工程材料與機械制造基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書

1、棗莊學(xué)院金工實驗工程材料與機械制造基礎(chǔ)實驗講義實驗一 硬度試驗一、實驗?zāi)康模?、了解硬度測定的基本原理及應(yīng)用范圍。2、了解布氏、落氏硬度計（機）的主要結(jié)構(gòu)及操作方法。二、實驗原理硬度是衡量金屬材料軟硬的一個指標(biāo)。硬度值的物理意義隨著實驗方法的不同，其含義也不同。例如壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體壓入時所應(yīng)起的塑性變形能力；刻劃硬度表示金屬抵抗表面局部破裂的能力；而回跳法硬度值是代表金屬彈性變形功的大小。因此，硬度值實際上不是一個單純的物理量，它是表征材料的彈性、塑性、變形強化率，強度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性指標(biāo)。一般可以認(rèn)為，金屬材料的硬度是指金屬表面上不大體積內(nèi)抵抗變形和

2、破裂的能力。由于硬度實驗方法比較簡單一，不破壞材料內(nèi)部且能敏感的反映材料的質(zhì)量高低和熱處理相變過程的結(jié)果；其次，硬度與強度之間可根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)，找出粗略的換算式，而且，硬度與切削性、成型性及可焊性等工藝性能之間也存在著某些聯(lián)系，因此可作為選擇加工工藝時的參考。所以在實際生產(chǎn)中，硬度試驗作為一種簡便實用的手段得到廣泛的應(yīng)用。硬度實驗方法可分為壓入法、刻劃法及反彈法，其中應(yīng)用最為廣泛的是壓入法。壓入法中根據(jù)加荷速度不同，有分靜負(fù)荷壓入法和動負(fù)荷壓入法兩種。在生產(chǎn)中使用最廣的是靜負(fù)荷壓入法硬度試驗，即洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度等。本實驗以介紹洛氏硬度、布氏硬度為主。（一）、洛氏硬度（HR）1、原

3、理洛氏硬度試驗是目前應(yīng)用最廣的實驗方法。它以壓痕深度來確定材料的硬度值指標(biāo)。洛氏硬度試驗原理可見圖1。圖1 洛氏硬度原理洛氏硬度試驗所用壓頭有兩種：一種是錐頂角為120o的金剛石圓錐，另一種是直徑為1/16（1.588mm）或1/8（3.1176mm)的淬火鋼球。根據(jù)金屬材料軟硬程度不一，可選用HRA、HRB和HRC等不同標(biāo)尺。洛氏硬度測定時，需要先后兩次施加載荷（預(yù)載荷和主載荷）。預(yù)加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，以保證測量結(jié)果準(zhǔn)確。圖1中0-0位置為未加載前的壓頭位置。1-1位置為加上10kgf預(yù)載荷后的位置，此時壓入深度為h1，2-2位置為加上主載荷后的位置，此時壓入深度為h2，

4、h2包括有加載所引起的彈性變形和塑性變形。卸除主載荷后，由于彈性變形恢復(fù)而稍提高到3-3位，此時壓頭的實際壓入深度為h3。洛氏硬度就是以主載荷所引起的產(chǎn)于壓入深度（h=h3-h1)來表示。但這樣直接以壓入深度的大小表示硬度，將會出現(xiàn)硬的金屬硬度值小，而軟的金屬值大的現(xiàn)象，這與習(xí)慣的認(rèn)識方法相矛盾。為了與習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念相一致，采用一常數(shù)（k）減去（h3-h1）的差值表示硬度值。為簡便起見又規(guī)定每0.002mm壓入深度作為一個硬度單位（即刻度盤上一小格）。洛氏硬度值的計算公式如下：式中：h1預(yù)加載壓入試樣的深度（mm） h3卸除主載荷后壓入試樣的深度（mm） K常數(shù)，采用金剛石圓錐時

5、K=0.2（用于HRA、HRC)，采用鋼球時K=0.26（用于HRB)。2、測定洛氏硬度的技術(shù)要求a、根據(jù)被測金屬材料的硬度高低，選定壓頭和載荷。b、試樣表面應(yīng)平整光潔，不得有氧化皮或油污以及明顯的加工痕跡。c、試樣厚度應(yīng)不小于壓入深度的10倍。d、兩相鄰壓痕跡壓痕離試樣邊緣距離均不小于3mm。（二）、布氏硬度（HB）1、原理試驗室施加一定大小的載荷p，將直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬表面（如圖2所示）保持一定時間，然后卸除載荷，根據(jù)鋼球在金屬表面上所壓出的凹痕面積后求出平均應(yīng)力值，以此作為硬度值的指標(biāo)，并用符號HB表示。其計算公式如下： (1-1)式中：HB布氏硬度 P載荷（kg

6、f） F0壓痕面積（mm2）根據(jù)壓痕面積和球面之比等與壓痕深度（h）和球的直徑之比的集合關(guān)系，可求出壓痕部分的（球）面積為： (1-2)圖2 布氏硬度原理由于測量壓痕直徑d要比測定壓痕深度h容易，故將（1-2）式中h該換成d來表示，且： (1-3)將式(1-2)和(1-3)帶入式(1-1)即得： (1-4)式中只有d是變量，故只需測出壓痕直徑d，根據(jù)已知D和P值就可計算出HB值。在實際測量中也可測出的壓痕直徑d并直接查表得到HB值。由于金屬材料有軟有硬，工件有薄有厚，有大有小，如果只采用一種標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷P和鋼球直徑D,就會出現(xiàn)若對應(yīng)的材料合適，而對軟的材料就會發(fā)生鋼球陷入金屬材料內(nèi)的現(xiàn)象；若對厚

7、的的材料合適，而對薄的材料就可能發(fā)生壓透的現(xiàn)象，因此在生產(chǎn)中進行布氏硬度試驗時，要求能使不同大小的負(fù)荷P和鋼球直徑D。問題在于對同一種材料當(dāng)采用不同的P和D進行試驗時，能否保證得到同一布氏硬度值。要保證同意材料的布氏硬度值相同，必須是形成的壓入角為常數(shù)。也就是要得到幾何形狀相似的壓痕，為達到此要求，應(yīng)保持p/D2為常數(shù)。當(dāng)采用不同大小的負(fù)荷和不同直徑的鋼球進行布氏硬度試驗時。只有能滿足P/D2為常數(shù)，則對同一材料來說布氏硬度值是相同的，且面對不同材料所得到的布氏硬度值才可以進行比較。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布氏硬度試驗時，P/D2的比值為30，10，5三種。根據(jù)金屬材料種類：試驗硬度范圍和要求不同，按規(guī)定

8、選擇鋼球直徑D負(fù)荷P及負(fù)荷保持時間。試驗后壓痕直徑應(yīng)在0.25D0.6D的范圍內(nèi)，否則實驗結(jié)果無效，應(yīng)考慮使用其它負(fù)荷重新試驗。因為若d太小，靈敏度及準(zhǔn)確性將隨之降低，若d值太大，壓痕的幾何形狀不能保持相似關(guān)系，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)選擇的P/D2比值不同時，布氏硬度值不能進行直接比較。2、布氏硬度測定的技術(shù)要求a、試樣表面必須平整光潔，以使壓痕邊緣清晰，保證精確測量壓痕直徑d。b、壓痕距離試樣邊緣應(yīng)大于D（鋼球直徑），兩壓痕之間的距離應(yīng)不小于D。c、用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑d時，應(yīng)從相互垂直的兩個方向上進行，取二者的平均值。三、實驗設(shè)備與材料：1、TH550型洛氏硬度試驗機、TH600型布

9、氏硬度試驗機、讀數(shù)放大鏡。2、退火低碳鋼或中碳鋼、淬火鋼或高碳鋼試樣。四、實驗步驟（一）洛氏硬度1、根據(jù)試樣預(yù)期硬度確定壓頭和載荷，并裝入試驗機。2、開啟試驗機電源。3、將符合要求的試樣放置在試樣臺上，順時針緩慢轉(zhuǎn)動手輪，使試樣與壓頭緩慢接觸，“初載荷”指示燈亮起。4、繼續(xù)緩慢順時針轉(zhuǎn)動手輪，“初載荷”指示燈將顯示“9、8、7”直至“0”，此時“初載荷”指示燈熄滅，將依次亮起“加載”、“保持”、“卸載”指示燈。5、當(dāng)“卸載”指示燈熄滅后，讀取硬度值。6、逆時針轉(zhuǎn)動手輪，卸掉所有載荷。7、繼續(xù)測試重復(fù)步驟“36”，兩個測試點間距離大于3mm。（二）布氏硬度1、根據(jù)試樣預(yù)期硬度確定壓頭和載荷，并裝

10、入試驗機。2、開啟試驗機電源。3、將試樣放在工作臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪，使壓頭向試樣表面直至手輪下面螺母產(chǎn)生相對運動（打滑）為止。4、按“開始”按鈕，硬度計上指示燈將依次亮“加載”、“保持”、“卸載”。5、指示燈熄滅后，逆時針轉(zhuǎn)動手輪降下工作臺，取下試樣用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d值，以此值查表即得出HB值或計算HB值。6、繼續(xù)測試重復(fù)步驟“35”。五、實驗記錄及數(shù)據(jù)處理：1、記錄所測材料洛氏硬度值。2、測定布氏硬度試驗后的壓痕直徑d ，通過公式計算硬度值或查表求硬度值。六、實驗注意事項1、測定洛氏硬度時，加初載時速度要慢，避免撞壞壓頭。2、測定布氏硬度時，注意安全。七、實驗思考題 比較布氏硬度與

11、洛氏硬度的優(yōu)缺點。實驗二 模具安裝實驗（一）實驗?zāi)康?了解模具安裝過程。2了解間隙大小、凸凹模刃口狀態(tài)對沖裁件斷面質(zhì)量的影響。3了解間隙大小對沖裁件尺寸精度的影響。（二）實驗內(nèi)容 在壓力機上安裝與調(diào)整模具，是一件很重要的工作，它直接影響到?jīng)_件質(zhì)量和安全生產(chǎn)。因此，安裝和調(diào)整沖模不但要熟悉壓力機和模具的結(jié)構(gòu)性能，而且要嚴(yán)格執(zhí)行安全操作制度。 模具安裝的一般注意事項有：檢查壓力機上的打料裝置，將其暫時調(diào)整到最高位置，以免在調(diào)整壓力機閉合高度時被壓彎；檢查模具的閉合高度與壓力機的閉合高度是否合理；檢查下模頂桿和上模打料桿是否符合壓力機的打料裝置的要求(大型壓力機則應(yīng)檢查氣墊裝置)；模具安裝前應(yīng)將上下

12、模板和滑塊底面的油污揩拭干凈，并檢查有無遺物，防止影響正確安裝和發(fā)生意外事故。實驗用設(shè)備、工具和材料設(shè)備：曲柄沖床 2工具：沖裁模一套 千分尺 放大鏡 鋼皮尺 固定模具的工具等3材料：鋼板t0.3(mm)(四) 實驗步驟（1）沖裁模的安裝根據(jù)沖模的閉合高度調(diào)整壓力機滑塊的高度，使滑塊在下極點時其底平面與工作臺面之間的距離大于沖模的閉合高度。（）先將滑塊升到上極點，沖模放在壓力機工作臺面規(guī)定位置，再將滑塊停在下極點，然后調(diào)節(jié)滑塊的高度，使其底平面與上模座上平面接觸。帶有模柄的沖模，應(yīng)使模柄進入模柄孔，并通過滑塊上的壓塊和螺釘將模柄固定住。對于無模柄的大型沖模，一般用螺釘、壓板等將上模座緊固在壓力

13、機滑塊上，并將下模座初步固定在壓力機臺面上(不擰緊螺釘)。（）將壓力機滑塊上調(diào)3-5mm，開動壓力機，空行程1-2次，將滑塊停于下極點，固定住下模座。 （）進行試沖，并逐步調(diào)整滑塊到所需的高度。如上模有推桿，則應(yīng)將壓力機上的制動螺釘調(diào)整到需要的高度。(4) 實驗結(jié)果分析每人獨立(用直尺、圓規(guī)，按近似比例)繪制兩張沖模結(jié)構(gòu)草圖。詳細(xì)列出沖模上全部零件的名稱、數(shù)量、用途及其所選用的材料；簡要說明復(fù)合沖裁模和級進模的工作過程。實驗三 沖擊試驗一、實驗?zāi)康?、了解沖擊韌性的含義。2、測定鋼的沖擊韌性，了解斷口形貌與韌性的關(guān)系。二、實驗原理如圖1沖擊試驗機中，將質(zhì)量為m的擺錘抬到一定高度H1，該擺錘具有

14、勢能mgH1，釋放擺錘，使擺錘自由轉(zhuǎn)動落下，撞斷試樣，擺錘繼續(xù)上擺到高度H2，具有勢能mgH2，二者勢能差即為試樣在被撞斷過程中所吸收的能量，稱為沖擊吸收功，用AK表示：AK=mgH1-mgH2沖擊韌度為式中：為試樣在斷口處的橫截面面積。圖1 沖擊試驗原理圖按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2291994金屬夏比缺口沖擊試驗方法，金屬沖擊試驗所采用的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣為并開有或深的形缺口的沖擊試樣（圖2）以及張角深的形缺口沖擊試樣（圖3）。如不能制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，則可采用寬度為或等小尺寸試樣，其它尺寸與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。沖擊試樣的底部應(yīng)光滑，試樣的公差、表面粗糙度等加工技術(shù)要求參見國家標(biāo)

15、準(zhǔn)GB/T2291994。 （a） （b）圖2 夏比形沖擊試樣（a）深度為；（b）深度為圖3 夏比形沖擊試樣三、實驗設(shè)備和材料1、沖擊試驗機。2、游標(biāo)卡尺。3、沖擊試樣。四、實驗步驟1、了解沖擊試驗機的操作規(guī)程和注意事項。2、測量試樣的尺寸。3、將試樣安裝好。注意在安裝試樣時，不得將擺錘抬起。4、開啟電源，打開控制屏，設(shè)置好參數(shù)，選擇試驗運行。5、按下“取擺”按鈕。6、按下“退銷”按鈕。7、按下“沖擊”按鈕，記錄屏幕上顯示的數(shù)據(jù)。8、按下“退銷”按鈕。9、按下“放擺”按鈕。10、若繼續(xù)試驗，重復(fù)步驟29。五、實驗數(shù)據(jù)的記錄與計算表 測定低碳鋼和灰鑄鐵的沖擊性能指標(biāo)試驗的數(shù)據(jù)記錄與計算試樣號試樣

16、缺口處的橫截面面積/cm2試樣所吸收的能量AK/J沖擊韌度/J. cm2六、實驗注意事項1、實驗中注意安全。2、擺放試樣時，讓擺錘刀口正對試樣缺口，否則，誤差較大。七、思考題1、為什么沖擊試樣要有切槽？2、分析斷口形貌與沖擊韌性的關(guān)系。實驗四 碳鋼的熱處理及組織、性能分析一：實驗?zāi)康?1)觀察和研究碳鋼經(jīng)不同形式熱處理后顯微組織的特點。(2)了解熱處理工藝對碳鋼硬度的影響。二：實驗說明碳鋼經(jīng)熱處理后的組織可以是接近平衡狀態(tài)(如退火、正火)的組織，也可以是不平衡組織(如淬火組織)。因此在研究熱處理后的組織時，不但要用鐵碳相圖，還要用鋼的C曲線來分析。圖1為共析碳鋼的C曲線，圖2為45鋼連續(xù)冷卻的

17、CCT曲線。圖1 共析碳鋼的c曲線 圖2 45鋼的CCT曲線曲線能說明在不同冷卻條件下過冷奧氏體在不同溫度范圍內(nèi)發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變過程及能得到哪些組織。1碳鋼的退火和正火組織亞共析碳鋼(如40、45鋼等)一般采用完全退火，經(jīng)退火后可得接近于平衡狀態(tài)的組織，其組織形態(tài)特征已在實驗l中加以分析和觀察(圖3)過共析碳素工具鋼(如T10、T12鋼等)則采用球化退火，T12鋼經(jīng)球化退火后，組織中的二次滲碳體和珠光體中的滲碳體都呈球狀(或粒狀)，圖中均勻分散的細(xì)小粒狀組織就是粒狀滲碳體。2鋼的淬火組織含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于亞共析成分的奧氏體淬火后得到馬氏體。馬氏體組織為板條狀或針狀，20鋼經(jīng)淬火后將得到板條狀

18、馬氏體。在光學(xué)顯微鏡下，其形態(tài)呈現(xiàn)為一束束相互平行的細(xì)條狀馬氏體群。在一個奧氏體晶粒內(nèi)可有幾束不同取向的馬氏體群，每束條與條之間以小角度晶界分開，束與束之間具有較大的位向差，如圖4所示。圖3 T12 鋼球化退火組織 圖4 低碳馬氏體組織45鋼經(jīng)正常淬火后將得到細(xì)針狀馬氏體和板條狀馬氏體的混合組織，如圖5所示。由于馬氏體針非常細(xì)小，故在顯微鏡下不易分清。45鋼加熱至860后油淬，得到的組織將是馬氏體和部分托氏體(或混有少量的上貝氏體)，如圖6所示。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于共析成分的奧氏體等溫淬火后得到貝氏體，如T8鋼在550350及350 Ms溫度范圍內(nèi)等溫淬火，過冷奧氏體將分別轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w和下貝氏體

19、。上貝氏體是由成束平行排列的條狀鐵素體和條間斷續(xù)分布的滲碳體所組成的片層狀組織，當(dāng)轉(zhuǎn)變量不多時，在光學(xué)顯微鏡下可看到成束的鐵素體在奧氏體晶界內(nèi)伸展，具有羽毛狀特性，如圖7所示。圖5 45鋼正常淬火組織 圖6 45鋼油淬組織 圖7 上貝氏體組織特征下貝氏體是在片狀鐵素體內(nèi)部沉淀有碳化物的組織。由于易受浸蝕，所以在顯微鏡下呈黑色針狀特征，如圖8所示。在觀察上、下貝氏體組織時，應(yīng)注意為顯示貝氏體組織形態(tài)，試樣的處理條件一般是在等溫度下保持不長的時間后即在水中冷卻因此只形成部分貝氏體，顯微組織中呈白亮色的基體部分為淬火馬氏體組織。含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)于過共析成分的奧氏體淬火后除得到針狀馬氏體外，還有較多的

20、殘余奧氏體。T12碳鋼在正常溫度淬火后將得到細(xì)小針狀馬氏體加部分未溶人奧氏體中的球形滲碳體和少量殘余奧氏體，如圖49所示。但是當(dāng)把此鋼加熱到較高溫度淬火時，顯微鏡組織中出現(xiàn)粗大針狀馬氏體，并在馬氏體針之間看到亮白色的殘余奧氏體，如圖10所示。圖8 下貝氏體組織特征 圖9 T12鋼正常淬火組織 圖10 T12鋼1000油淬組織碳鋼回火后的組織淬火鋼經(jīng)不同溫度回火后所得到的組織不同，通常按組織特征分為一下三種。 (1)回火馬氏體。淬火鋼經(jīng)低溫回火(150250),馬氏體內(nèi)脫溶沉淀析出高度彌散的碳化物質(zhì)點，這種組織成為回火馬氏體?；鼗瘃R氏體仍保持針狀特征，但容易浸蝕，故顏色比淬火馬氏體深些，是暗黑色

21、的針狀組織，如圖11所示。回火馬氏體具有高的強度和硬度，而韌性和塑性叫淬火馬氏體有明顯改善。(2)回火托氏體。淬火鋼經(jīng)中溫回火(350500) 得到在鐵素體基體中彌散分布著微小狀滲碳體的組織，稱為回火托氏體?；鼗鹜惺象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，如圖12所示?；鼗鹜惺象w有較好的強度、硬度、韌性和很好的彈性。(3)回火索氏體。淬火鋼高溫回火(500650)得到的組織稱為回火索氏體，其特征是已經(jīng)聚集長大了的滲碳體顆粒均勻分布在鐵素體基體上?；鼗鹚魇象w中的鐵素體已不呈針狀形態(tài)而呈等軸狀，如圖13所示?；鼗鹚魇象w具有強度、

22、韌性和塑性較好的綜合機械性能。 圖11 回火馬氏體組織 圖12 回火托氏體組織 圖13 回火索氏體組織三：實驗內(nèi)容典型牌號碳鋼經(jīng)不同熱處理后的狀態(tài)如表1所示試樣號碼鋼號熱處理條件浸蝕劑放大倍數(shù)145860爐冷(退火)3硝酸酒精溶液200450245860空冷(正火)3硝酸酒精溶液200450345860加熱、油淬3硝酸酒精溶液450600445860加熱、油淬3硝酸酒精溶液450600545860水淬、200回火3硝酸酒精溶液450600645860水淬、400回火3硝酸酒精溶液450600745860水淬、600回火3硝酸酒精溶液4506008201000加熱、水淬3硝酸酒精溶液450600

23、9T8440等溫lls、水冷3硝酸酒精溶液45060010T8290等溫3min、水冷3硝酸酒精溶液45060011T12l000加熱、水淬3硝酸酒精溶液45060012T12780加熱、水淬3硝酸酒精溶液45060013T12球化退火3硝酸酒精溶液450600四：實驗方法指導(dǎo)(1)領(lǐng)取一套金相試樣，在金相顯微鏡下觀察。觀察時要根據(jù)FeFe3C相圖和鋼的C曲線來分析確定不同熱處理條下各種組織的形成原因。2)對于經(jīng)過不同熱處理后的組織，要采用對比的方式進行分析研究，例如，退火與正火、水淬與油淬、淬火馬氏體與回火馬氏體等。(3)畫出所觀察到的、指定的幾種典型顯微組織形態(tài)特征，并注明組織名稱、熱處理

24、條件及放大倍數(shù)等。(4)在了解洛氏硬度計的構(gòu)造及操作方法之后，測定45鋼經(jīng)不同熱處理后的硬度，并記錄所測得的硬度數(shù)據(jù)。五：實驗報告要求(1)寫出實驗?zāi)康摹?2)運用鐵碳相圖及相應(yīng)鋼種的C曲線，根據(jù)具體的熱處理條件分析所得組織及特征，并畫出所觀察試樣的顯微組織示意圖。(3)列出全部硬度測定數(shù)據(jù)，分析冷卻方法及回火溫度對碳鋼性能(硬度)的影響，畫出回火溫度同硬度的關(guān)系曲線，并闡明硬度變化的原因。 六：思考題 (1)45鋼淬火后硬度不足，如何用金相分析來判定是淬火加熱溫度不足還是令卻速度不夠？(2)45鋼調(diào)質(zhì)處理得道的組織和T12球化退火得到的組織在本質(zhì)、形態(tài)、性能和用途上有何差異？(3)指出下列工

25、件的淬火及回火溫度，并說明回火后多獲得的組織。45鋼的小軸 60鋼的彈簧 T12鋼的銼刀實驗五 金相顯微樣品的制備及金相顯微鏡的使用一,實驗?zāi)康?. 掌握金相樣品的制備過程和基本方法;2. 了解金相顯微鏡的基本原理,構(gòu)造,掌握顯微鏡的正確使用.二,實驗原理利用金相顯微鏡觀察金相試樣的組織或缺陷的方法稱為金相顯微分析.它是研究金屬材料微觀結(jié)構(gòu)最基本的一種實驗技術(shù),在金屬材料研究領(lǐng)域中占有很重要的地位.在現(xiàn)代金相顯微分析中,使用的主要儀器有光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡.這里僅對常用的光學(xué)金相顯微鏡作一般介紹.顯微鏡的基本原理,構(gòu)造及使用1. 顯微鏡的基本原理最簡單的顯微鏡可以僅由兩個透鏡組成.圖1-1為

26、相顯微鏡成像的光學(xué)原理示意圖.圖中AB為被觀察的物體,對著被觀察物體的透鏡O1叫物鏡;對著人眼的透鏡O2叫目鏡.物鏡使物體AB形成放大的倒立實像AB,目鏡再將AB放大成仍然倒立的虛像AB.其位置正好在人眼的明視距離約250mm處.在顯微鏡中所觀察的就是這個虛像AB.1 顯微鏡的放大倍數(shù)放大倍數(shù)由下式確定:式中:M顯微鏡總放大倍數(shù);M物物鏡的放大倍數(shù);M目目鏡的放大倍數(shù);f物物鏡的焦距;f目目鏡的焦距;L顯微鏡的光學(xué)鏡筒長度;D明視距離250mm.由上式可知:f物 ,f目越短或L越長,則顯微鏡的放大倍數(shù)越大.2 物鏡的鑒別率物鏡的鑒別率是指物鏡能清晰分辨試樣兩點間最小距離的能力.物鏡鑒別率的數(shù)學(xué)

27、公式為:式中:d物鏡的鑒別率;入射光源的波長;A物鏡的數(shù)值孔徑,它表示物鏡的聚光能力.由公式可知,波長越短,數(shù)值孔徑A越大,則鑒別能力就越高d越小,在顯微鏡中就能看到更細(xì)微的部分.數(shù)值孔徑A可由下列公式求出:式中:物鏡與物體之間介質(zhì)的折射率;物鏡孔徑角的一半,即通過物鏡邊緣的光線與物鏡軸線所成的角度.越大或物鏡孔徑角越大,則數(shù)值孔徑越大,由于總是小于90,所以在空氣介質(zhì)=1中使用時,數(shù)值孔徑A一定小于1,這類物鏡稱干系物鏡.當(dāng)物鏡上面滴有松柏油介質(zhì)=1.52時,A值最高可達1.4,這就是顯微鏡在高倍觀察時用的油浸系物鏡,每個物鏡都有一個設(shè)計額定的A值,刻在物鏡體上.3 顯微鏡的有效放大倍數(shù)由M

28、=M目M物知,顯微鏡的同一放大倍數(shù)可由不同倍數(shù)的物鏡和目鏡來組合.如45倍的物鏡乘以10倍的目鏡或者15倍的物鏡乘以30倍的目鏡都是450倍.對于同一放大倍數(shù),如何合理選用物鏡和目鏡呢 應(yīng)先選物鏡,一般原則是使顯微鏡的放大倍數(shù)在該物鏡數(shù)值孔徑的5001000倍,即這個范圍稱為顯微鏡的有效放大倍數(shù)范圍,若M1000A,則形成虛偽放大,組織的細(xì)微部分將分辨不清.待物鏡選定后,再根據(jù)所需的放大倍數(shù)選用目鏡.4 景深:即垂直鑒別率,反映了顯微鏡對于高低不同的物體能清晰成像的能力.式中:M放大倍數(shù);R半孔徑角;波長;n介質(zhì)折射率.由式可知n,R越大,景深越小;物距增加,景深增加.在進行斷口分析時,為獲得

29、清晰的斷口凹凸圖像,景深不能太小.5 透鏡的幾何缺陷單色光通過透鏡后,由于透鏡表面呈球形,光線不能交于一點,則使放大后的象模糊不清,此現(xiàn)象稱球面象差.多色光通過透鏡后,由于折射率不同,使光線不能交于一點也會造成模糊圖像,此現(xiàn)象稱色象差.減小球面象差的辦法:可通過制造物鏡時采用不同透鏡組合進行校正;調(diào)整孔徑光欄,適當(dāng)控制入射光束等辦法降低球面象差.減小色象差辦法:可通過物鏡進行校正或采用濾色片獲得單色光的辦法降低色象差.2. 顯微鏡的構(gòu)造圖1-2為不同型式的金相顯微鏡的基本構(gòu)造及光學(xué)行程.圖1-2 金相顯微鏡的基本構(gòu)造及光學(xué)行程金相顯微鏡分為臺式,立時及臥式三種類型,各種類型又有許多不同的型號.

30、雖然顯微鏡的型號很多,但基本構(gòu)造大致相同,現(xiàn)以XJB-1型金相顯微鏡為例介紹顯微鏡的構(gòu)造.金相顯微鏡通常由光學(xué)系統(tǒng),照明系統(tǒng)和機械系統(tǒng)三大部分組成,有的顯微鏡還附有攝影裝置.圖1-3 XJB-1型金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)1-燈泡;2-聚光透鏡組;3-聚光鏡;4-半反射鏡;5-輔助透鏡;6-物鏡組;7-試樣;8-反光鏡;9-孔徑光闌;10-視場光闌;11-輔助透鏡;12,13-棱鏡;14-物鏡XJB-1型顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)如圖1-3所示.由燈泡1發(fā)出的光線經(jīng)聚光透鏡組2及反光鏡8聚集到孔徑光欄9,再經(jīng)過聚光鏡3聚集到物鏡的后焦面,最后通過物鏡平行照射到試樣7的表面上,從試樣反射回來的光線又經(jīng)過物鏡組6

31、和輔助透鏡5,由半反射鏡4轉(zhuǎn)向,經(jīng)過輔助透鏡以及棱鏡造成一個被觀察物體的倒立的放大實像,該像再經(jīng)過目鏡的放大,就成為在目鏡視場中能看到的放大影像.照明系統(tǒng):由電源220V經(jīng)變壓器68V使燈泡6-8V,15w發(fā)光作為光源.還有聚光鏡,孔徑光欄,視場光欄等裝置,組成顯微鏡的照明系統(tǒng).機械系統(tǒng)及其它各部件:調(diào)焦裝置:在顯微鏡體兩側(cè)有粗調(diào)和微調(diào)旋鈕.隨粗調(diào)旋鈕的傳動,支撐載物臺的彎臂作上下移動.微調(diào)旋鈕使其沿滑軌緩慢移動.載物臺試樣臺:用于放置金相試樣.載物臺和下面托盤之間有導(dǎo)軌,用手推動,可使載物臺在水平面上作一定范圍的十字定向移動,以改變試樣的觀察部位.孔徑光欄:它是用于控制入射光束的粗細(xì),以保證

32、物像達到清晰的程度.視場光欄:它的作用是控制視場范圍,使目鏡中視場明亮而無陰影.在刻有直紋的套圈上還有兩個調(diào)節(jié)螺釘,用來調(diào)整光欄中心.3. 顯微鏡的使用規(guī)程及注意事項金相顯微鏡是一貴重精密光學(xué)儀器,使用時要細(xì)心謹(jǐn)慎.使用前應(yīng)先了解顯微鏡的基本原理,構(gòu)造及各主要部件的位置和作用,然后再按照使用規(guī)程和應(yīng)注意事項進行操作.1 顯微鏡的使用規(guī)程:先將顯微鏡的插頭插在低壓68V變壓器上,通過變壓器接通電源.根據(jù)放大倍數(shù)選用所需物鏡和目鏡,分別安裝在物鏡座及目鏡筒上.將試樣放在載物臺中心,并使觀察面朝向物鏡.用雙手旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕,將載物臺降下,使樣品靠近物鏡,但不接觸.然后邊觀察目鏡邊用雙手旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕,使

33、載物臺慢慢上升,待看到組織時,再旋轉(zhuǎn)微調(diào)旋鈕,直至圖像清晰為止.2 使用注意事項:操作時要細(xì)心,動作要輕微.光學(xué)系統(tǒng)等重要部件不得自行拆卸.使用時如出現(xiàn)故障,應(yīng)及時報告指導(dǎo)教師進行處理.顯微鏡各種鏡頭嚴(yán)禁用手指觸摸或用手帕等擦拭,擦拭鏡頭需用鏡頭紙.顯微鏡的燈炮電壓為68v,嚴(yán)禁直接插在220v的電源插座上.在旋轉(zhuǎn)聚焦旋鈕時,動作要慢,碰到阻礙時立即停止操作,并報告指導(dǎo)教師進行處理.使用完畢,關(guān)閉電源,將顯微鏡恢復(fù)到使用前狀態(tài),經(jīng)指導(dǎo)老師檢查無誤后,方可離開實驗室.金相顯微試樣的制備金相試樣的制備包括取樣,磨制,拋光和浸蝕等步驟.1.取樣試樣的選取應(yīng)根據(jù)被檢驗材料或零件的特點,取其有代表性的部

34、位.例如研究零件的失效原因時,應(yīng)在失效部位取樣,并在完好部位取樣,以便對比分析.對于鑄造合金,考慮到組織的不均勻性,應(yīng)從表層到中心各個部位進行選取.對于軋材,研究表層缺陷和夾雜物的分布時應(yīng)橫向取樣;研究夾雜物類型,形狀,變形程度,帶狀組織時應(yīng)縱向取樣.對一般熱處理后的零件,由于組織均勻,可任意取樣取樣時應(yīng)保證試樣觀察面不發(fā)生組織變化,軟材料取樣可用鋸,刨,車等方法,硬材料取樣可用砂輪切片機等方法,脆性材料可用錘擊等方法.試樣尺寸不宜過大或過小,一般以手拿方便即可,其形狀以便于觀察為宜.2.磨制1 粗磨:粗磨目的是為了獲得一個平整的表面,軟材料試樣可用銼刀銼平;鋼鐵材料可用砂輪機磨平.磨削時應(yīng)注

35、意試樣對砂輪的壓力不宜過大,以免在試樣表面上形成較深的磨痕而增加細(xì)磨的困難,磨削時應(yīng)不斷用水冷卻試樣,以免受熱引起組織變化,試樣邊緣要進行倒角,以免在細(xì)磨和拋光時劃破砂紙和拋光絨布或造成試樣從拋光機上飛出傷人.2 細(xì)磨:細(xì)磨分手工磨光和機械磨光兩種.手工磨光是用手拿住試樣在金相砂紙上進行.金相砂紙按粗細(xì)分為01,02,03,04,05號等.細(xì)磨時依次從01磨到05號,鋼鐵材料一般磨到04號即可,軟材料如鋁,鎂等合金可磨到05號砂紙.細(xì)磨時必須注意:1 細(xì)磨時應(yīng)將砂紙放在光滑平整物體如玻璃板上,手指拿住試樣,并使磨面朝下,均勻用力由后向前推行磨削.在回程時,提起試樣不與砂紙接觸,以保證磨面平整而

36、不產(chǎn)生弧度.2 每換一號砂紙時,應(yīng)將試樣轉(zhuǎn)90再磨,使磨削方向與前道磨痕方向垂直,以便觀察前道磨痕是否全部消除.3 每更換一次砂紙之前,應(yīng)把試樣,玻璃和手洗凈,以免把粗砂粒帶到下一號細(xì)砂紙上去.另外,磨削軟材料時,可在砂紙上涂一層潤滑劑,如機油,甘油,肥皂水等,以免砂粒嵌入試樣磨面.機械磨光是在預(yù)磨機上進行.預(yù)磨機是由電動機帶動轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤分為蠟盤和砂紙盤兩種.蠟盤就是把混有金剛砂的熔化石蠟澆在轉(zhuǎn)盤上,待凝固車平后裝在預(yù)磨機上就可使用.做成不同粗細(xì)的金剛砂蠟盤,在生產(chǎn)檢驗中被大量使用.砂紙盤是把水砂紙剪成圓形,用水玻璃粘在預(yù)磨機轉(zhuǎn)盤上,水砂紙按粗細(xì)分為200,300,400,500,600,70

37、0,800,900號等,一般用200,400,600,800號水砂紙依次磨制即可,用蠟盤和水砂紙盤磨制時,要不斷加水冷卻.3. 拋光拋光由機械拋光,電解拋光,化學(xué)拋光等方法,使用最廣的是機械拋光.機械拋光是在拋光機上進行.拋光機由電動機帶動拋光盤,拋光盤上鋪有不同的拋光布.粗拋時用帆布或粗呢,細(xì)拋時用絨布,細(xì)呢或絲綢等.拋光過程中要不斷向拋光布上倒入適量的水與Cr2O3或Al2O3,MgO等懸浮液.試樣的磨面應(yīng)平正地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上,壓力不宜過大,并使試樣從拋光盤邊緣到中心不斷地作徑向往復(fù)移動.待試樣表面磨痕全部被拋掉而呈現(xiàn)光亮鏡面時,拋光即可停止,并將試樣用水或酒精洗干凈后轉(zhuǎn)入浸蝕.浸蝕經(jīng)

38、拋光后的試樣若直接放在顯微鏡下觀察,只能看到一片亮光,除非某些金屬夾雜物如MnS及石墨等外,不能辨別出各種組織及其形態(tài).因此,必須用浸蝕劑對試樣拋光面進行浸蝕,鋼鐵材料通常用35硝酸酒精溶液.浸蝕方法是將待觀察面浸入浸蝕劑中,或用玻璃棒纏少許脫脂棉蘸取浸蝕劑擦拭的方法.浸蝕時間要適當(dāng),當(dāng)試樣拋光亮面呈灰色時就可停止,并立即用清水或酒精清除殘酸,用吹風(fēng)機吹干后,即可在顯微鏡下進行觀察.若試樣浸蝕過度,顯微組織模糊不清時,須重新拋光和浸蝕,若浸蝕不足,組織不能完全顯露時,可進行補充浸蝕.三,實驗設(shè)備及材料1. 設(shè)備:金相顯微鏡,拋光機,砂輪機.2. 各號金相砂紙,拋光布,拋光膏,脫脂棉,35硝酸酒精溶液,試樣,竹夾子等.四,實驗