材料科學(xué)基礎(chǔ)A1實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)A實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書材料系 編寫適用專業(yè)：材料成型與控制工程江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2009年9月本課程的基本內(nèi)容主要包括晶體學(xué)基礎(chǔ)、 固體材料的結(jié)構(gòu)、 材料的凝固與相 圖理論、 原子和分子在固體中的運(yùn)動(dòng)、 材料的形變與再結(jié)晶理論、 熱處理工藝及 組織的理論。 通過學(xué)習(xí)學(xué)生需要掌握材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論和研究方法， 尤其要掌 握材料的成分、 工藝、組織和性能之間的關(guān)系。 為了訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行材料的 宏觀和微觀組織分析能力，深刻地理解和把握材料的成分和平衡組織之間的關(guān) 系，設(shè)置 “光學(xué)顯微鏡與微觀組織分析綜合實(shí)驗(yàn) ”、“金屬凝固原理與宏觀組織分 析綜合實(shí)驗(yàn) ”、“鐵碳合金平衡組織觀察 ”

2、和“鋼的熱處理操作、組織觀察及硬度測 定綜合實(shí)驗(yàn) ”、 “鑄鐵的組織觀察 ”、 “有色金屬的組織觀察 ”六個(gè)實(shí)驗(yàn)。“光學(xué)顯微鏡與微觀組織分析綜合實(shí)驗(yàn) ”主要讓學(xué)生了解金相顯微鏡的光學(xué) 原理、構(gòu)造和使用方法， 掌握金相試樣的制備和金相組織的攝制技術(shù)， 了解光學(xué) 金相分析方法的操作流程?！敖饘倌淘砼c缺陷組織分析綜合實(shí)驗(yàn) ”主要讓學(xué)生了解凝固過程及凝固 條件對材料鑄錠組織的影響， 掌握材料宏觀分析的應(yīng)用及操作方法， 進(jìn)一步了解 材料宏觀缺陷的組織特征及形成條件?！拌F碳合金平衡組織觀察 ”實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生識(shí)別鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯 微組織， 了解含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響， 進(jìn)一步理解合金成分

3、、 組織和 性能之間的關(guān)系?！颁摰臒崽幚聿僮?、組織觀察及硬度測定綜合實(shí)驗(yàn) ”主要讓學(xué)生學(xué)會(huì)熱處理 工藝的操作方法 ,識(shí)別組織形貌 ,了解材料的成分、工藝、組織和性能之間的相互 關(guān)系。鑄鐵的組織觀察”主要培養(yǎng)學(xué)生熟悉Fe-C（石墨）的相圖，識(shí)別鑄鐵的顯微組 織形貌，了解幾種類型的灰口鑄鐵的組織形貌特征?！坝猩饘俚慕M織觀察 ”主要培養(yǎng)學(xué)生熟悉有色金屬的相圖， 識(shí)別有色金屬的 顯微組織形貌，了解幾種類型的有色金屬的組織形貌特征。實(shí)驗(yàn)1 :光學(xué)顯微鏡與微觀組織分析綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4實(shí)驗(yàn)類型：綜合實(shí)驗(yàn)要求：必修一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握金相顯微鏡的構(gòu)造及使用，利用顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析；2. 掌握金相顯

4、微試樣的制備及顯微圖像采集和輸出；3掌握金相分析方法的操作流程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容金相顯微分析是研究金屬組織的主要方法之一，在生產(chǎn)與科研中，為了探 索金屬材料的性能，經(jīng)常需要進(jìn)行金相組織的檢驗(yàn)和分析。金相顯微分析就是 利用顯微鏡的光學(xué)原理借助試樣表面對光線的反射特點(diǎn)來進(jìn)行的。為了對金相 顯微組織進(jìn)行鑒別和研究，需要將所分析的金屬材料制備成一定尺寸的試樣， 并經(jīng)磨制拋光與腐蝕等工序，通過金相顯微鏡來觀察與分析金屬的顯微組織狀 態(tài)及其分布情況，最后將其拍攝并形成照片。本實(shí)驗(yàn)涉及到學(xué)生具備操作使用 金相顯微鏡、金相樣品制備、金相組織分析、顯微攝影等方面的知識(shí)。通過實(shí) 驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生材料顯微分析的綜合能力。三、

5、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段（一）金相顯微鏡的使用放大鏡是最簡單的一種光學(xué)儀器，它實(shí)際上就是一塊集合透鏡（凸透鏡） 利用它可以將物體放大，其成像光學(xué)原理，如圖 1所示。圖1放大鏡的光學(xué)原理AB 物體A B 物象f焦距當(dāng)物體AB放在透鏡與其焦點(diǎn)F之間時(shí)，則經(jīng)透鏡的光線就分散開來，從 放大鏡后面觀察，可以看到一個(gè)放大了正虛象AB，此象的長度與物體長度比值（即AB /AB）就是放大鏡的放大率（放大倍數(shù)）。由于放大鏡到物體之間的 距離a近似地等于透鏡的焦距f （a），而放大鏡到象間的距離 b近似地等于人 眼的明視距離（約250mm），故放大鏡的放大倍數(shù)為：250由式中可知，透鏡的焦距f越短，則放大鏡的放大倍數(shù)

6、越大，一般采用的放大鏡其焦距在10100mm范圍內(nèi)，放大倍數(shù)則可在 2.5 25倍之間，若進(jìn)一步 提高放大倍數(shù)，將會(huì)由于透鏡焦距變短使其表面曲率過分增大，而使形成的影 象變得模糊不清。所以為了得到高倍放大而又清晰的影象，就得采用由多個(gè)透 鏡組成的顯微鏡?，F(xiàn)代顯微鏡中，校正透鏡球面差的方法是采用多片透鏡組成透鏡組，即將凸透鏡和凹透鏡組合在一起（稱為復(fù)合透鏡），由于這兩種透鏡有著性質(zhì)相反的球面差，因此可以相互抵消。色差的產(chǎn)生是由于組成白光的各種不同波長的光線在穿過透鏡時(shí)其折射率不同。若用白色光照明時(shí)，其中紫色光線的波長最短，其折射率最大，在離透鏡最近處成象；紅色光線的波長最大，其折射率最小， 在離

7、透鏡最遠(yuǎn)處成象。其余的有色光線（如，黃、綠、蘭色）的成象，則在它們之間。因此這些光在平面上的成象就不能集中在一點(diǎn)，而呈現(xiàn)岀帶有彩色邊緣的光環(huán)。色象差的存在也會(huì)降低透鏡成象的清晰度，也 應(yīng)予以校正，通常采用單色光源 （或加濾光片），也可使用復(fù)合透鏡。顯微鏡的放大作用主要在于物鏡，物鏡的好壞直接影響顯微鏡放大后映象的質(zhì)量，所以對物鏡的校正是很重要的。物鏡的類型，根據(jù)對透鏡球面象差和色象差的校正程度不同而分為消色差物鏡，復(fù)消色差物 鏡和半復(fù)消色差物鏡等。目鏡也是顯微鏡中的主要組成部分，是第二個(gè)透鏡組。它的主要作用是將由物鏡放大所得的實(shí)象再度 放大，因此它的質(zhì)量將最后影響到物象的質(zhì)量。按照目鏡的構(gòu)造型

8、式一般可分為普通目鏡，補(bǔ)償目鏡，以 及測物目鏡等。普通目鏡其映象未經(jīng)校正，應(yīng)與消色差物鏡配合使用。補(bǔ)償目鏡須與復(fù)消色差物鏡或半復(fù) 消色差物鏡配合使用，可以抵消這些物鏡的殘余色象差。金相顯微鏡的使用規(guī)程 首先將顯微鏡的光源插在變壓器上，通過低壓 （68V）變壓器接通電源。 根據(jù)放大倍數(shù)選用所需的物鏡和目鏡，分別安裝在物鏡座上及目鏡筒內(nèi)， 并使轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至固定位置 （由定位器定位 ）。 將試樣放在樣品臺(tái)中心，使觀察面朝下并用彈簧片壓住。 轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪先使鏡筒上升，同時(shí)用眼觀察，使物鏡盡可能接近試樣表 面 （但不得與試樣相碰 ）然后相反轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，使鏡筒漸漸下降以調(diào)節(jié)焦距，當(dāng) 視場亮度增強(qiáng)時(shí)再改用細(xì)

9、調(diào)手輪調(diào)節(jié)，直到物象調(diào)整到最清晰程度為止。 適當(dāng)調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場光欄，以獲得最佳質(zhì)量的物像。 使用時(shí)的注意事項(xiàng) 操作應(yīng)細(xì)心，不能用任何粗暴和劇烈的動(dòng)作，光學(xué)系統(tǒng)不允許自行拆卸。 顯微鏡鏡頭的玻璃部分和試樣表面嚴(yán)禁手指直接接觸，若鏡頭中落有灰 塵，可用鏡頭紙或軟毛刷輕輕擦試。 在旋轉(zhuǎn)粗調(diào) （或細(xì)調(diào) ）手輪時(shí)，動(dòng)作要慢，碰到某種阻礙時(shí)應(yīng)立即報(bào)告，弄 清原因，不得用力強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，否則就會(huì)損壞機(jī)件。（二）、金相試樣的制備方法金相顯微試樣的制備過程包括如下工序 :取樣、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等。 下面就各道工序加以簡要說明： 1 取樣取樣是進(jìn)行金相顯微分析中很重要的一個(gè)步驟，顯微試樣的選取應(yīng)根據(jù)研 究的

10、目的，取其具有代表性的部位 ，例如：檢驗(yàn)和分析失效零件的損壞原因時(shí) （廢品分析 ）除了 在損壞部位取樣外，還需要在距破壞處較遠(yuǎn)的部位截取試樣，以便比較；在研究鑄件組織時(shí)，由于偏析現(xiàn) 象的存在，必須從表面層到中心，同時(shí)取樣進(jìn)行觀察；對于軋制和鍛造材料則應(yīng)同時(shí)截取橫向（垂直于軋制方向）及縱向 （平行于軋制方向 ）的金相試樣，以便于分析比較表層缺陷及非金屬夾雜物的分布情況；對于一 般經(jīng)熱處理后的零件，由于金相組織比較均勻，試樣截取可在任一截面進(jìn)行。確定好部位后就可把試樣截下， 試樣的尺寸通常采用直徑為 巾1215mm、高度（或邊長）為12 15mm的圓柱體或方形試樣，如圖 2 所示圖2金相試樣的尺寸

11、試樣截取方法視材料的性質(zhì)不同而異，軟的金屬可用手鋸或鋸床切割；對硬而脆的材料（如淬火鋼）則可采用砂輪切片機(jī)或電脈沖加工等切割。但是不論采用哪種方法，在切取過程中均不宜使試樣的溫度過于升高，以免引起金屬組織的變化，影響分析結(jié)果。2.鑲嵌對于尺寸過于細(xì)小的金屬絲、片及管等，用手來磨制，顯然很困難，需要 使用試樣夾或利用樣品鑲嵌機(jī)把試樣鑲嵌在低熔點(diǎn)合金或塑料（如膠木粉、聚 乙烯聚合樹脂等）中，如圖3所示。茲片塑M4電*CT仙圖3金相試樣的鑲嵌方法（a）、（b），機(jī)械鑲嵌；（c）,低熔點(diǎn)合金鑲嵌；（d），塑料鑲嵌3 磨制試制的磨制一般分為粗磨與細(xì)磨（1）粗磨 粗磨的目的是為了獲得一個(gè)平整的表面，同時(shí)為

12、了去掉截取時(shí)有組織 變化的部分（如氧一乙炔割取的試樣的熱影響區(qū)部分 ）。鋼鐵材料試樣的粗磨通常在砂輪機(jī) 上進(jìn)行。但在磨制時(shí)應(yīng)注意：試樣對砂輪的壓力不宜過大，否則會(huì)在試樣表面形成很深的磨痕，從而增加了 細(xì)磨和拋光的困難；要隨時(shí)用水冷卻試樣，以免受熱的影響而起組織的變化；試樣邊緣的棱如沒有保存的 必要，可先行磨圓 （倒角），以免在細(xì)磨及拋光時(shí)撕破砂紙或拋光布，甚至造成試樣從拋光機(jī)上飛出傷人。當(dāng)試樣表面平整后，粗磨就告完成，然后將試樣用水沖洗擦干(2)細(xì)磨 經(jīng)粗磨的試樣表面雖然平整但仍還存在有較深的磨痕，如圖4所示。因此，細(xì)磨的目的就是消除這些磨痕， 以獲得一個(gè)更為平整而光滑的磨面，并為下一步拋光準(zhǔn)

13、備。圖4試樣磨面上磨痕變化情況示意圖細(xì)磨是在一套粗細(xì)程度不同的金相砂紙上由粗到細(xì)依次序進(jìn)行的。砂紙?zhí)枖?shù)：180、280、320、0、01、02、03、04、05。究竟選那幾號(hào)砂紙，磨到那號(hào)為止視鋼料和要求的情況而定。對于一般碳鋼樣品選用從 280至04號(hào)砂紙。細(xì)磨可按圖5所示的方式進(jìn)行。將砂紙平鋪在玻璃板上，一手將砂紙按住，一手將試樣磨面輕壓在砂紙上，并向前推移進(jìn)行磨削，直到磨面上僅留有一個(gè)方向的均勻的磨痕為止。在磨面上所加的壓力應(yīng)力求均衡，磨面與砂紙必須完全接觸， 這樣才能使整個(gè)磨面平均地進(jìn)行磨削。為了保證磨面平整而不產(chǎn)生曲面，磨削應(yīng)單方向進(jìn)行。向前推動(dòng)時(shí)進(jìn)行磨削，然后將磨片提起拉回，在回程

14、中不與砂紙接觸。在更換細(xì)一級砂時(shí)，須將試樣的磨削方向調(diào)轉(zhuǎn)90。即與上一道磨痕方向垂直，直到把上一道砂紙所產(chǎn)生的磨痕全部消除為止。此外，在更換砂紙時(shí)還應(yīng)將試樣，玻璃板清理干凈，以防粗砂粒帶到下一道細(xì)砂紙上產(chǎn)生粗的深痕。為了加快磨制速度可采用在轉(zhuǎn)盤上貼有不同型號(hào)砂紙的預(yù)磨機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械磨光。圖5手工磨光操作(a)操作姿勢；(b)正確的磨光操作過程4.拋光細(xì)磨后的試樣還需進(jìn)行最后一道磨制工序拋光，其目的是去除細(xì)磨時(shí)遺留下來的細(xì)微磨痕，以獲得光亮無疵的鏡面試樣的拋光一般可分為：機(jī)械拋光、電解拋光和化學(xué)拋光。這里主要介紹 機(jī)械拋光。(1) 機(jī)械拋光 試樣的機(jī)械拋光是在專用拋光機(jī)上進(jìn)行的。拋光機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是由

15、電動(dòng)機(jī)和水平拋光盤組成，轉(zhuǎn)速300500轉(zhuǎn)/分鐘。拋光盤上鋪以細(xì)帆布、呢絨、絲綢等拋光織物。拋光時(shí)在拋光盤上不斷滴注拋光液，拋光液通常采用 AI203、MgO或Cr203等細(xì)粉末(粒度約為0.31 M在水中的懸浮液(每升水中加 入A1心510克咸采用由極細(xì)鉆石粉制成的膏狀拋光劑等。A1 203又稱剛玉，白色透明，用于粗拋和精拋。MgO白色，適用于鋁、鎂及其合金等軟性材料的最后精拋。Cr203為綠色，具有很高的硬度，適用于淬火后的合金鋼，高速鋼以及鈦合金的拋光。機(jī)械拋光就是靠極細(xì)的拋光粉與磨面間產(chǎn)生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕的。操作時(shí)將試樣磨面均勻地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上(可先輕后重)并沿盤的邊

16、緣到中心不斷作徑向往復(fù)移動(dòng)，拋光時(shí)間一般約35分鐘，最后拋光后，試樣表面應(yīng)看不出任何磨痕而呈光亮的鏡面。需要指出的是拋光時(shí)間不宜過長，壓力 也不可過大，否則將會(huì)產(chǎn)生紊亂層而導(dǎo)致組織分析得出錯(cuò)誤的結(jié)論。拋光結(jié)束后用水沖洗試樣并用棉花擦干或吹風(fēng)機(jī)吹干，若只需要觀察金屬中的各種夾雜物或鑄鐵中的 石墨形狀時(shí)，則可將試樣直接置于金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。(2) 電解拋光 電解拋光是靠著電化學(xué)的作用在試樣表面形成一層 “薄膜層 ”而獲得光滑平整的磨面， 其優(yōu)點(diǎn)在于它只產(chǎn)生純化學(xué)的溶解作用而無機(jī)械力的影響，因此可避免機(jī)械拋光時(shí)引起表面層金屬的變形 或流動(dòng)，從而能夠較正確地顯示出金相組織的真實(shí)性。(3) 化學(xué)拋光

17、 化學(xué)拋光的實(shí)質(zhì)與電解拋光類似，也是一個(gè)表層溶解過程，但它純粹是靠化學(xué)藥劑對于 不均勻表面所產(chǎn)生選擇性溶解的結(jié)果而獲得光亮的拋光面。5浸蝕經(jīng)拋光后的試樣磨面， 如果直接放在顯微鏡下觀察時(shí)，所能看到的只是一片光亮，除某些夾雜物或石墨外，無法辨別出各種組織的組成物及其形態(tài)特征。因此，必須使用浸蝕劑對試樣表面進(jìn)行“浸蝕 ”，才能清楚地顯示出顯微組織。最常用的金相組織顯示方法是化學(xué)浸蝕法?；瘜W(xué)浸蝕法的主要原理就是利用浸蝕劑對試樣表面所引起 的化學(xué)溶解作用或電化學(xué)作用 (即微電池原理 )來顯示金屬的組織。它們的浸蝕方式則取決于組織中組成相 的性質(zhì)和數(shù)量，對于純金屬或單相合金來說浸蝕仍是一個(gè)純化學(xué)溶解過程

18、，由于金屬及合金的晶界上原于排列混亂， 并具有較高的能量，因此晶界處較為容易被浸蝕而呈現(xiàn)凹溝，如圖6 所示，同時(shí)由于每個(gè)晶粒中原子排列的位向不同，所以各自的溶解速度各不一樣，致使被浸蝕的深淺程度也有區(qū)別，在垂直光線的照射下將顯 示出明暗不同的晶粒。（a）鐵素體晶界（b）層片狀珠光體圖6單相和兩相組織顯示圖對于兩相以上的合金組織來說，則浸蝕主要是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過程，由于各組成相的成份不同，各自具有不同的電極電位，當(dāng)試樣浸入具有電解液作用的浸蝕劑中，就在兩相之間形成無數(shù)對微電池”具有負(fù)電位的一相成為陽極，被迅速地溶入浸蝕劑中，而使該相形成凹洼，具有正電位的另一相成為陰極， 在正常電化學(xué)作用下不受浸

19、蝕而保持原有的光滑表面。當(dāng)光線照射到凹凸不平的試樣表面時(shí)，由于各處對 光線的反射程度不同，在顯微鏡下就能觀察到各種不同的組織及組成相，如圖6（ b）所示。浸蝕方法通常是將試樣磨面浸入浸蝕劑中，也可用棉花沾上浸蝕劑擦試樣表面，浸置時(shí)間要適當(dāng)，一般使試樣磨面發(fā)暗時(shí)就可停止，如果浸蝕不足，可 重復(fù)浸蝕，浸蝕完畢后立即用清水沖洗，然后用棉花沾上酒精擦試表面并吹干，至此，金相試樣的制備工作全部結(jié)束 。（三）金相圖像采集與分析金相試樣制備好以后，即可在金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。組織觀察結(jié)束后，常常需要將圖像保存，以供日后進(jìn)一步分析和使用。傳統(tǒng)的方法是借助顯 微攝影的手段對所觀察到的圖像進(jìn)行拍攝，經(jīng)過底片的

20、曝光、沖洗、印相及放 大等步驟，獲得所需的金相照片。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像的數(shù)字化處理 技術(shù)日臻完善，將金相顯微鏡、數(shù)碼相機(jī)（或 CCD攝像機(jī)）和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的 圖像處理和分析軟件集成在一起，形成了多種金相圖像分析系統(tǒng)。圖7為MIAPS金相圖像分析系統(tǒng)CO DIS像訓(xùn)圖7圖像分析系統(tǒng)硬件連接示意圖該系統(tǒng)由金相顯微鏡、高分辨率CCD攝像頭、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)等硬件構(gòu)成。其系統(tǒng)軟件 具有如下主要功能:（1 ）圖像采集具有高分辨率彩色、灰度圖像采集能力，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集圖像；可以多幀平均，去除抖動(dòng)噪聲，提高采集質(zhì)量。（2 ）圖像顯示可以任意放大、縮小顯示圖像；多幀圖像可進(jìn)行層迭、平鋪顯示

21、以及彩色圖像灰度化和灰度圖像偽彩 色顯示。（3）個(gè)性化的圖像標(biāo)注和編輯采用獨(dú)特的圖像層標(biāo)注層分離技術(shù)，提供豐富的標(biāo)注工具。時(shí)間、日期自動(dòng)標(biāo)注；支持無限多個(gè)元素 子層，能夠方便的修改各標(biāo)注元素的位置、尺寸、字體、顏色等屬性；還可將標(biāo)尺迭加到圖像上；顯示和 打印時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)迭加圖像層和標(biāo)注層；系統(tǒng)自動(dòng)記錄標(biāo)注過程，可重復(fù)用于同類試樣的標(biāo)注。（4）實(shí)用的專用測量功能提供大量符合生產(chǎn)檢驗(yàn)和科研需要的專用測量模塊。如金屬平均晶粒度評級”、第二相面積含量測量”、非金屬夾雜評級”、顆粒度分析”、滲碳層深度測定”。所有模塊均采用 GB或國際通用標(biāo)準(zhǔn)，提供 豐富的檢驗(yàn)報(bào)告模板，數(shù)據(jù)輸岀快捷方便，用戶也可自行設(shè)計(jì)檢

22、驗(yàn)報(bào)告。四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求實(shí)驗(yàn)原理及操作要領(lǐng)講授以小班為單位集中講授，金相試樣制備、組織觀察及金相顯微照片攝制以學(xué)生自主訓(xùn)練為主，教師指導(dǎo)為輔。五、實(shí)驗(yàn)條件（1）普通金相顯微鏡；（2）砂輪機(jī)；（3）拋光機(jī)；（4）吹風(fēng)機(jī)；（5）試樣；（6） 不同型號(hào)的砂紙；（7）玻璃板；（8）拋光粉懸浮液；（9）酒精；（10） 3-4%硝酸 酒精溶液；（11）棉花；（12）圖像分析系統(tǒng)；六、實(shí)驗(yàn)步驟講解金相顯微鏡的基本原理、主要結(jié)構(gòu)、使用方法 ,金相顯微試樣的制備步 驟，設(shè)備使用方法 ,組織分析原理。每人完成一個(gè)樣品制備 ,在金相顯微鏡下觀察 顯微組織，試樣合格后再進(jìn)行顯微圖像采集和輸出。七、思考題1、何謂分

23、辯率，影響分辯率的因素有哪些？2、數(shù)值孔徑NA的含義是什么？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告簡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、顯微鏡光學(xué)原理和金相試樣的制備過程并附上所拍攝的 金相照片，對影響金相圖像質(zhì)量的因素進(jìn)行討論并回答思考題。實(shí)驗(yàn) 2：金屬凝固原理與缺陷組織分析綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 4實(shí)驗(yàn)類型：綜合實(shí)驗(yàn)要求：必修一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）觀察硝酸銀的結(jié)晶過程；（2）熟悉常見缺陷的宏觀及微觀組織的特征、形成原因及影響。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）硝酸銀結(jié)晶過程的觀察；（2）觀察熱加工宏觀、微觀缺陷，了解缺陷特征，分析產(chǎn)生原因。三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段（一）鹽（硝酸銀）的結(jié)晶鹽和金屬均為晶體。 由液態(tài)凝固形成晶體的過程叫結(jié)晶。 不論鹽的結(jié)晶或金

24、屬的結(jié)晶都遵循形核和核的長大規(guī)律。 形核又分為均勻形核和非均勻形核。 通常 情況下，由于外來雜質(zhì)、容器或模壁等的影響，一般都是非均勻形核。晶核形成 后通常均按樹枝狀方式長大形成樹枝晶體即枝晶。由于臨界晶核的尺寸很小， 晶核的大小不能用肉眼看到， 在實(shí)驗(yàn)室只能見到 正在長大的枝晶，通過直接觀察透明鹽類 （如硝酸銀等 ）的結(jié)晶過程可了解樹枝晶 體的形成過程。在玻璃片上滴上一滴硝酸銀溶液，在硝酸銀的水溶液中放入一小段細(xì)銅絲 , 銅將開始溶解 ,而銀則沉淀出來 ,在顯微鏡下觀察銀的枝晶的生長過程。硝酸銀的 結(jié)晶第一階段是在細(xì)銅絲邊緣形成一圈細(xì)小的等軸晶體， 結(jié)晶的第二階段是形成 較為粗大的晶體， 晶體

25、迅速生產(chǎn)， 直至布滿整個(gè)液滴。 其成長的方向是沿銅絲的 垂直方向延伸，因此形成了比較粗大的、帶有方向性的柱狀晶。 （二）熱加工常見缺陷（1）縮孔 多數(shù)金屬在凝固時(shí)均發(fā)生體積收縮，因此縮孔難以避免?？s孔可 分為集中縮孔與分散縮孔。 一般集中縮孔控制在鋼錠或鑄件的冒口處， 然后加以切除。若縮孔較深切除不凈時(shí)即成為殘余縮孔或因鑄型設(shè)計(jì)不當(dāng)，鑄錠上部而基本凝固，因心部在冷凝時(shí)未能及時(shí)得到液體金屬的補(bǔ)充，即形成二次縮孔。殘余縮孔或二次縮孔呈中心樹根狀孔洞，在縮孔附近一般會(huì)出現(xiàn)密集的夾雜 物、疏松或偏析，以此作為區(qū)別殘余縮孔與各種內(nèi)裂的依據(jù)。鑄件中存在縮孔， 顯著地降低其力學(xué)性能，甚至在使用過程中發(fā)生斷裂

26、事故，有縮孔存在的鋼錠， 經(jīng)軋制而未能良好焊合的縮孔，需完全切除，否則在繼續(xù)加工中導(dǎo)致鍛造裂紋或 板材、帶材的分層現(xiàn)象。(2) 氣泡 凝固時(shí)由液體金屬中釋放的氣體，因澆鑄條件不良如鑄型生銹、 涂料中存在較多水分與金屬液作用產(chǎn)生的氣體，在金屬已完全凝固時(shí)很難逸出， 于是有一部分就包容在處于塑性狀態(tài)的金屬中而形成氣孔即氣泡。鑄件中最常見的氣泡呈圓形或橢圓形。一般由液態(tài)金屬中析出的氣體而形成 的氣泡壁具有金屬光澤，表面光滑，如圖 1所示。圖1氣泡在鋼錠表面或附近的氣泡稱為皮下氣泡。常由鑄型生銹或涂料不當(dāng)而產(chǎn)生， 呈圓形或橢圓形光滑孔洞，熱加工后呈垂直于表面的裂紋。見圖2。氣泡減少鑄件的有效截面，由于

27、缺口效應(yīng)大大降低材料的強(qiáng)度； 鑄錠中的氣 泡通過熱加工可以焊合，但壓力加工中可能被氧化而不能焊合， 導(dǎo)致細(xì)裂紋或裂 縫或分層現(xiàn)象。(3) 縮松 凝固時(shí)枝晶間隙因得不到液體補(bǔ)充，而形成的顯微縮孔。大的縮松在經(jīng)切削加工后的表面上用肉眼或低倍放大鏡即能觀察到，而小的疏松則經(jīng)酸蝕后才能發(fā)現(xiàn)或用顯微鏡進(jìn)行觀察?？s松集中于鋼坯軸心部分稱為中心縮松。鋼錠中的縮松經(jīng)壓力加工可得到很大改善， 但嚴(yán)重者，因壓力加工時(shí)壓縮比 不夠等原因仍存在，如在鋼錠殘余縮孔、氣泡因焊合不良處仍可能存在疏松?？s松的存在影響鑄錠及鑄件的致密度和機(jī)加工后的表面光潔度， 降低其力學(xué) 性能；對用作液體容器或管道的鑄件， 若存在相互聯(lián)接的疏

28、松時(shí)， 不能通過水壓 試驗(yàn)或在使用中發(fā)生滲漏現(xiàn)象而報(bào)廢。(4) 偏析 鑄件或鑄錠中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。常見有枝晶偏析、方框偏 析。 枝晶偏析 固溶體合金凝固過程中，由于擴(kuò)散不充分，使得同一個(gè)晶粒 內(nèi)后凝固的部分與先凝固的部分成分不同，愈靠近枝晶中心則富含高熔點(diǎn)的組 元，愈靠近枝晶邊緣則富含低熔點(diǎn)組元， 因此凝固后便存在晶粒范圍內(nèi)的成分不 均勻現(xiàn)象，經(jīng)磨片浸蝕呈現(xiàn)樹枝狀分布。這種偏析在鑄鋼中尤其常見。同理，各個(gè)樹枝狀晶體之間最后凝固的部分， 通常為低熔點(diǎn)組成物和不可避 免的雜質(zhì)，它們與晶粒本身的成分不同，稱為晶間偏析。 方框偏析 在鋼錠的橫截面上，因凝固時(shí)雜質(zhì)被推向柱狀晶的前沿，聚 集在與中心

29、等軸晶相遇處， 酸蝕后出現(xiàn)腐蝕較深的方框區(qū)域。 方框偏析是鋼錠中 的一種區(qū)域偏析。鋼錠中存在區(qū)域偏析，特別是硫偏析(可富集達(dá)300400%)、磷偏析 (可富集達(dá) 100200%)強(qiáng)烈地降低鋼的質(zhì)量， 并給以后的加工造成種種困 難，導(dǎo)致材料的損害和機(jī)件的破壞。 如硫偏析能破壞金屬的連續(xù)性， 在鋼鍛造時(shí) 引起熱脆， 在軋制鋼板時(shí)產(chǎn)生夾層， 在承受交變載荷的零件中是引起疲勞斷裂的 主要原因之一。磷偏析使鋼具有冷脆性，并促使鋼的回火脆性。(5) 魏氏組織 是鑄鋼中常見的一種缺陷組織，如圖 3 所示。亞共析鋼鑄造 后，在高溫下形成的奧氏體晶粒往往比較粗大， 并以一定速度冷卻時(shí)， 鐵素體與 奧氏體以一定的

30、共格關(guān)系析出， 鐵素體由晶界向晶內(nèi)呈針狀長大， 使材料沖擊韌 性下降，進(jìn)行退火或正火可消除。圖3魏氏組織四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求分組集中進(jìn)行，由指導(dǎo)老師首先講解有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法， 然后學(xué)生動(dòng) 手操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生做課前預(yù)習(xí)并做實(shí)驗(yàn)記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、實(shí)驗(yàn)條件硝酸銀、砂紙、硝酸、小燒杯、玻璃片、容器等；(2) 金相顯微鏡；(3) 宏觀缺陷樣品一套、顯微缺陷樣品一套；六、實(shí)驗(yàn)步驟(1) 觀察硝酸銀的結(jié)晶，并畫出結(jié)晶組織示意圖；(2) 觀察熱加工顯微缺陷，分析其特征，畫下組織示意圖；七、思考題1 如何識(shí)別鍛造裂紋和淬火裂紋？2 冷卻速度大小對鑄錠組織有何影響？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 簡述

31、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容；2畫出硝酸銀晶體結(jié)晶過程；3畫出缺陷組織示意圖，指出缺陷的主要特征、形成原因及防止辦法。實(shí)驗(yàn) 3：鐵碳合金平衡組織觀察實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 2實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)要求：必修一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 識(shí)別和研究鐵碳合金 (碳鋼和白口鑄鐵 )在平衡狀態(tài)下的顯微組織。(2) 分析含碳量對鐵碳合金顯微組織的影響，理解成分、組織與性能之間相互 關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 在顯微鏡下觀察和分析鐵碳合金顯微樣品的平衡組織， 識(shí)別鋼和鑄鐵組織 形態(tài)的特征。(2) 根據(jù) FeFe3C 相圖分析各合金的形成過程，建立成分，組織之間相互關(guān) 系的概念。(3) 繪出所觀察的顯微組織示意圖。(4) 根據(jù)顯微組織近似確定亞

32、共析鋼的含碳量。三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段 鐵碳合金的顯微組織是研究鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)。鐵碳合金平衡狀態(tài)的組 織是指合金在極為緩慢的冷卻條件下 (如退火狀態(tài) )所得到的組織， 其相變過程均 按 Fe-Fe3C 相圖進(jìn)行，所以我們可以根據(jù)該相圖來分析鐵碳合金的平衡組織。如圖 1 所示，含碳量小于 2.11%的合金為碳鋼，含碳量大于 2.11%的合金為 白口鑄鐵。所有碳鋼和白口鑄鐵在室溫下的組織均由鐵素體(F)和滲碳體(Fe3C)這兩個(gè)基本相所組成。 只是因含碳量不同， 鐵素體和滲碳體的相對數(shù)量、 析出條 件以及分布情況各有所不同，因而呈各種不同的組織形態(tài)。1、碳鋼和白口鑄鐵在金相顯微鏡下具有下面幾

33、種基本組織(1)鐵素體(F)是碳在aFe中的固溶體。鐵素體為體心立方晶格。具有磁性 及良好的塑性，硬度較低。 用34%硝酸酒精熔液浸蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)明 亮色的多邊形晶粒： 亞共析鋼中， 鐵素體呈塊狀分布； 當(dāng)含碳量接近于共析成分 時(shí)，鐵素體則呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體周圍。圖1按組織分區(qū)的Fe-Fe3C相圖（2）滲碳體（Fe3C）是鐵與碳形成的一種化合物，其含碳量為6.69%。當(dāng)用34%硝酸酒精溶液浸蝕后，滲碳體呈亮白色（如圖2網(wǎng)狀Fe3C呈白亮色），若 用苦味酸鈉溶液浸蝕，則滲碳體呈黑色而鐵素體仍為白色（如圖3網(wǎng)狀Fe3C呈黑色）。由此可區(qū)別鐵素體與滲碳體。此外，按鐵碳合金成分和形成條件不

34、同， 滲碳體呈現(xiàn)不同的形態(tài)：一次滲碳體（初生相）直接由液體中析出，在白口鑄鐵中 呈粗大的條片狀；二次滲碳體（次生相）從奧氏體中析出，呈網(wǎng)絡(luò)狀沿奧氏體晶界 分布；經(jīng)球化退火，滲碳體呈顆粒狀。圖2網(wǎng)狀FesC呈白亮色圖3網(wǎng)狀Fe3C呈黑色（3）珠光體（P）是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，其組織是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 由杠桿定律可以求得鐵素體與滲碳體的含量比為 8： 1。因此，鐵素體厚，滲碳 體薄。硝酸酒精浸蝕后可觀察到兩種不同的組織形態(tài)：片狀珠光體 它是由鐵素體與滲碳體交替排列形成的層片狀組織，經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后，在不同放大倍數(shù)的顯微鏡下，可以看到具有不同特征的層片狀組 織。在高倍放大時(shí)（圖4），能清

35、楚地看到珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細(xì) 條滲碳體。當(dāng)放大倍數(shù)較低時(shí)（圖 5），由于顯微鏡的鑒別能力小于滲碳體片厚 度，這時(shí)就只能看到一條黑線，它實(shí)際上就表示滲碳體。當(dāng)組織較細(xì)而放大倍數(shù) 更低時(shí)，珠光體片層就不能分辨，而呈黑色。圖4片狀珠光體顯微組織2000X（電鏡） 球狀珠光體 球狀珠光體組織的特征是在亮白色的鐵素體基體上，均勻分布 著白色的滲碳體顆粒，其邊界呈暗黑色，如圖3-6照片。圖5片狀珠光體顯微組織500 X圖6粒狀珠光體組織上述各類組織組成物的機(jī)械性能見表 1。表1各類組織組成物的機(jī)械性能性能硬度抗拉強(qiáng)度斷面收縮率相對延伸率沖擊韌性組成物HBob(MN / m2)眩)3%)a(J)

36、鐵素體60 90120 23060 7540 50160滲碳體75082030 3500碳合金室溫下顯微0織特征:86090010 1591224 32球狀珠光體心,.160 19065075018 25182532 27(4) 萊氏體(Ld)室溫時(shí)是珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體所組成的機(jī)械混 合物。它是由含碳量為4.3%的液態(tài)共晶白口鑄鐵在1148C共晶反應(yīng)所形成的共 晶體(奧氏體和共晶滲碳體)其中奧氏體在繼續(xù)冷卻時(shí)析出二次滲碳體，在727C以下分解為珠光體。因此，萊氏體的顯微組織特征是在亮白色的滲碳體基底上相 間地分布著暗黑色斑點(diǎn)及細(xì)條狀的珠光體。含碳量0.0218%的鐵碳合金通常稱為工業(yè)純鐵，它為兩相組織，即由鐵素 體和三次滲碳體組成。照片7所示為工業(yè)純鐵的顯微組織，其中黑色線條是鐵素 體的晶界、而亮白色基體是鐵素體的不規(guī)則等軸晶粒。在晶界上存在少量三次滲碳體，呈現(xiàn)出白色的不連續(xù)的網(wǎng)狀，由于量少，有時(shí)看不出。LXV 1: 圖7工業(yè)純鐵的顯微組織2、碳鋼的種類(1) 共析鋼含碳量為0.77%的鐵碳合金。其顯微組織由單一的珠