材料工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)一金相試樣制備與組織觀察綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6h 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)及主要零部件的作用；學(xué)會(huì)正確使用顯微鏡，提高物像的質(zhì)量；了解顯 微鏡的維護(hù)方法。2學(xué)習(xí)金相試樣的制備方法；了解金相試樣質(zhì)量對(duì)金相分析的影響。3掌握二元鑄態(tài)合金的固溶體，共晶 （包括亞共晶和過共晶）和包晶組織的特征，能識(shí)別這些組織； 掌握Fe C合金平衡和非平衡組織的特征。二、實(shí)驗(yàn)容本次實(shí)驗(yàn)為綜合實(shí)驗(yàn)，要求綜合運(yùn)用金相顯微鏡和各種金相制樣設(shè)備學(xué)會(huì)各種不同試樣的金相制 樣要點(diǎn)，并能分析合金尤其是鐵碳合金的典型組織。實(shí)驗(yàn)分三階段進(jìn)行，首先熟悉金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)、操作方法和維護(hù)要求，

2、再進(jìn)行具體試樣的金相 試樣制備，第三步觀察分析常見二元合金和鐵碳合金的組織。實(shí)驗(yàn)中各階段每位同學(xué)獨(dú)立完成。通過 預(yù)習(xí)了解顯微鏡結(jié)構(gòu)、維護(hù)要求以及金相制樣方法和不同合金的組織特征，寫出實(shí)驗(yàn)步驟，然后到實(shí) 驗(yàn)室通過自己的操作體會(huì)各個(gè)過程。三、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料3.1實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備砂輪機(jī)、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、電吹風(fēng)、金相顯微鏡3.2實(shí)驗(yàn)材料試樣：鐵碳合金試樣及有色金屬合金試樣（用于組織觀察）；制備試樣材料選用碳鋼。 制樣材料：砂紙、拋光劑、拋光布、3-4%硝酸酒精、濾紙四實(shí)驗(yàn)原理4.1金相顯微鏡結(jié)構(gòu)與使用成像原理簡(jiǎn)單地說，成像原理就是將物像兩級(jí)放大。 如圖1 1所示。物AB經(jīng)物鏡放大成一倒立的實(shí)像 A

3、 ' B'，再經(jīng)目鏡放大成虛像 A ” B 。1）顯微鏡的放大倍數(shù)顯微鏡的放大倍數(shù)等于物鏡與目鏡放大倍數(shù)的乘積：1 250 M M物？M目f物f目f物, f目一一物鏡和目鏡的焦距；I顯微鏡的光鏡筒長(zhǎng)度放大倍數(shù)的選擇決定于組織的粗細(xì)和觀察的目的。放大倍數(shù)大，則組織清晰，但視域小，不能觀 察全貌，代表性受局限，放大倍數(shù)低，則效果完全相反，如圖1-2所示。在金相分析時(shí)，根據(jù)需要，往往高、低倍變換使用。圖1 1光學(xué)成像原理示意圖（a）低倍（b）高倍圖12 不同放大倍數(shù)下的帶狀組織2）顯微鏡的像差像差就是物點(diǎn)經(jīng)透鏡后不能聚焦于一點(diǎn)，而使像模糊不清的現(xiàn)象。像差越小，則物越清晰。像差 的大小

4、，不僅與顯微鏡的設(shè)計(jì)制造有關(guān)，而且與使用是否正確有關(guān)。主要的像差有色差、球差和像域 彎曲。（圖1使用球差：透鏡是球面，通過透鏡邊緣與中心的光線不聚焦于一點(diǎn)，使像模糊不清的現(xiàn)象叫球差 3）。使用顯微鏡時(shí)縮小孔徑光欄，可減輕球差，提高像的清晰度。色差：不同波長(zhǎng)的色光經(jīng)透鏡后，不能聚焦于一點(diǎn)，使像不清晰的現(xiàn)象叫色差（圖1 4）。顯微鏡時(shí)減輕色差的方法有二：一是采用單色光，二是根據(jù)物鏡的類型選用相應(yīng)的濾色片。像域彎曲：由于各種像差共同作用的結(jié)果，使垂直于光軸的物平面的像不是一平面，這種現(xiàn)象叫 像域彎曲（圖1 5）。像域彎曲對(duì)顯微攝影不利，所以攝影時(shí)，應(yīng)選擇經(jīng)過像域彎曲校正的平面消色差 物鏡或平面復(fù)消色

5、差物鏡。圖1 3球差示圖圖1 4色差示圖3）顯微鏡的分辨率顯微鏡能區(qū)分開的兩點(diǎn)間的最小距離叫分辨率，所以分辨率又可表示為d或d2N A2 sin光源波長(zhǎng)物鏡的孔徑角的 顯微鏡的分辨率。英語縮寫1/2，如圖1 6所示；sin叫物鏡的數(shù)值孔徑，表示物鏡的聚光能力, N.A表示顯微鏡的分辨能力或鑒別率。由上式可知提高分辨率的方法是：（1）用波長(zhǎng)短的光源；（2）增大孔徑光欄以增加有效的孔徑角;用折射率大的光介 物鏡與試樣間的介質(zhì)對(duì)光的折射率。圖1 5像域彎曲示圖圖16 孔徑角圖17 顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)圖圖1 8 顯微鏡結(jié)構(gòu)照明方式1）明場(chǎng)照明明場(chǎng)照明是最常用的一種照明方式，其光程如圖17所示。這種照明方式

6、，光線基本上是垂直地射入試樣表面。因此，只要試樣表面平滑，其像就是明亮的，故叫明場(chǎng)照明。試面上的劃痕，孔洞 則是暗黑的。2）暗場(chǎng)照明由明場(chǎng)變?yōu)榘祱?chǎng)的方法是：用環(huán)形光欄代替孔徑光欄，再在物鏡外套一弧形反射聚光器。暗場(chǎng)的 照明效果同明場(chǎng)相反。平滑磨面的像是暗黑的，而劃痕、凹坑則是明亮的。與明場(chǎng)相比，暗場(chǎng)的襯度好，分辨率高，能判斷非金屬類雜物的透明度和顏色。所以暗場(chǎng)是鑒別 非金屬夾雜物的一種不可缺少的照明方式。i£ 怦'H-4J金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)及主要零部件金相顯微鏡由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)三部分組成（圖1-8），主要部件作用如下：1）物鏡物鏡是決定物像質(zhì)量的主要部件。因?yàn)橄竦?/p>

7、校正情況不同，有不同類型的物鏡。 各類物鏡的用途不同,并要與不同的目鏡和濾色片配合，才能得到較好的物像質(zhì)量。為了提高分辨率，在物鏡與試樣之間加 松柏油等作介質(zhì)，這種物鏡叫油浸物鏡。油鏡一般是高倍物鏡。物鏡上標(biāo)有放大倍數(shù)，數(shù)值孔徑和物鏡類型，油鏡上還標(biāo)有"oil”字樣。2）目鏡目鏡的作用是將物鏡成的像再次放大成虛像或?qū)嵪瘛?）光欄孔徑光欄：其位置在光源聚光器之后。其作用是提高物像質(zhì)量。增大孔徑光欄，可提高分辨率， 但球差也增大，像的清晰度下降、襯度下降，所以不能過大，也不能過小?？筛鶕?jù)像的清晰度、襯度 和分辨率適當(dāng)調(diào)節(jié)。視場(chǎng)光欄：其位置在孔徑光欄之后。視場(chǎng)光欄不影響像的清晰度和分辨率，

8、只能改變視場(chǎng)大小， 提高襯度。4）濾色片濾色片作用主要有三：（1）減少色差，提高像的清晰度；提高分辨率； 制成彩色金相試樣,而采用黑白底片攝影時(shí)，選用適當(dāng)?shù)臑V色片，可提高照片的襯度。4.2金相試樣的制備金相試樣質(zhì)量，直接關(guān)系著金相檢查的結(jié)論的可靠性。因此，必須十分重視制樣，金相試樣磨面 必須平整、光滑、組織真實(shí)清晰。421金相試樣觀察原理顯示金屬組織的基本原理是：由于金屬部原子結(jié)構(gòu)有著一定的排列規(guī)則，晶粒和晶界之間、不同 位向的晶粒之間、不同的相之間的物理或化學(xué)性質(zhì)不同，經(jīng)一定物理或化學(xué)作用后，對(duì)光線的反射能 力不同或干涉色不同， 因而在顯微鏡下觀察時(shí)， 明暗度不同或顏色不同。 制樣時(shí)首先把金

9、屬表面磨平, 再選用適當(dāng)?shù)母g劑進(jìn)行腐蝕，在晶界、相界等原子排列較紊亂的地方會(huì)容易被腐蝕，使晶?；蚋飨?得以顯示出來。而單相組織較難被腐蝕，此外由于在同一平面不同晶粒表現(xiàn)出的位向不同，在顯微鏡 下可以觀察出不同的形貌特征，根據(jù)這項(xiàng)特征可以觀察和分析金屬晶粒的大小、組織分布的特征等。422金相試樣制備過程1) 取樣取樣的方法有砂輪片切割、鋸、線切割等等。取樣必須有代表性，能反映真實(shí)的組織，能說明需 要說明的問題。因此，取樣必須注意以下問題：部位和方向應(yīng)根據(jù)金相分析的目的合理選擇。如檢查軋制的鋼材有無帶狀組織。必須縱向切取，才能說明有無帶狀，如圖 2 1所示。檢查高速鋼鍛造后的碳化物級(jí)別，必須取半

10、徑的1/2處。總之,檢查容各不相同，取樣部位和方向就靈活多樣。切取時(shí)嚴(yán)防試樣溫度升得過高。以免組織變化，所以 必須水冷。試樣尺寸不能過大或過小，以利制樣操作。圖2 1同一試樣不同方向的組織2) 試樣的鑲夾試樣一般不需要鑲嵌。但試樣太小或太薄如細(xì)絲、薄片細(xì)管等，或檢查表層組織不允許倒角，制 樣時(shí)比較困難，則必須將它夾持或鑲嵌在另一材料中。鑲嵌材料可以是塑料，也可以是低熔點(diǎn)金屬。 方法有熱壓法和澆注法。目前一般用電木粉鑲嵌，采用專門的金相鑲嵌機(jī)。3) 磨平磨平是用磨料將試樣表面凸出的部分磨削去除，使其平整。磨的步驟是先用砂輪磨，后用砂紙由 粗到細(xì)地磨。用砂輪磨時(shí)用力要小，并經(jīng)常用水冷卻；用砂紙磨時(shí)

11、由粗到細(xì)逐次磨制，可將砂紙鋪于 平板玻璃上，進(jìn)行手工磨制，也可將砂紙鋪在預(yù)磨機(jī)的盤上，當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，就可進(jìn)行機(jī)械磨制，采用 水砂紙時(shí)要不斷地加水冷卻。磨制應(yīng)注意以下問題：(1) 試樣必須拿平，試樣磨面必須均勻地與砂輪或砂紙接觸，使試樣磨成一個(gè)平面，而不能磨成曲 面。(2) 用力不能太大，以防試樣溫度升得過高引起組織變化。(3) 必須待前道砂紙的磨痕完全去除后，才能換更細(xì)的砂紙。換砂紙時(shí)，應(yīng)將試樣和手上的砂粒除 凈，同時(shí)將試樣旋轉(zhuǎn)約 90°角度。(4) 試樣的邊緣的棱角如沒有保留的必要應(yīng)在拋光前磨圓(倒角)，以免拋光時(shí)劃破拋光布。4) 拋光拋光的目的是去除砂紙的磨痕。得到光滑的平面。拋光

12、的方法有機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光、 機(jī)械電解拋光、機(jī)械化學(xué)拋光。本實(shí)驗(yàn)采用最常用的機(jī)械拋光法。機(jī)械拋光是在專用拋光機(jī)上進(jìn)行，拋光盤上鋪以拋光織物。如帆布、絲綢、呢絨等，再澆以拋光 粉（C2O3或Al 2O3）的懸濁液，即可進(jìn)行拋光，拋光過程中，將試樣均勻平整地壓在拋光盤上，壓力不 宜過大，并沿盤中心到邊沿不斷作徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。拋光時(shí)間一般是 35分鐘，當(dāng)磨痕消失而呈現(xiàn)光亮的鏡面時(shí)，即可停止拋光，并將試樣清洗干凈。5）組織的顯示經(jīng)拋光后的試樣，只能觀察到石墨、非金屬夾雜物、孔洞、裂縫等。若要觀察組織，必須用一定 方法將其顯示出來。顯示組織的方法有化學(xué)浸蝕法、電解浸蝕法、氣相沉積法、熱蝕法、恒電

13、位法等等，本實(shí)驗(yàn)用最 常用的化學(xué)浸蝕法。顯示組織的化學(xué)試劑有酸、堿、鹽類及某些溶劑（水或有機(jī)溶劑作緩蝕劑）。將上述試劑適當(dāng)配合，即成金相試劑。金相試劑成分的選擇決定于試樣的成分，組織狀態(tài)和檢查 的目的。具體選用時(shí)，可查閱有關(guān)手冊(cè)。應(yīng)用最廣泛的是35%硝酸酒精溶液和苦味酸酒精溶液。化學(xué)浸蝕時(shí)，將磨面浸入試劑中，或用脫脂棉蘸試劑涂擦試樣磨面，浸蝕深淺根據(jù)組織特點(diǎn)和觀 察倍數(shù)來確定。一般是磨面變灰即可，試樣經(jīng)浸蝕后必須經(jīng)水沖洗、再用吸水紙吸水電吹風(fēng)吹干后才 能在顯微鏡下觀察。若組織完全清晰可見，浸蝕就合適。若組織未完全顯示出來，應(yīng)再加浸蝕，若浸 蝕過度，則應(yīng)重新拋光后再浸蝕。4.3合金組織觀察與分析

14、二元合金鑄態(tài)組織特征1 ）單相固溶體組織的特征單相固溶體平衡組織就是一個(gè)個(gè)的晶粒，如圖31（左）所示。而非平衡組織存在枝晶偏析的特點(diǎn)：由于成分偏析枝晶軸與軸間成分不同，因而浸蝕程度不同，在顯微下觀察明暗度也不同，如圖31（右）所示，很易誤認(rèn)為是兩相組織，應(yīng)特別注意與兩相組織區(qū)分開。圖3 1單相固溶體組織示意圖2 ）共晶型組織特征（1）共晶體特征: 地分布于連續(xù)相中,（a）層片狀二元合金的共晶體是兩相的均勻混合物，其中一個(gè)相是連續(xù)相，另一個(gè)相則孤立 按孤立相的形態(tài)，共晶組織有層片狀，短棒狀和針狀（圖3 2）（b）短棒狀（c）針狀圖3 2共晶組織形態(tài)示意圖（2）亞共晶和過共晶組織特征：亞共晶和過共

15、晶組織是由初生晶和共晶體組成，初生晶粗大，而且具有樹枝狀形態(tài)或直邊多邊形，如三角形、四邊形、長(zhǎng)直條狀，。共晶體分布于初生晶之間。當(dāng) 共晶體量很少時(shí)，呈連續(xù)或斷續(xù)網(wǎng)狀，甚至呈離異共晶（圖3 3）。文檔圖3 3亞共晶及過共晶組織形態(tài)以上組織特征是二元合金鑄態(tài)組織形態(tài)，除非平衡組織外，平衡鑄態(tài)組織特征是不能用熱處理方 法改變的，但可用鍛軋等壓力加工方法改變組織。432鐵碳合金平衡組織特征概述不同成分的Fe-C合金的平衡組織都是由鐵素體、滲碳體、珠光體和萊氏體組成，其區(qū)別僅在于分 布形態(tài)和數(shù)量不同。根據(jù)各組成物的形態(tài)、分布和數(shù)量就可判斷和識(shí)別組織及含碳量。1 鐵素體：鐵素體有兩種形態(tài)和分布：一是呈游離

16、狀的不規(guī)則多邊形。如工業(yè)純鐵組織（圖3-4）和 亞共析鋼中的鐵素體（圖3-6）。二是與滲碳體呈層狀相間排列，這就是珠光體中的鐵素體 （圖3-5所示）。2 滲碳體：滲碳體的分布和形態(tài)有：工業(yè)純鐵中的Fe3C（圖3-4）沿鐵素體晶界分布，呈細(xì)條狀；過共析鋼中的Fe3Cn（圖3-7）沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布；珠光體中的共析Fe3C （圖3-5）與鐵素體呈片層狀相間分布；過共晶白口鐵中的Fe3C i（圖3-10）游離的滲碳體，呈直條狀：萊氏體中的滲碳體（圖3-8）是作圖3-7過共析鋼組織圖3-8共晶白口組織圖3-9亞共晶白口鐵組織（圖3-9），其組織分布形態(tài)有，呈樹枝狀分（圖3-9）;呈塊狀與鐵素體塊混

17、合，即亞共析鋼3 珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體片的機(jī)械混合物 布，如亞共晶白口鐵中由初生晶奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體中的珠光體（圖3-6）;珠光體呈粒狀與滲碳體混合而成萊氏體（圖3-8）。必須指出，在顯微鏡下觀察珠光體時(shí)，當(dāng)片層粗大時(shí)，可見滲碳體與鐵素體的相界線，則滲碳體為白亮的片狀（用硝酸酒精浸蝕），若片層較小或放大倍數(shù)低時(shí)，則滲碳體為一條黑線；若片層很小， 或放大倍數(shù)很小時(shí)，連珠光體的片層狀也不能分辨，則為黑暗的一片，所以FeC合金的平衡組織中片層狀組織或黑色區(qū)域都是珠光體。433鐵碳合金非平衡組織特征概述鐵碳合金經(jīng)緩冷后的顯微組織基本上與鐵碳相圖所預(yù)料的各種平衡組織相符合，但碳鋼在非平衡 狀

18、態(tài)，即在快冷條件下的顯微組織就不能用鐵碳合金相圖來加以分析，而應(yīng)由過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲 線圖一C曲線來確定。按照不同的冷卻條件，過冷奧氏體將在不同的溫度圍發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變。通 過金相顯微鏡觀察，可以看出過冷奧氏體各種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)各不相同。共析碳鋼過冷奧氏體在 不同溫度轉(zhuǎn)變的組織特征及性能如表 31所示。表3 1共析碳鋼（T8）過冷奧氏體在不同溫度轉(zhuǎn)變的組織及性能轉(zhuǎn)變類 型組織名稱形成溫度 圍C ）金相顯微組織特征硬度(HRC)珠光體型相變珠光體（P）> 650在400500倍金相顯微鏡下可觀察到鐵素體和滲碳體的片層 狀組織20(180 200HB)索氏體（S）600650在800

19、1000倍以上的顯微鏡才能分清片層狀，在低倍下片層 模糊不清25 35屈氏體仃）550600用光學(xué)顯微鏡觀察時(shí)呈黑色團(tuán)狀織，只有在電子顯微鏡（500015000X ）下才能看出片層組織35 40貝氏體型相變上貝氏體（B）350550在金相顯微鏡下呈暗灰色的羽毛狀特征40 48下貝氏體（B）230350在金相顯微鏡下呈黑色針葉狀特征48 58馬氏體 型 相變馬氏體（M）V 230在正常淬火溫度下呈細(xì)針狀馬氏體（隱晶馬氏體），過熱淬火時(shí)則呈粗大片狀馬氏體62 651 鋼的退火和正火組織屬于亞共析成分的碳鋼（如40、45鋼等）一般采用完全退火，經(jīng)退火后可得到接近于平衡狀態(tài)的組 織，其組織特征已在鐵碳

20、合金平衡組織觀察中加以分析和觀察。過共析成分的碳素工具鋼（如T10、T12鋼等）則都采用球化退火，T12鋼經(jīng)球化退火后組織中的二次滲碳體及珠光體中的滲碳體都將變成顆粒 狀，圖3-19中均勻而分散的細(xì)小粒狀組織就是粒狀滲碳體。45鋼經(jīng)正火后的組織（圖3-17）通常要比退火的細(xì)，珠光體的相對(duì)含量也比退火組織（圖3-19）中的多，原因在于正火的冷卻速度稍大于退火的冷卻速度。圖3-17 45鋼退火組織組織圖3-18 45鋼正火組織圖3-19 T12鋼球化退火組織2 鋼的淬火組織將45鋼加熱到760C （即Ac1以上，但低于Ac3），然后在水中冷卻，這種淬火稱為不完全淬火。根據(jù) Fe Fe3C相圖可知，

21、在這個(gè)溫度加熱，部分鐵素體尚未溶入奧氏體中。經(jīng)淬火后將得到馬氏體和鐵素 體組織。在金相顯鏡中觀察到的是呈暗色針狀馬氏體基底上分布白色塊狀鐵素體。低碳鋼淬火后得到板條馬氏體（圖3-20）; 45鋼經(jīng)正常淬火（圖3-21）后將獲得細(xì)針狀馬氏體。由于馬氏體針非常細(xì)小，在顯微鏡中不易分清。若將45鋼加熱到正常淬火溫度，然后在油中冷卻，則由于冷卻速度不足（V冷VVk,得到的組織將是馬氏體和部分屈氏體（或混有少量貝氏體）。45鋼經(jīng)加熱到860 C后油冷的顯微組織（圖3-22），亮白色為馬氏體，呈黑色塊狀分布于晶界處的為屈氏體，鋼在Ms點(diǎn)以上溫度淬火時(shí)，還會(huì)得到B上（圖3-23）和B下（圖3-24）組織。T

22、12鋼在正常溫度淬火后的顯微組織，除了細(xì)小的馬氏體外尚有部分未溶入奧氏體中的滲碳體（呈亮白色顆粒）。若將淬火溫度提高到1000 c（過熱淬火），由于奧氏體晶粒的粗化，經(jīng)淬火后將得到粗大針 狀馬氏體組織。并且還有一定數(shù)量（1530%）的殘余奧氏體（呈亮白色）存在于馬氏體針之間（圖 3-25）。圖3-23上貝氏體組織圖3-24下貝氏體組織圖3-25 T12鋼過熱淬火組織3 鋼的回火組織鋼經(jīng)淬火后所得到的馬氏體和殘余奧氏體均為不穩(wěn)定組織，它們具有向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體的 兩相混合物組織轉(zhuǎn)變的傾向。通過回火將鋼加熱，提高原子活動(dòng)能力，可促進(jìn)這個(gè)轉(zhuǎn)變過程的進(jìn)行。淬火鋼經(jīng)不同溫度回火后所得到的組織不同，通

23、常按組織特征分為以下三種：a回火馬氏體淬火鋼經(jīng)低溫回火（150250C ）,馬氏體的過飽和碳原子脫溶沉淀，析出與母相保持著共格聯(lián)系的£碳化物，這種組織稱為回火馬氏體?；鼗瘃R氏體仍保持針片狀特征，但容易受浸蝕，故顏色要比淬 火馬氏體深些，是暗黑色的針狀組織。b回火屈氏體淬火鋼經(jīng)中溫回火（350500C ）,得到在鐵素體基體中彌散分布著微小粒狀滲碳體的組織，稱為回火屈氏體?；鼗鹎象w中的鐵素體仍然基本保持原來針狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體則呈細(xì)小的顆粒狀， 在光學(xué)顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用電子顯微鏡可以看到這些滲碳體質(zhì)點(diǎn)，并可以看出回 火屈氏體仍保持有針狀馬氏體的位向。C回火索氏體淬

24、火鋼高溫回火（500650C ）得到的組織稱為回火索氏體，其特征是已經(jīng)聚集長(zhǎng)大了的滲碳體顆 粒均勻分布在鐵素體基體上。用電子顯微鏡可以看出回火索氏體中的鐵素體已不呈針狀形態(tài)而成等軸 狀。五實(shí)驗(yàn)步驟1、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)時(shí)間預(yù)約；2、金相顯微鏡操作步驟1 選擇并裝好物鏡和目鏡。轉(zhuǎn)換物鏡時(shí)用力要輕，不能碰撞到載物臺(tái)；2 將金相試樣放在載物臺(tái)上，正對(duì)物鏡。試樣必須無水和拋光粉等物；。3 接通照明電源。照明燈泡一般是6V、12V、50V等。4 調(diào)節(jié)焦距，使物像清晰。應(yīng)先粗調(diào)至物像基本可見時(shí)，再微調(diào)。使用高倍物鏡，應(yīng)特別注意 物鏡與試樣相碰。避免壓碎物鏡；5 移動(dòng)載物臺(tái)，選擇需觀察的視場(chǎng)，進(jìn)行觀察分析；6

25、實(shí)驗(yàn)完成關(guān)上電源，取下試樣，整理顯微鏡，使其復(fù)原；3、每個(gè)人完成至少一個(gè)金相試樣的制備；實(shí)驗(yàn)步驟見前述實(shí)驗(yàn)原理部分；試樣制備好后應(yīng)選擇適當(dāng)放大倍數(shù)觀察組織，注意組織的特點(diǎn)，在040mm的圓畫下來。4、觀察分析鐵碳合金平衡與非平衡組織并畫出組織形貌圖；5、完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)老師檢查，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后須經(jīng)老師簽字同意后離開實(shí)驗(yàn)室。六實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 顯微鏡室必須保持清潔、干燥，必須換鞋才能進(jìn)入；2. 不能隨意拆卸顯微鏡及其零部件；3. 鏡頭等光學(xué)零部件上的灰塵及污物，不能用嘴吹或手巾擦，只能用專用的毛刷或鏡頭紙擦；4. 在觀察顯微組織時(shí)，可先用低倍全面地進(jìn)行觀察，找出典型組織，然后再用高倍放大，

26、對(duì)部分區(qū) 域進(jìn)行詳細(xì)地觀察。5. 在移動(dòng)金相試樣時(shí)，不得用手觸摸試樣表面或?qū)⒃嚇又丿B起來，以免引起顯微組織模糊不清，影 響觀察。6. 畫組織圖時(shí)，應(yīng)抓住組織形態(tài)的特點(diǎn)，畫出典型區(qū)域的組織，不要將磨痕或雜線畫在圖上。7. 實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備操作規(guī)程和實(shí)驗(yàn)室工作條例，保證自身安全和他人安全，保證設(shè)備正 常，有異常及時(shí)與實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)老師聯(lián)系。8. 每組實(shí)驗(yàn)完畢，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行清掃，維護(hù)好實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、寫明制樣過程出現(xiàn)的問題，取樣注意事項(xiàng)；評(píng)價(jià)本人制樣質(zhì)量，存在缺點(diǎn)，分析產(chǎn)生的原因。2、說明不同放大倍數(shù)下觀察的效果和放大倍數(shù)選擇的原則；寫出金相顯微鏡的操作注意事項(xiàng)；3、

27、合金組織觀察與分析：畫出所要求觀察的合金試樣的組織圖，圖中標(biāo)明各組織組成物，注明金相試劑。 談?wù)勛约簩?shí)驗(yàn)體會(huì)與心得。4、實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)寫明實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、指導(dǎo)老師等，填寫工整，條理清楚，在實(shí)驗(yàn)完成后一周必 須交給相關(guān)實(shí)驗(yàn)老師。八思考題預(yù)習(xí)1簡(jiǎn)述金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用時(shí)的注意事項(xiàng)。2簡(jiǎn)述金相試樣制備的過程及各操作步驟注意要點(diǎn)。3簡(jiǎn)述二元鑄態(tài)合金常見組織組成物種類和組織特點(diǎn)4簡(jiǎn)述Fe-C合金平衡組織中常見組織組成物種類和組織特點(diǎn)5簡(jiǎn)述材料進(jìn)行熱處理的目的6簡(jiǎn)述碳鋼常見的熱處理方式及對(duì)應(yīng)熱處理工藝處理后顯微組織及性能特點(diǎn)課后1畫出鐵碳相圖，并分析含碳量對(duì)碳鋼平衡組織的影響。2分析碳鋼平衡組織滲碳體的

28、幾種形態(tài)及形成條件。3比較共析鋼過冷奧氏體在不同形成溫度時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織特征；比較碳鋼的正火與退火組織之間、淬火與回火組織之間組織差異。4完整的記錄金相試樣的制備過程，寫明制樣過程出現(xiàn)的問題，說明取樣注意事項(xiàng)； 評(píng)價(jià)本人制樣質(zhì)量，存在什么缺點(diǎn)，分析產(chǎn)生的原因。實(shí)驗(yàn)記錄 （用鉛筆在記錄紙上繪出觀察到的顯微組織示意圖，并標(biāo)明試樣材料、組織組成物、放大倍數(shù)）.1.1、實(shí)驗(yàn)用試樣序號(hào)材料熱處理狀態(tài)組織特征腐蝕劑P1工業(yè)純鐵等溫退火F+Fe3 54%硝酸+酒精P220等溫退火F+P （少量）4%硝酸+酒精P345等溫退火F+P4%硝酸+酒精P4T8等溫退火P （片層狀）4%硝酸+酒精P5T12等溫退火P

29、 +Fe3C n4%硝酸+酒精P6T8球化退火P （球狀）4%硝酸+酒精P7亞共晶白口鐵鑄態(tài)P +Fe3Cn+Le'4%硝酸+酒精P8共晶白口鐵鑄態(tài)Le，4%硝酸+酒精P9過共晶白口鐵鑄態(tài)Fe3C i +Le '4%硝酸+酒精1.2、畫出顯微組織特征并在圖中注明各組織組成物放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：.2.1實(shí)驗(yàn)用試樣序號(hào)材料熱處理狀態(tài)組織特征腐蝕劑F020920 C淬火M（板條）4%硝酸+酒精F145等溫退火F+P4%硝酸+酒

30、精F245正火F+P4%硝酸+酒精F345760 C淬火M（細(xì)針）+ F4%硝酸+酒精F445850 C淬火M（細(xì)針）4%硝酸+酒精F545850 C油淬M（細(xì)針）+T4%硝酸+酒精F745850 C淬火，低溫回火回火M（細(xì)針）4%硝酸+酒精F10T12球化退火P （球狀）4%硝酸+酒精F11T12760 C淬火M（細(xì)針）+球狀碳化物4%硝酸+酒精F12T121000 C淬火M（粗片）+殘余A4%硝酸+酒精2.2畫出顯微組織特征并在圖中注明各組織組成物放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：材料名稱組織組成：放大倍數(shù)：材料名稱：組織組成：放大倍

31、數(shù)：材料名稱：組織組成：實(shí)驗(yàn)二熱處理綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8h 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次綜合實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)通過金相技術(shù)分析判別不同材料；并了解不同材料，尤其是鋼在加熱、冷 卻以及回火過程中發(fā)生的組織和性能的變化；熟悉熱處理設(shè)備、金相制樣設(shè)備和硬度計(jì)的操作和應(yīng)用；熟悉常規(guī)熱處理工藝并利用所學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)熱處理缺陷進(jìn)行分析。二、實(shí)驗(yàn)容本次實(shí)驗(yàn)為綜合實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)同學(xué)們以組為單位，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)過程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn) 行綜合分析，本實(shí)驗(yàn)需要綜合運(yùn)用定量金相、熱處理工藝、硬度測(cè)試和金相組織分析等知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)要求同學(xué)分組后，以組為單位，先到實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)取不同試樣運(yùn)用所學(xué)知識(shí)判定材料類型后， 小組討論制定實(shí)

32、驗(yàn)方案、目的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，并說明預(yù)期效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)好后，需以班為單位提前2周與實(shí)驗(yàn)室老師預(yù)約具體時(shí)間，并將實(shí)驗(yàn)參數(shù)報(bào)給實(shí)驗(yàn)老師，確定其可行性；預(yù)約后若未按時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取消本次實(shí)驗(yàn)資格，不予補(bǔ)做。三、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料3.1實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備材料成型實(shí)驗(yàn)室：箱式電爐及控溫儀表；淬火水槽；洛氏硬度計(jì)、材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室：洛氏硬度計(jì)、顯微硬度計(jì)、金相顯微鏡、砂輪機(jī)、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、電吹風(fēng)、牛伏特顯微鏡、圖 象分析系統(tǒng)。3.2實(shí)驗(yàn)材料試樣：20鋼，45鋼，T10鋼，T10鋼，60鋼試樣冷卻劑：水，油（使用溫度約20 C ）制樣材料：砂紙、拋光劑、拋光布、硝酸酒精、相紙四

33、實(shí)驗(yàn)原理熱處理是一種很重要的金屬熱加工工藝方法，也是充分發(fā)揮金屬材料性能潛力的重要手段。熱處理的主要目的是改變鋼的性能，其中包括使用性能及工藝性能。鋼的熱處理工藝特點(diǎn)是將鋼加熱到一 定的溫度，經(jīng)一定時(shí)間的保溫，然后以某種速度冷卻下來，通過這樣的工藝過程能使鋼的性能發(fā)生改 變。熱處理之所以能使鋼的性能發(fā)生顯著變化，主要是由于鋼的部組織結(jié)構(gòu)可以發(fā)生一系列變化。采用不同的熱處理工藝過程，將會(huì)使鋼得到不同的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的性能。4.1鋼的退火和正火鋼的退火通常是把鋼加熱到臨界溫度Ac1或Ac3以上，保溫一段時(shí)間，然后緩慢地隨爐冷卻。此時(shí)奧氏體在高溫區(qū)發(fā)生分解而得到比較接近平衡狀態(tài)的組織。一般

34、中碳鋼（如40、45鋼）經(jīng)退火后組織穩(wěn)定，硬度較低（HB180220）有利于下一步進(jìn)行切削加工。正火則是將鋼加熱到 Ac3或A cm以上3050C,保溫后進(jìn)行空冷。由于冷卻速度稍快，與退火組織相比，組織中的珠光體相對(duì)量較多，且片層較細(xì)密，所以性能有所改善。對(duì)低碳鋼來說，正火后 提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光潔度；對(duì)高碳鋼則正火可消除網(wǎng)狀滲碳體，為下一步球 化退火及淬火作準(zhǔn)備。不同含碳量的碳鋼在退火及正火狀態(tài)下的強(qiáng)度和硬度值見表1所示。4.2鋼的淬火所謂淬火就是將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上3050 C,保溫后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻（V冷應(yīng)大于V臨），以

35、獲得馬氏體組織。碳鋼經(jīng)淬火后的組織由馬氏體及一定數(shù)量 的殘余奧氏體所組成。表1碳鋼在退火及正火狀態(tài)下的機(jī)械性能性能熱處理狀態(tài)含碳量（）< 0.10.20.30.4 0.6硬度退火120150160180230(HB)正火130140160180220250強(qiáng)度b b退火300330420500560670(MN/m 2)正火340360480550660700（1）淬火溫度的選擇正確選定加熱溫度是保證淬火質(zhì)量的重要一環(huán)。淬火時(shí)的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，可根據(jù)Fe Fe3C相圖確定。對(duì)亞共析鋼，其加熱溫度為 Ac3 + 3050C,若加熱溫度不足（低于Ac3）, 則淬火組織中將出

36、現(xiàn)鐵素體而造成強(qiáng)度及硬度的降低。對(duì)過共析鋼，加熱溫度為Ac1 + 3050C,淬火后可得到細(xì)小的馬氏體與粒狀滲碳體。后者的存在可提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度（如超過Acm）不僅無助于強(qiáng)度、硬度的增加，反而會(huì)由于產(chǎn)生過多的殘余奧氏體而導(dǎo)致硬度和耐磨性的下 降。需要指出，不論在退火、正火及淬火時(shí)，均不能任意提高加熱溫度。溫度過高晶粒容易長(zhǎng)大，而且增加氧化脫碳和變形的傾向。各種不同成分碳鋼的臨界溫度列于表2中。（2）保溫時(shí)間的確定淬火加熱時(shí)間實(shí)際上是將試樣加熱到淬火溫度所需的時(shí)間及在淬火溫度停留所需時(shí)間的總和。加熱時(shí)間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所用的加熱介質(zhì)、加熱方法等因素有關(guān)，一般按照經(jīng)

37、驗(yàn)公式加 以估算，碳鋼在電爐中加熱時(shí)間的計(jì)算列于表3。（3）冷卻速度的影響冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它直接影響到鋼淬火后的組織和性能。冷卻時(shí)應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷 卻速度，以保證獲得馬氏體組織；在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減小應(yīng)力，防止變形和開裂。為此，可根據(jù) C曲線圖（如圖1 1 所示），使淬火工件在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度圍（650550 C ）進(jìn)行快冷（即與C曲線的“鼻尖”相切），而在較低溫度（300100C ）時(shí)的冷卻速度則盡可能小些。為了保證淬火效果，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)（如水、油等）和冷卻方法（如雙液淬火、分級(jí)淬火等 ）。不同的冷卻介質(zhì)不同的溫度圍的冷卻能力有所差別。各種冷卻介質(zhì)的

38、特性見表4。冷卻介質(zhì)在下列溫度圍的冷卻速度(C /秒)650550C300200 C18C的水60027026 C的水50027050 C的水10027074 C的水3020010%NaCI 水溶液(18 C )110030010%NaOH 水溶液(18 C )120030010%Na2CO3水溶液(18C )800270礦物機(jī)器油（50 C ）15030變壓器油（50C ）12025表4幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力表2名種碳鋼的臨界溫度（近似值）類別鋼號(hào)臨界溫度C）AciAcl3 或 A ccmAr1Ar3碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼 碳 素 工 具/、 鋼20735855680835307328136

39、7779640724790680760457247806827505072576069072160727766695743T7730770700T8730700T10730800700T127308207003碳鋼在箱式爐中加熱時(shí)間的確定加熱 溫度（C）工作形狀圓柱形方形板形保溫時(shí)間分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度7001.52.23800101524.3鋼的回火鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織質(zhì)硬而脆，并且工件部存在很大的應(yīng)力，如果直接進(jìn)行磨削加工往往會(huì)出現(xiàn)龜裂；一些精密的零件在使用過程中將會(huì)引起尺寸變化而失去精度，甚至開裂。因此淬火鋼必須進(jìn)行回火處理。

40、不同的回火工藝可以使鋼獲得所需的各種不同性能。表5為45鋼淬火后經(jīng)不同溫度回火后的組織性能。表545鋼經(jīng)淬火及不同溫度回火后的組織和性能類型回火溫度C)回火后的組織回火后硬度(HRC)性能特點(diǎn)低溫回火150250回火馬氏體+殘余奧氏體+碳 化物50 57高硬度，應(yīng)力減小中溫回火350500回火屈氏體35 45硬度適中，有高的彈性高溫回火500650回火索氏體20 33具有良好塑性、韌性和一定強(qiáng)度 相配合的綜合性能對(duì)碳鋼來說，回火工藝的選擇主要是考慮回火溫度和保溫時(shí)間這兩個(gè)因素?；鼗饻囟龋涸趯?shí)際生產(chǎn)常以圖紙上所要求的硬度要求作為選擇回火溫度的依據(jù)。各種鋼材的回火溫度與硬度之間的關(guān)系曲線可從有關(guān)手

41、冊(cè)中查閱?，F(xiàn)將幾種常用的碳鋼(45、T10和T12 )回火溫度與硬度的關(guān)系列于表 6。也可以采用經(jīng)驗(yàn)公式近似地估算回火溫度。例如45鋼的回火溫度經(jīng)驗(yàn)公式為：T(C 戶 200+ K(60 x )式中：K系數(shù)，當(dāng)回火后要求的硬度值HRC30時(shí)，K=11 ；v HRC30時(shí)，K=12。X 所要求的硬度值(HRC)。保溫時(shí)間：通常采用 13小時(shí)，實(shí)驗(yàn)所用試樣較小，定為30分鐘，回火后空冷。表6各種不同溫度回火后的硬度值(HRC)回火溫度(C)45鋼T8鋼T10鋼T12鋼150200C60 5464 60646265 62200300C54 5060 55625662 57300400C50 4055 45564757