微镜的物镜为消色差物镜，放大率有10X，45X或（40），100X（油浸系）三种。目镜有5X，10X，15X，三种。

显微镜光源为6-8伏的钨丝灯，这种显微镜孔径光阑和视场光阑连续可调，并附带照相设备，可照120底片的金相照片。除此以外，显微镜还包括底座、载物台、粗调手轮、微调手轮、物镜座等机械部分。

6. 大型金相显微镜

XJG-05型大型卧式金相显微镜： 显微镜与摄影部分靠连接筒连成一个整体，这种显微镜连接有较大暗盒，底片尺寸为82。5mmX120mm，带有100mm刻度的毛玻璃，用于测量摄影的放大倍率；带中心线的毛玻璃用于摄影调焦；带中心叉线的透明承影板，用于暗场和偏光的摄影调焦；带有八级晶粒的毛玻璃，用于晶粒度的比较。镜体上还设有135相机接口，可接入135相机进行拍摄。

图1—4 XJG-05型卧式金相显微镜

XJG-05型大型卧式金相显微镜还设有适合作照相光源的氙灯照明，氙灯是金相显微镜的最新光源之一，具有光强高，体积小，输出稳定的特点，弥补了一般光源光强较弱的不足。

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7. 显微镜使用注意事项

7.1 初次使用显微镜，首先应了解显微镜的基本原理及各部件的作用，详细了解操作规程。 7.2 显微镜的目镜和物镜是显微镜的主要光学部分，装卸时应格外小心。不得用手触摸透镜，对于透镜上的灰尘、油脂、污垢，不能用手或手绢去檫，以免在镜头上留下划痕及脏物而应用软毛刷或镜头纸檫拭。

7.3 作显微观察用的样品要干净，不得残留有酒精和腐蚀剂。以免腐蚀镜头。

7.4 调焦时，应先粗调，后微调。为了避免试样与物镜碰撞，应先使物镜靠近试样（但不能接触），然后一面从目镜中观察，一面用双手调焦，使物镜慢慢离开试样，直到看清楚为止。

显微镜使用完毕后，应将载物台降到最低点，这样可避免粗调和细调螺丝因长期受载而发生变形，增加磨损。

7.5 显微镜对潮湿、高温、灰尘、腐蚀气体、震动等因素十分敏感，因此放置显微镜的 房间应该清洁、干燥、通风、并远离震源。

[思考题]

1、光学金相显微镜主要由哪几大主要部分组成？各部分又由哪几个零件组成？ 2、什么是显微镜的有效放大倍数？

3、显微镜光源有哪几种？各有什么特点？

4、显微镜在使用和维护中，应该注意哪些事项？

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实验报告：

1、实验目的：扼要说明研究对象，实验意义及作用。

2、实验原理：（1）简要说明实验所依据的理论：包括定律、公式等。

(2 )画出显微镜光学原理图。

3、实验设备及方法：写出设备名称、型号、性能，以及实验方法介绍和操作程序。

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实验二：金相显微试样的制备

[实验目的]

1、了解金相显微试样的制备原理，熟悉金相显微试样的制备过程。 2、初步掌握金相显微试样的制备方法。

3、近一步熟悉金相显微镜的构造及使用方法。 [实验内容]

1、每人制备一块低碳或中碳钢的金相显微试样。在制备过程中，先在显微镜下观察抛光后的磨面状况，然后进行腐蚀，并画出腐蚀后的显微组织的特征。 2、观察金相显微试样制备过程中的假象，了解消除假象的方法。 [实验报告要求]

1、写出实验目的及所用实验设备。

2、简述金相显微试样制备过程。

3、分析试样制备过程中出现假象的原因，如何制备出高质量的显微试样。 1、 写出自己所制备试样的材料，画出显微组织示意图。

[实验原理] 1. 概述

显微分析是研究金属内部组织的最重要的方法。在金相学一百多年的发展历史中，绝大部分研究工作是借助于光学显微镜完成的。近年来，电子显微镜的重要性日益增加，但是光学显微金相技术在科研和生产中仍将占据一定的位置。

用光学显微镜观察和研究任何金属内部组织，一般要分三个阶段来进行： （1）制备所截取试样的表面。

（2）采用适当的腐蚀操作显示表面的组织。

（3）用显微镜观察和研究试样表面的组织。

这三个阶段是一个有机的整体，无论哪一个阶段操作不当，都会影响最终效果，因此不应忽视任何一个阶段。

试样制备工作包括许多技巧，需要有长时间的实践经验才能较好的掌握；同时它也比较费时和单调，往往使人感到厌烦，金相显微镜的使用之所以比生物显微镜晚二百年，其原因就是由于长期没有解决试样制备问题。

试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫射，无法用显微镜观察其内部组织。因此，我们要对试样表面进行加工，通常是用磨光和抛光的方法，以得到一个光亮的镜面。这个表面还必须能完全代表取样前所具有的状态，也就是说，不能在制样过程中使表层发生任何组织变化。获得具备这种条件的试样表面，才算是完成了制备阶段。仅具有光滑平面的试样，在显微镜下只能看到白亮的一片，而看不到其组织细节，这是由于大多数金属组织中不同的相，对于光具有相近的反射能力的缘故。为此，必须用一定的试剂对试样表面进行腐蚀，使试样表面有选择地溶解掉某些部分（如晶界），从而显现微小的凹凸不平。这些凹凸不平都在光学系统的景深范围内，这时用显微镜就可以看清楚试样组织的形貌，大小和分布，这就是组织显示阶段。完成了以上两个阶段后，就可以进入显微分析的第三阶段，既显微组织的观察和分析。本章介绍试样的制备和组织的显示，包括取样、镶样、磨光、机械抛光（或电解抛光、化学抛光）、腐蚀等。

2. 取样

选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要的一步，包括选择取样

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部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。

2.1 取样部位及检验面的选择

取样部位及检验面的选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。生产中常规检验所用试样的取样部位、形状、尺寸都有明确的规定（详见有关部颁标准）。零件失效分析的试样，应该根据零件失效的原因，分别在材料失效部位和完好部位取样，以便于对比分析。

2.2 试样的截取方法 取样时，应该保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法：对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法；对于硬而脆的材料，如白口铸铁，可以用锤击方法；在大工件上取样，可用氧气切割等方法。在用砂轮切割或电火法切割时 ，应采取冷却措施，以减少由于受热而引起的试样组织变化。试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。 2.3 试样尺寸

金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。通常显微试样为直径15~25mm、高15~20mm的圆柱体或边长为15~25mm的立方体。

对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，要进行镶嵌或机械夹持。

试样取下后一般先用砂轮磨平。对于很软的材料（如铝、铜等有色金属）可用锉刀锉平。磨砂轮时应利用砂轮的侧面，并使试样沿砂轮径向缓慢往复移动，施加压力要均匀。这样即可以保证使试样磨平，还可以防止砂轮侧面磨出凹槽，使试样无法磨平。在磨制过程中，试样要不断用水冷却，以防止试样因受热升温而产生组织变化。此外，在一般情况下，试样的周界要用砂轮或锉刀磨成圆角，以免在磨光及抛光时将砂纸和抛光织物划破，但是对于需要观察表面组织（如渗碳层、脱碳层、和氮化层等）的试样，则不能将边缘磨圆，这类试样最好进行镶嵌。

3. 镶嵌

一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶嵌，但试样尺寸过小或形状及不规则者，如带、 丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。

目前一般多采用塑料镶嵌。镶嵌材料有热凝性塑料（如胶木粉）、热塑性塑料（如聚氯乙烯）、冷凝性塑料（环氧树脂加固化剂）等。这些材料都各有其特点。胶木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，但抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明的，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。用这两种材料镶样均需用专门的镶样机，对加热温度和压力都有一定要求，并会引起淬火马氏体回火、软金属发生塑性变形。用环氧树脂镶样，浇注后可在室温下固化，因而不会引起试样组织发生变化，但这种材料比较软。此外还可以采用机械镶嵌法，既用夹具夹持试样。

4. 磨光

磨光通常是在砂纸上进行的。砂纸上的每颗磨粒可以看成是一个具有一定迎角(磨粒的前导面与试样平面之间的角)的单点刨刀，迎角大于临界值的磨粒才能切除金属，小于临界值的只能压出磨痕(钢铁材料的临界迎角为90o)。前一种磨粒只占一小部分(约20％)，如图2—1中的阴影部分所示。后一种磨粒使金属表层产生的流变要大得多，试样表层的组织变化(又称变形层)主要是由这种磨粒造成的。

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图2—1 200号sic砂纸磨粒迎角的分布

因此，金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度)，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去；同时，该道工序本身应做到尽可能减少损伤，以便于进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅，要保证能在下一道抛光工序中除去。图2—2为试样经过切割加工及四道磨光工序后，表面变形层厚度变化示意图。图中A、B、C均为变形层，越往里，变形量越小，D为末受损伤的组织。

图2-2 试样经切割磨光后，变形层厚度变化示意图

普通的金相砂纸所用的磨料有碳化硅和天然刚玉两种。碳化硅砂纸最适用金相试样的磨光，其优点是：磨光速率(单位时间除去的金属重量)较高，变形层较浅，可以用水作润滑剂进行手工湿磨和机械湿磨。碳化硅砂纸的粒度大到一定尺寸(280号一150号)后，磨光速率相差不多，但变形层深度却随着磨粒尺寸的增大而增加。因此，开始磨光时所用的砂纸，不一定越粗越好。通常使用粒度为200，400，600及800(或300，500，700，900)的四种砂纸，进行磨光后即可进行抛光。对于较软的金属，应用更细的砂纸磨光后再抛光。 如果把碳化硅砂纸放在边缘略有突起放了一些水的转盘上，则随着转盘转动，砂纸下面

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的水被甩出，砂纸被吸附在转盘上，即可进行机械湿磨，磨光效率能进一步提高。图2—3示出转盘式金相预磨机，使用时用水作润滑剂和冷却剂。配有微型计算机的自动磨光机，可以对磨光过程进行程序控制，整个磨光过程可以在数分钟内完成。

1 — 电动机 2 一 底座 3 — 轴 4 — 磨盘

5—水砂纸 6 7 8 9

— — — —

螺钉 开关 罩 盘

10—调节旋纽 11 — 盖 12 — 水管

图2—3 转盘式金相预磨机

天然刚玉(氧化铝和氧化铁的混合物)砂纸过去曾长期用作金相试样的磨光，这种砂纸所用的磨粒粘接剂溶于水，因此， 一般只用于干磨，或用不含水的润滑剂(如煤油)。天然刚玉磨料较软，在磨光过程中容易破碎，使其有效粒度减小，因此耐用性差。目前这种砂纸已较少使用。

新砂纸产生的变形层较深，但经过磨50～100下以后就基本稳定不变，磨光速率则随着使用次数的增加而下降。因此，新砂纸稍加使用后即处于最佳使用

状态，当用得太旧时，就不宜再使用。

磨光时施加的压力越大，磨光速率也越大，但对变形层的深度却影响不大，所以在磨光时可以适当加大压力。 手工磨光时，本道工序的磨痕应与上一道工序的磨痕方向垂直，这样可以使试样磨面保持平整并平行于原来的磨面。只要砂纸处于最大磨光速率的情况下，每道工序可以在0.5～1.0min内完成。 5. 抛光

5.1 机械抛光

抛光的目的就是要尽快把磨光工序留下的变形层除去，并使抛光产生的变形层不影响显微组织的观察。

抛光与磨光的机制基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以看成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕。由于磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑、划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。 抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时要使抛光产生的变形层不致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。这两个要求是有矛盾的，前者要求使用较粗的磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细的磨料，但抛光速率较低。解决这个矛盾的最好办法就是把抛光分为两个阶段来进行。首先是粗抛，目的是除去磨光的变形层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛本身形成的变形层是次要的考虑，不过也应尽可能小。其次是精抛(又称终抛)，其目的是除去粗抛产生的变形层，使抛光

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损伤减到最小。

过去，粗抛常用的磨料是粒度为10—20μm的A12O3，Cr2O3或Fe2O3，加水配成悬浮液使用。目前，人造金刚石磨料已逐渐取代了氧化铝等磨料，因其具有以下优点：（1)与氧化铝等相比，粒度小得多的金刚石磨粒，抛光速率要大得多，例如4—8μm金刚石磨粒的抛光速率与10—20μm氧化铝或碳化硅的抛光速率相近；（2)表面变形层较浅；（3)抛光质量最好。 通常，使用金刚石膏状磨料的抛光速率远比悬浮液大。金刚石磨料的价格虽高，但抛光速率大，切削能力保持的时间也长，因此它的消耗量少，只要注意节约使用，并合理选择抛光机的转速(采用机械抛光时应为250—300 r/min，自动抛光时应为150 r/min)，就可以充分发挥其优越性。用金刚石研磨膏进行粗抛时，一般先使用粒度为3.5μm的磨料，然后再使用粒度为1/μm的磨料，可获得最佳效果。

尽管对于磨光及粗抛已经有了比较成熟的原则，但是对于精抛，还要求操作者有较高的技巧。常用的精抛磨料为MgO及γ-Al2O3，其中MgO的抛光效果最好，但抛光效率低，且不易掌握；粒度为0.1μm的γ-Al2O3。抛光速率高，且易于掌握。

过去有些资料推荐使用反复腐蚀、抛光的办法来除去磨光变形层，但是这样做效率低，还会使试样产生越来越严重的表面浮凸。现在已经清楚，粗抛可以更有效地除去磨光变形层。 近年来已有在抛光机上配置微型计算机的，使抛光过程自动化，抛光机可以按照规定的参数(如转速、压力、润滑剂的选择、磨料喷撒频率等)进行工作，这些参数还可以随时间而变。对于某种材料的金相试样，只要建立了最佳制样参数，制样效果的重现性很好，工作效率大大提高。不过这种制样设备并不能完全取

代金相技术人员的工作，它只能按照人们预制定的程序进行工作。

5.2 其它抛光方法介绍

机械抛光时，试样表面要产生变形层，影响金相组织显示的真实性。电解抛光可以避免上述问题，因为电解抛光纯系电化学的溶解过程，没有机械力的作

用，不引起金属的表面变形。对于硬度低的单相合金，如奥氏体不锈钢、高锰钢等宜采用此法。此外，电解抛光对试样磨光程度要求低(一般用800号水砂纸磨平即可)，速度快，效率高。

但是电解抛光对于材料化学成分的不均匀性，显微偏析特别敏感，非金属夹杂物处会被剧烈的腐蚀，因此电解抛光不适用于偏析严重的金属材料及作夹杂物检验的金相试样。 化学抛光是靠化学溶解作用得到光滑的抛光表面。这种方法操作简单，成本低廉，不需要特别的仪器设备，这些优点都给金相工作者带来很大的方便。

化学抛光的原理与电解抛光类似，是化学药剂对试样表面不均匀溶解的结果。在溶解过程中也产生一层氧化膜，但化学抛光对试样原来凸起部分的溶解速度比电解抛光慢，因此经化学抛光后的磨面较光滑但不十分平整，有波浪起伏。这种起伏一般在物镜的垂直鉴别能力之内，适于用显微镜作低倍和中倍观察。

化学抛光是将试样浸在化学抛光液中，进行适当的搅动或用棉花经常擦拭，经过一定时间后，就可以得到光亮的表面。化学抛光兼有化学腐蚀的作用，能显示金相组织，抛光后可直接在显微镜下观察。

化学抛光液的成分随抛光材料的不同而不同。一般为混合酸溶液，常用的酸类有：正磷酸、铬酸、硫酸、醋酸、硝酸及氢氟酸；为了增加金属表面的活性以利于化学抛光的进行，还加入一定量的过氧化氢。化学抛光液经使用一段时间后，溶液内金属离子增多，抛光作用减弱，需经常更换新溶液。

6. 腐蚀

试样抛光后(化学抛光除外)，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还须让试样经过腐蚀。常用的腐蚀方法有化学腐蚀法和电解腐蚀法。

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6.1 化学腐蚀

化学腐蚀是将抛光好的样品磨面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出试样的组织。

纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不规则，具有较高的自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射入物镜的光线不同，可看到明暗不同的晶粒。 两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组成相具有不同的电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微小的局部电池。具有较高负电位的一相成为阳极被溶入电解液中而逐渐凹下去；具有较高正电位的另一相为阴极，保持原来的平面高度。因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相。多相合金的腐蚀，主要也是一个电化学的溶解过程。在腐蚀过程中腐蚀剂对各相有不同的溶解。必须选用合适的腐蚀剂，如果一种腐蚀剂不能将全部组织显示出来，就应采取两种或更多的腐蚀剂依次腐蚀，使之逐渐显示出各相组织，这种方法也叫选择腐蚀法。另一种方法是薄膜染色法。此法是利用腐蚀剂与磨面上各相发生化学反应，形成一层厚薄不均的膜(或反应沉淀物)，在白光的照射下，由于光的干涉使各相呈现不同的色彩，从而达到辨认各相的目的。

图2—4纯金属及单相合金 图2—5为锡锑合金与珠光体组织

化学腐蚀情况示意图 两相腐蚀后的情况

（a）Sn-Sb合金 (b)珠光体组织

化学腐蚀的方法是显示金相组织最常用的方法。其操作方法是：将已抛光好的试样用水冲洗干净或用酒精擦掉表面残留的脏物，然后将试样磨面浸入腐蚀剂中或用竹夹子夹住棉花球蘸取腐蚀剂在试样磨面上擦拭，抛光的磨面即逐渐失去光泽；待试样腐蚀合适后马上用水冲洗干净，用滤纸吸干或用吹风机吹干试样磨面，即可放在显微镜下观察。试样腐蚀的深浅程度要根据试样的材料、组织和显微分析的目的确定，同时还与观察者所需要的显微镜的放大率有关；放大率高，应腐蚀浅一些，放大率低则可腐蚀深一些。

6.2 电解腐蚀

电解腐蚀所用的设备与电解抛光相同，只是工作电压和工作电流比电解抛光时小。这时在试样磨面上一般不形成一层薄膜，由于各相之间和晶粒与晶粒之间电位不同，在微弱电流的作用下各相腐蚀程度不同，因而显示出组织。此法适于抗腐蚀性能强、难于用化学腐蚀法腐蚀的材料。

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若试样制备好后需要长期保存，则需要在腐蚀过的试样观察面上涂一层保护膜，常用的有硝酸纤维漆加香蕉水或指甲油。

表2—1显示钢铁材料显微组织用的化学腐蚀剂

序号 浸蚀剂名称 1 硝酸酒精 溶液 成 分 HNO3 2ml 用 法 浸蚀时间：数用 途 通用浸蚀剂，使珠光体发黑，并能增加珠光体区域的衬度；显示铁素体晶界；区分铁素体及马氏体。用较淡溶液（1%），亦可显示钢经不同热处理后的组织。 通用浸蚀剂，可显示碳钢、低合金钢各种热处理后的组碳素钢、低合金钢及中合金钢通用浸蚀剂 秒至一分钟，浸 95%酒精 100ml 蚀速度随溶液浓度而增加，但选择性则随之而降低。 苦味酸 4g 浸蚀时间：数 2 苦味酸酒精溶液 95%酒精 100ml 秒至数分；有时织。能清晰显示细珠光体、（仅当苦味酸含水可用较淡溶液。 马氏体、回火马氏体及贝氏超过10%时，才用纯酒精） 体组织；显示碳化物。但显示铁素体晶界不如硝酸酒精溶液的效果。 显示淬火及淬火回火后的实际奥氏体晶粒度。淬火试样在200~250oC回火15min后，效果最好。 3 盐酸苦味酸HCL 5ml 酒精溶液苦味酸 1g 浸蚀 （Vilella试95%酒精 100ml 剂）

[思考题]

1、 显微试样的制备主要有那几个步骤？

2、 显微试样截取的方法有那几种?选用不同截取方法的原则是什么? 3、 显微试样在什么情况下需要镶嵌?

4、 常用的砂纸有几类?各有什么特点?如何选用? 5、 制备好的显微试样如何保护?

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实验报告：

1、实验目的：写出试样制备所用设备名称、型号、规格，简述金相试样的制备过程。

2、实验结论：用不同放大倍数观察同一试样，用图表、数字及专业用语加以分析，最后

用肯定语言进行概述，作出论断。

3、实验讨论：分析试样制备过程中出现假象的原因，如何制备出高质量的显微试样。

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实验五 碳钢的热处理

[实验目的]

1.了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。 2.研究冷却条件与钢性能的关系。 [箱式电阻炉的构造]

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箱式电阻炉有称马弗炉，它是一种周期作业式加热炉，可供实验室做退火、正火、淬火、回火等热处理加热用。上图是箱式电阻炉的构造示意图。用高强度耐火材料制成的加热室1.其壁中排列着许多纵向电热丝孔2.电热丝多用铁铬铝合金丝制成螺旋形。当电源通过接线盒4使电热丝中通有电流时，便产生电热效应，所发出的热量即可加热炉内的试样5.。为了避免取放试样时碰坏或磨损加热室底部耐火材料，在加热室底部放置一块高强度耐火材料制成的炉底板10.。热室的开口处用炉门8.封闭。炉门上有一个小孔，供观察炉内温度和试样加热情况用。炉门下部有一挡铁7.，炉门关闭时，挡铁掀动控制开关6.，使加热室内的电热丝中有电流通过，当炉门打开时，控制开关切断了电源控制电路，此时即使闭合电源开关，电炉中的电热丝也不会有电流通过，从而保证了操作时的安全。隔热层9.是用隔热材料填充的，其作用是减少炉内热量的散失。在加热室后壁开有一圆孔3.，供插入测量电偶用。整个炉体用钢板包裹，并由支架支撑着。

箱式电阻炉用于热处理加热时，其炉温大都是利用热电偶高温计和温度指示调节仪进行测量和控制的。热电偶高温计由三部分组成：热电偶，温度指示仪和连接导线。它们之间的线路关系如图所示。

热电偶由两根金属丝组成。测量1000°C以下的炉温时，它两根金属丝分别用镍铬合金和镍铝合金组成。热电偶的一端焊接在一起，另一端接在热电偶的接线柱上。连接导线把热电偶的两个端点与温度指示仪的接线柱连接起来。当热电偶的焊接端（热端）受热时，由于另一端（冷端）的温度没有变化，于是在冷端的两个接点之间就产生热电势（或称温差电势）。热端与冷端之间的温差越大，热电势也就越大。温度指示仪实际上是一个比较精密的毫伏计。在热电势的作用下，毫伏计发生偏转。由于热电势与热端温度有一定的函数关系，所以温度指示仪的表盘上通常直接标出热端的温度值。

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热电偶高温度结构简单，使用方便。但是它只能引起指示炉温的作用，加热炉的温度还须人工控制。

温度指示调节仪除了能指示炉温外，还能根据需要自动控制炉温。原理是：由热电偶传来的热电势，使磁电式测量机构（即毫伏计）上的温度指示针偏转至一定位置。此时，温度指示针下的读数就是热电势的毫伏值。炉温越高，热电势的毫伏值越高，指示针的偏转角度就越大。

温度指示调节仪的调节控制部分主要由温度给定针，检测线圈和控制继电器等部分组成。当加热电炉工作时，根据对炉温的要求，通过转动旋钮使温度给定针处于一定位置。当炉温升高，温度指示针偏转到与温度给定针重合时，安装在温度指示针上的铝片也同时进入检测线圈的间隙中间。由于铝片隔断了检测线圈之间的磁耦合，使测温仪表内的振荡回路的电参数改变，这一信息通过放大器使控制继电器动作，切断电炉的电源，炉温就不会继续升高。当炉温下降时，温度指示针向低温刻度方向偏转，于是铝片就离开检测线圈，振荡回路的电参数又恢复到原来的数值，控制继电器失去动作，电炉又接通电源，炉温复又升高，达到自动控温的目的。

[实验概述]

碳钢的热处理一般有退火、正火、淬火、回火四种方法。不同的热处理方法使碳钢获得不同的组织和性能；同一种热处理方法，当采用不同的热处理工艺参数时，碳钢所获得的组织和性能也不同。 （一）碳钢的淬火

淬火是将钢加热到临界点AC1，或AC3以上某一温度，经过上当保温后，快速冷却，以得到马氏体组织，从而显著提高碳钢的强度和硬度。加热温度，保温时间和冷却速度是影响淬火质量的重要工艺参数。

亚共析钢淬火时，要加热到AC3以上30~50°C，经适当保温后，得到均匀细小的奥氏体。当在水中快冷时，就回得到均匀细小的条状、片状马氏体，及少量残余奥氏体。如果加热温度过高，会得到粗大的奥氏体晶粒，淬火后得到的马氏体晶粒也粗大。粗大的马氏体组织使钢的韧性下降，具有这种组织的零件或工模具在工作过程中容易发生脆断现象。若加热温度选在AC1~AC3之间，则碳钢的高温组织为奥氏体加铁素体，淬火冷却后的组织为马氏体加铁素体。由于铁素体的存在，显著减小了钢的强化效果。淬火的过热组织和欠热组织都是因淬火温度选择不当形成的。

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过共析钢的淬火温度为AC1+（30~50°C）此时得到细小的奥氏体加未溶的颗粒状二次渗碳体。淬火后的组织为马氏体加渗碳体，也有少量残余奥氏体。如果淬火温度选在ACcm以上，则钢中二次渗碳体全部溶入奥氏体。淬火冷却后，除得到粗大的片壮马氏体外，还会得到较多的残余奥氏体。作为强化相的未溶渗碳体没有了而硬度低的残余奥氏体增多了。所以过共析钢过热淬火组织的硬度、耐磨性和韧性都不如正常淬火的组织，对于共析钢，其正常淬火温度当然是AC1+（30~50°C）。

表5-2 碳钢在退火及正火状态下的机械特性

性 能 硬 度（HB） 强度 σb（MN/m） 2

热处理状态 退 火 正 火 退 火 正 火 含 碳 量 （%） ≤0.1 ~120 130~140 300~330 340~360 0.2~0.3 150~160 160~180 420~500 480~550 0.4~0.6 180~230 220~250 560~670 660~760

为了使淬火加热组织（奥氏体）充分转变，并使其具有均匀的碳浓度，碳钢加热到淬火温度后，还应有一定的保温时间。在实验室中，通常是将加热炉升温到淬火温度，然后向炉内装入试样进行加热。当试样升温至炉温（即淬火温度）相同时，即进入保温阶段。保温时间与试样的有效尺寸（直径和厚度）有关。在箱式电阻炉中加热试样的加热保温“总时间”即试样自装炉到出炉的总时间。如果装炉试样较多，可能出现试样的相互接触甚至堆集情况时，应适当延长加热保温总时间。

表5-2 碳钢的临界点

型号 40 45 T10 T12

临 界 点 （近 似 值） °C AC1 724 724 730 730 AC3 790 780 ACcm 800 822 16

表5-3 碳钢在箱式电阻炉中的加热保温时间

加热温度°C 加 热 保 温 总 时 间 （分） 圆形试样每1毫米直径 方形试样每1毫米边长 3.0 2.2 1.5 1.2 0.6 600 700 800 900 1000 2.0 1.5 1.0 0.8 0.4

冷却速度是碳钢淬火过程中极重要的工艺规范。冷却速度不同，奥氏体的转变产物也不同。由下图可以看出，水冷时的冷却速度大于临界冷却速度VK ，冷却后得到马氏体组织，硬度最高；在油中冷却时，得到马氏体加屈氏体混合组织，其淬火硬度比水冷试样的淬火硬度低一些；而冷却是在空气或炉中进行时，奥氏体则完全分解为索氏体或珠光体，硬度进一步降低。

由上述可见，钢的冷却速度可以通过选择不同的冷却介质来控制。碳钢的奥氏体稳定性差，临界冷却速度大，通常要在冷却能力强的冷却介质中冷却才能得到马氏体组织，自来水和10%氯化钠水溶液是常用的碳钢淬火冷却介质。必须注意，水和水溶液的温度一般不能超过40°C，否则会降低其冷却能力。操作过程中如果因为不断的淬火冷却而使水温超过40°C时，则必须更换冷却水。

（二）淬火碳钢的回火

碳钢制件淬火后都必须进行回火处理，以减少或消除内应力，提高韧性，获得比较稳定的组织和性能。

回火是将已淬火的碳钢加热到A1以上某一温度，适当保温一段时间，然后空冷或炉冷至室温。在回火的保温和冷却过程中，淬火马氏体和残余奥氏体都要发生分解和分解产物的聚集长大。随着回火温度的升高，淬火碳钢的组织将依次得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体，淬火碳钢的硬度将依次降低，韧性将逐渐回升，内应力也逐渐趋于消除。

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低温回火的温度一般为150~250°C，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，它仍保留着原来马氏体的针片或板条状形态，性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。

表5-4 各种不同温度回火后的硬度值 （HRC）

回火温度（°C） 150~200°C 200~300°C 300~400°C 400~500°C 500~600°C 45钢 60~54 54~50 50~40 40~33 33~24 T8钢 64~55 55~45 55~45 45~35 35~27 T10钢 64~62 62~56 56~47 47~38 38~27 T12钢 65~62 65~57 57~49 49~38 38~28

中温回火的温度一般为350~500°C回火后的组织为极细颗粒的渗碳体加针状铁素体，即回火屈氏体，此时，钢的硬度有明显降低，而刚的弹性的韧性较高。

高温回火的温度一般500~650°C，回火后的组织为细粒状渗碳体加铁素体，即回火索氏体，淬火加高温回火又称调质，调质后钢的硬度降低较多，而韧性大幅度提高。 回火的加热保温时间主要根据试样的有效尺寸来确定。若采用到温入炉法回火时，有效尺寸在15mm以下的碳钢试样，自装入炉中算起，一般需要30~40分钟。

碳钢的回火冷却无特殊要求，一般可在空气中冷却。有时为了尽早测定回火硬度，也可在水中冷却。

（三）碳钢的退火

退火是将碳钢加热到临界点Ac1或Ac3以上20~40°C，适当保温一段时间后，缓冷至室温。由于冷却是缓慢进行的，因此转变产物基本上符合铁碳状态图的相变规律。

为达到改善组织的目的，亚共析钢必须进行“完全退火”即Ac3以上20~40°C保温足够时间，得到均匀细小的奥氏晶粒。以最终获得接近平衡状态的组织。

共析钢和过共析钢多采用“球化退火”。温度Ac1以上20~30°C缓冷时，自奥氏体中析出的渗碳体沿未溶的颗粒状渗碳体结晶，得到铁素体基体均匀分布着颗粒状渗碳体的组织，即“球化体”。

退火时的加热保温时间，在采用到温入炉法时，可按每1毫米直径或厚度加热保温1.2~1.5分钟估算。

退火时的冷却应当是缓慢的，只要冷速能控制在每小时100~200°C以下，便可获得满意的结果。箱式炉断电后冷速大约每小时30~120°C。所以随炉冷却是最常用的退火冷却方法。当退火缓冷至550~650°C时，奥氏体已完全分解转变。所以，可以出炉空冷或水冷，而不会影响奥氏体分解产物的组织状态，但却缩短了退火总时间。同理，采用等温退火法时，将加热后的试样放在另一温度稍低于Ar1的炉中停留一段或使原加热炉迅速冷却至稍低于Ar1的某一温度进行等温停留，待奥氏体分解完毕后，将试样从炉中取出，在空气中冷却至室温。

（四）碳钢的正火

正火就是把钢加热到Ac3 ，或ACCcm以上30~50°C，适当保温一段时间，然后在静止的空气中冷却至室温。由于正火的冷却速度比退火大，所以共析钢转变组织比退火的要更细密些。亚共析钢的正火组织为索氏体加铁素体，共析钢为索体，过共析钢则为索氏体加颗粒状渗碳体。

正火与退火相比，具有较高的硬度与韧性，且生产率也高，因此，除高碳钢外，碳钢一般都可采用正火代替退火，作为改善毛坯组织的预先热处理，在某些场合，正火也可作为最

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终热处理。

过共析钢正火后的组织是索氏体及少量二次渗碳体，硬度较高，不易切削加工，但正火可作为球化退火前消除网状渗碳体及魏氏体组织的预先热处理。 碳钢正火的加热保温时间可参照退火的估算方法。

[实现前的准备工作]

1. 实现前学生应认真阅读实验指导书。

2. 根据学生分组情况的要求，准备好试样，学生分到试样后，按要求用钢字头打号。 3. 操作前应组织学生学习有关安全守则。

[实验方法步骤]

1. 检查加热炉温度是否与实验要求相符。如发现问题，应在指导教师指导下进行调整。 2. 为了使各试样的编号与其热处理工艺相一致，应按照一定的顺序向加热炉内放置试样。加热保温完毕，再按一定顺序出炉冷却。

3. 炉内试样应互相间隔，距离不小于试样直径或厚度。不允许堆放或靠近炉门。 4. 试样经充分加热保温后，即可打开炉门，用夹钳夹试样迅速与水槽中冷却，并使试样在淬火介质中不断运动。

5. 淬火时不慎将试样掉在地上，应将试样重新加热一段时间后淬火冷却。 空冷的试样最后出炉。

炉冷的试样使其随炉缓冷在650°C左右，即可出炉空冷或水冷。

6. 全部试样测定洛氏硬度。试样在测定硬度前，用砂布打磨试样的被测表面和支撑面。 7. 将热处理实验的工艺参数 和硬度测定结果，写在黑板上，供全班同学抄写。

热处理实验分四部分进行，第一部分为加热温度的影响，第二部分为冷却介质的影响，第三部分为回火温度的影响，第四部分为含碳量的影响。 （一）加热温度的影响

正确选择加热温度是保证淬火质量的重要一环，淬火后时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据Fe—Fe3C相图确定，对亚共析钢，其加热温度应选择在Ac3+30~50°C，若加热温度不足（低于Ac3）则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低，过高的加热温度，不仅无助于强度硬度的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度及耐磨性的下降，需要指出，不论在退火、正火及淬火时，均不能任意提高淬火温度，温度过高晶粒容易长大，而且增加、氧化、脱碳和变形的倾向。

本实验选用45# 钢，分别给予4中不同的加热温度，经同一介质的冷却液，我们选用水进行淬火后，用洛氏硬度计检测其硬度值，观察不同加热温度对钢硬度值的影响。 （二）冷却介质的影响

本实验选择T8钢加热到淬火温度后，在不同的介质中，进行冷却，即空气、油冷、水冷、观察由于冷却介质的不同，对刚硬度的影响。 （三）回火温度的影响

1. 将加热炉的炉温分别降至600、400、200°C其调整方法是：完全打开炉门（炉温600°C以下时）部分打开炉门（600°C以上时）也可装入金属废料。必须注意，打开炉门降温时，由于冷空气进入，仪表指示温度往往比实际炉温低些，所以一定要等到仪表指示温度比要求炉温低30~50°C，再关闭炉门。 2. 将试样放入已到温的炉中，直径不超过15mm的试样总加热保温时间为30~45分钟，试样的冷却，水中空气中均可。 （四）含碳量的影响

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在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高，但含碳量大于0.8%的钢，淬火后硬度增加不明显。

本实验选用15#、45#、T8、T12钢，分别在其相应的温度进行加热，然后进行正常的淬火操作，请同学注意其硬度的变化，并分析应该得到的金相组织。

[实验的组织工作]

1. 本实验在教学大纲中规定为二学时，为了使实验进行的连贯完整，每3个同学负责一项实验。

2. 本实验主要市为机制专业的学生安排的，所以不要求学生自己磨制金相试样和观察金相组织。

3. 由于机制专业不要求讲授加热炉的构造和测温原理，所以上诉内容，仅供实验进行间隙时间指导教师讲解和学生自学用。

4. 实验中，要求操作的学生能力集中，不直接参加操作的学生能观看清楚。严禁嬉戏喧闹和擅离实验岗位。 学 号 1 2 3 4 冷却介质的 影响 回火温度的 影响 5 6 7 8 9 15 16 17 18 19 20 21 22 23 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 材料 45 45 45 45 T8 T8 T8 T8 T8 T8 15 45 T8 加热温度 700°C 820°C 860°C 950°C 820°C 820°C 820°C 820~200°C 820~400°C 820~600°C 950°C 860°C 820°C 820°C 保温冷却硬度值时间 介质 HRC 水 水 水 水 空 油 水 水 水 水 水 水 水 水 平均值 组织 规律 [实验报告及思考题]

1. 分析碳钢的淬火加热温度对显微组织的影响。 2. 淬火的冷却速度是否越快越好。举例说明。

3. 绘出钢的含碳量与淬火温度，以及硬度的关系曲线，并分析原因。

加热温度的 影响 10 24 11 25 含碳量12 26 的影响 13 27 14 28

42 T12 20

实验六 铁碳合金平衡组织观察

一、实验目的

1、初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。

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。

3、初步认识各种铁碳合金热处理后的显微组织特征。 二、实验概述

铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。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。我们可以根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织。从上图可见，碳钢和白口铁的室温组织均由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量，析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。 （一）铁碳合金室温下基本组织组成物的显微组织特征

各种铁碳合金在室温下的显微组织表

类型 工业纯铁 亚共析钢 碳共析钢 钢 过共析钢 含碳量（%） ≤0.02 0.02～0.8 0.8 0.8～2.11 显微组织 铁素体 铁素体+珠光体 珠光体 珠光体+二次渗碳体 侵蚀剂 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 苦味酸钠溶液，渗碳体变黑或呈棕红色 21

亚共晶白口铁 白口铸铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 2.11 ～4.3 4.3 4.3～6.69 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 莱氏体 莱氏体+二次渗碳体 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁。在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。 1． 铁素体（F）

铁素体是在碳在α—Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度较低，用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析刚中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围； 2.渗碳体(Fe-Fe3C)

渗碳体是铁和碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成黑色或棕红色，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：一次渗碳体是直接由液体中结晶出来的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏晶界分布；三次渗碳体是从铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微可忽略不计。 3.珠光体(P)

珠光体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状组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特性的珠光体组织。

各类组织组成物的机械性能表

性能 硬 度 HB 组成物 铁 素 体 渗 碳 体 片状珠光体 球状珠光体 60～90 750～820 190～230 160～190 抗拉强度σb端面收缩率Ψ相对延伸率δ（%） 60～75 —— 10～15 18～25 （%） 40～50 —— 9～12 18～25 冲击任性Ak（?） 160 ≈0 24～32 32～27 （MN/㎡ ） 120～230 30～35 860～900 650～750 高碳工具钢经球化退火处理后还可从中获得球状珠光体。

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4.莱氏体(Ld)

莱氏体是在室温时珠光体及二次渗碳体和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1147度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度以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起,从形式上难以区分。

(二)铁碳合金平衡组织的显微分析

Fe-Fe3C相图的各种合金,按其含碳量与平衡组织的不同,可分为工业纯铁,碳钢及白口铸铁3类。 1. 工业纯铁

纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量小于0.0218%的铁碳合金通常称为工业纯铁。它是两相组织,即由铁素体和少量渗碳体组成。 2.碳钢

碳钢含碳量在0.0218%~2.11%范围内的铁碳合金称为碳钢。按其含碳量与平衡组织的不同,可分为亚共析碳钢,共析碳钢和过共析碳钢3种。 (1)亚共析钢

亚共析钢的含碳量在0.0218%~0.8%范围内,其组织有铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加,铁素体的数量则相应的逐渐减少,而珠光体的数量则相应增多,两者的相对量可由杠杆定律求得。 (2)共析钢

含碳量为0.8%的碳钢称为共析钢,它由单一的珠光体组成。 (3)过共析钢

含碳量在0.8%~2.11%范围内的碳钢称为过共析钢,它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中的含碳量越多,二次渗碳体的数量越多。二次渗碳体呈网状分布于晶界上。 3.白口铸铁

白口铸铁是含碳量为2.11%~6.69%范围内的铁碳合金,按其含碳量及平衡组织的不同,又可分为亚共晶白口铸铁,共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁3种。 (1) 亚共晶白口铸铁

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含碳量为2.11%~4.3%范围内的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体,二次渗碳体和莱氏体。 (2) 共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的含碳量为4.3%,它室温下的组织是单一的共晶莱氏体组织,经侵蚀后,在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状,渗碳体呈亮白色。 (3) 过共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁含碳量为4.3%~6.69%范围内的白口铸铁称为过共晶白口铸铁,在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液侵蚀后,在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体。 三.实验设备及材料 1.金相显微镜 2.金相图谱

3.各种铁碳合金的金相显微试样 四.实验内容及步骤

1.认真观察各种材料的显微组织,识别各显微组织的特征。

2.在显微镜下选择各种材料的显微组织的典型区域,并根据组织特征,绘出其显微组织示意图。

3.记录所观察的各种材料的牌号或名称,显微组织,放大倍数及侵蚀剂,并把显微组织示意图中组织组成物用箭头标出其名称。

4.对指定钢样,根据显微组织中各组织所占面积,近似估算其平均含碳量及其钢号。 五.注意事项

1.在观察显微组织时,可先用低放大倍数全面的进行观察,找出典型组织,然后再用高放大倍数放大,对部分区域进行详细的观察。

2.在移动金相试样时,不得用手指触摸试样表面或将试样重叠起来,以免引起显微组织模糊不清,影响观察效果。

3.画组织图时,应抓住组织形态的特点,画出典型区域的组织,注意不要将磨痕或杂质画在图上。

4.认真完成实验报告。 六．实验报告及思考题

1.观察铁碳合金显微组织中的铁素体与渗碳体有哪几种形态？分别是什么情况下存在？ 2.根据所观察的显微组织近似确定和估算一种亚共析钢的含碳量。

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试验材料 显微组织示意图 组织组成物 侵蚀剂 放大倍数 25

实验八 洛氏硬度实验（1学时）

一．实验目的

1.了解洛氏硬度计的构造及使用方法； 2.初步掌握洛氏硬度值的测定方法； 3.初步建立碳钢含碳量与其硬度间的关系。 二．实验原理

洛氏硬度试验是用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1/16″(1.588mm)和1/8″(3.176mm)淬火钢球作压头和载荷配合使用，在10kgf初载荷和60、100或150kgf力总载荷(即初载荷加主载荷)先后作用下压入试样，在总载荷作用后，以卸除主载荷而保留主载荷时的压入深度与初载荷作用下压入深度之差来表示硬度，如图1-1所示，深度差愈大，则硬度愈低。

深度差h=h3-h1，即被用来表示试样硬度高低。 为了符合习惯上数值愈大硬度愈高的概念，因此被测试样的硬度值尚须用以下的公式加以似的的变换:

HR=K-(h3-h1)/C

式中:HR—洛氏硬度值，为无量纲数；K常数，当采用金刚石压锥时，K=100；当采用钢球压头时，K

=130；C—常数，表示指示器刻度盘上一个分度格相当于压头入试样的深度，C值恒等于0.002mm。

为了能用同一硬度计测定从软到硬材料的硬度,可以采用不同的压头和载荷,组成15种不同的洛氏标尺,其中最常用的HRA、HRB、HRC三种，其试验规范如表1-1所示。 三．实验操作步骤

1．据试样材料及预计硬度范围，选择压头类型和初、主载荷。

2．根据试样形状和大小，选择适宜工作台，将试样平稳地放在工作台上。 3．顺时针方向转动工作台升降手轮，将试样与压头缓慢接触。

4．加主载荷应在4～8秒内完成。待指针停止转动后，再将主载荷卸除。 5．逆时针方向旋转手轮，降下工作台，取下试样，或移动试样选择新的部位，

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继续进行实验。

图1-2 HRS-150型数显洛氏硬度计

四．实验注意事项

1．试样两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不小于3mm，在特殊情况下，这个距离可以减小，但不应小于直径的3倍。

2．为了获得较准确的硬度值，在每个试样上的试验点数应不小于三点（第一点不记），取三点的算术平均值作为硬度值。对于大批试样的检验，点数可以适当减少。

3．被测试样的厚度应大于压痕残余深度的十倍，试样表面应光洁平整，不得有氧化皮，裂缝及其它污物沾染。

4．要记住手轮的旋转方向，顺时针旋转时工作台上升，反之下降。特别在试验快结束时需下降工作台取下试样或调换试样位置的时候，手轮不得转错方向，否则手轮转错使工作台上升，就容易顶坏压头。

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表1-1常用的三种洛氏硬度实验规范

符号 压头类型 载荷kgf HRA 120°金刚石圆锥体 HRB 直径为1.588mm钢球 HRC 120°金刚石圆锥体 150 100 25—100 （相当HB60--230） 20—67 （相当HB230--700） 60 70—85 适用于测量硬质合金，表面淬火层或渗碳层 适用于测量有色金属，退火、正火钢等 适用于调质钢、淬火钢等 硬度值有效范围 使用范围 五．实验内容

项目 材 总料及 处理状态 压头 F/kgf(N) 载荷硬度标尺 试验规范 测得硬度值 第一次 第二次 第三次 平均硬度值

六．思考题

1.根据测定的试样硬度，分别绘出45钢、T12钢硬度与WC关系曲线图， 2.分析退火状态非合金钢WC与硬度间的关系。 3.比较45钢、T12钢淬火后硬度值与WC的关系。

4.根据以上实验分析，试推断：WC＝0.20%，WC＝2.0%的铁碳合金硬度比45钢、T12钢硬度高？还是低？

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实验九 布氏硬度实验（1学时）

一．实验目的

1．进一步加深对硬度概念的理解； 2．了解布氏硬度计的构造和作用原理； 3．熟悉布氏硬度的测定方法和操作步骤。 二．实验设备及材料

布氏硬度计、读数显微镜、试样（45钢、T12钢退火）一组。 三．试样的技术条件

1．试样的试验面应制成光滑平面，不应有氧化皮及污物。试验面应能保证压痕直径能精确测量，试样表面粗糙度Ｒa值一般不应大于0.8μm。

2．在试样制备过程中，应尽量避免由于受热及冷加工对试样表面硬度的影响。 3．布氏硬度试样厚度至少应为压痕深度的10倍。 4．试验温度一般在10～35℃范围内。 四．实验操作步骤

1．根据材料和布氏硬度范围由表2-1选择F/D２值，确定压头直径，载荷及载荷的保持时间。

2．将压头装在主轴衬套内，先暂时将压头固定螺钉轻轻地旋压在压头杆扁平处。

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3．将试样和工作台的台面揩擦干净，将试样稳固地放在工作台上，然后按顺时针方向转动工作台升降手轮使工作台缓慢上升，并使压头与试样接触，直到手轮与升降螺母产生相对运动时为止，接着再将压头固定螺钉旋紧。

4．准备就绪后施加载荷将钢球压入试样，施加载荷时间为２～８秒。钢铁材料试验载荷的保持时间为10～15秒；非铁金属为30秒；布氏硬度小于35时为60秒。

5．逆时针转动手轮，降下工作台，取下试样。

6．用读数显微镜在两个垂直方向测出压痕直径 图2-1 HBE-3000电子布氏硬

度计

d1和d2的数值，取平均值。

7.根据压痕平均直径，由“布氏硬度换算表”查得布氏硬度值。 五．实验注意事项

1．试样压痕平均直径d应在0.25D～0.6D之间，否则无效，应换用其它载荷做实验。

2．压痕中心距试样边缘距离不应小于压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍，布氏硬度小于35时，上述距离应分别为压痕平均直径的3倍和6倍。

3．为了获得较准确的硬度值，在每个试样上的试验点数应不小于三点（第一点不记），取三点的算术平均值作为硬度值。对于大批试样的检验，点数可以适当减少。

4．被测试样的厚度应大于压痕残余深度的十倍，试样表面应光洁平整，不得有氧化皮，裂缝及其它污物沾染。

5．要记住手轮的旋转方向，顺时针旋转时工作台上升，反之下降。特别在试验快结束时需下降工作台卸除初载荷，取下试样或调换试样位置的时候，手轮不得转错方向，否则手轮转错使工作台上升，就容易顶坏压头。 六．实验内容

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根据选用的实验规范和记录数据填写下表

项目试 验 规 范 材料 及处 理状态 直径F/N d/mm d/mm 钢 球 载荷 F/D2 换算成洛 实第一次 压痕 硬度 直径值HBS d/mm 直径值HBS 值HBS 验结第二次 平 均 压痕 硬度 硬 度 HRC HRB 果 氏硬度值

七．思考题

1.简述布氏硬度试验原理及使用范围。

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