工程材料綜合實驗報告教材

工程材料綜合實驗1.金相顯微鏡的構造及使用2.金相顯微試樣的制備3.鐵碳合金平衡組織觀察實驗目的1、了解金相顯微鏡的光學原理和構造，初步掌握金相顯微鏡的使用方法及利用顯微鏡進行顯微組織分析。學習金相試樣的制備過程，了解金相顯微組織的顯示方法。3、識別和研究鐵碳合金(碳鋼和白口鑄鐵)在平衡狀態(tài)下的顯微組織，分析含碳量對鐵碳合金顯微組織的影響，加深理解成分、組織與性能之間的相互關系。實驗步驟與過程金相顯微鏡的構造及使用①．實驗原理由燈泡發(fā)出—束光線，經(jīng)過聚光鏡組(一)及反光鏡，被會聚在孔徑光欄上，然后經(jīng)過聚光鏡組(二)，再度將光線聚集在物鏡的后焦面上。最后光線通過物鏡，用平行光照明標本，使其表面得到充分均勻的照明。從物體表面散射的成象光線，復經(jīng)物鏡、輔助物鏡片(一)、半透反光鏡、輔助物鏡片(一)、棱鏡與半五角棱鏡，造成一個物體的放大實象。該象被目鏡再次放大。照明部分的光學系統(tǒng)是按照庫勒照明原理進行設計的，其優(yōu)點在于視場照明均勻。用孔徑光欄和視場光欄，可改變照明孔徑及視場大小，減少有害漫射光，對提高象的襯度有很大好處。②．主要結構1．底座組：底座組是該儀器主要組成部分之一。底座后端裝有低壓燈泡作為光源，利用燈座孔上面兩邊斜向布置的兩個滾花螺釘，可使燈泡作上下和左右移動；轉松壓育直紋的偏心圈，燈座就可帶著燈泡前后移動，然后轉緊偏心圈，燈座就可緊固在燈座孔內(nèi)。燈前有聚光鏡、反光鏡和孔徑光欄組成的部件，這織裝置僅系照明系統(tǒng)的一部分，其余尚有視場光欄及另外安裝在支架上的聚光鏡。通過以上一系列透鏡及物鏡本身的作用，從而使試樣表面獲得充分均勻的照明。2.粗微動調焦機構：粗微動調焦機構采用的足同軸式調焦機構。粗動調焦手輪和微動調焦手輪是安裝在粗微動座的兩側，位于儀器下部，高度適宜。觀察者雙手只需靠在桌上及儀器底座上即可很方便地進行調焦，長時間的使用也不易產(chǎn)生疲勞的感覺。旋轉粗動調焦手輪，能使載物臺迅速地上升或下降，旋轉微動調焦手輪，能使載物臺作緩慢的上升或下降，這是物鏡精確調焦所必需的。右微動手輪上刻有分度，每小格格值為0．002毫米，估讀值為0．001毫米。在右粗動調焦手輪左側，裝有松緊調節(jié)手輪，利用摩擦原理，根據(jù)載物臺負荷輕重，調節(jié)手輪的松緊程度(以鏡臂不下滑，且粗、微動調焦手輪轉動舒適為宜)。這也就解決了儀器長期使用后因磨損而產(chǎn)生的下滑現(xiàn)象。在左粗動手輪右側，裝有粗動調焦單向限位手柄。當限位手柄順時針轉動鎖緊后(手柄向上)，載物臺不再下降，但是反向轉動粗動調焦手輪，載物臺仍可迅速上升。利用此機構的這一特性，當用一物鏡調好成象后，扳緊限位手柄，若要換用另一物鏡觀察，只要旋轉粗動調焦手輪，使載物臺迅速上升后，轉換物鏡，再反向旋轉粗動調焦手輪，載物臺可迅速地下降到原定位位置，從日鏡中便可看到原來已調好的成象。這樣使操作更為迅速、方便、可靠。并且可以防止因使用不慎而導致物鏡和試樣相撞。此種粗微動調焦機構還有一特點：轉動微動調焦手輪，鏡臂移動在全行程上、下兩端定位位置時，會自行反向，使鏡臂下降或上升，而不致使微動調焦機構損環(huán)。3．物鏡轉換器：物鏡轉換器結構精密，用手指捏住轉換器外圓，轉動轉換器，就可實現(xiàn)更換不同倍數(shù)的物鏡，且轉動舒適、簡便，不同倍數(shù)物鏡更換前后，視場中央?yún)^(qū)域是保持在觀察范圍內(nèi)的。4．載物臺：XJP--3A金相顯搬鏡采用的是機械移動式載物臺，載物臺上可安裝試樣壓片組，用以壓緊試樣，使用更為方便。5．目鏡管組：XJP--3A型金相顯微鏡配的是雙筒目鏡組。兩種目鏡管組可以互相更換使用，更換時需將棱鏡座下的固定螺釘旋松，即可取下．裝上時，再擰緊固定螺釘。6．物鏡與目鏡：XJP-3A型雙目金相顯微鏡是采用的平場消色差物鏡(100X為半平場消色差物鏡)配合平場目鏡(5X為惠更斯目鏡)，象面平坦，象質更佳，觀察更為舒適，攝影質量更高。③.使用操作方法1．一手握住燈座，一手轉動壓有直紋的偏心圈，即可抽出燈座，將燈泡插入燈座后，再將燈座插入底座孔內(nèi)。2．將底盤電源接好、并開亮燈泡。3．XJP--3A型雙目金相顯錘微鏡為雙筒目鏡組，需調整兩目鏡的中心距，使之與觀察者兩眼瞳孔距相適應，同時應轉動目鏡調節(jié)圈，使其示值與瞳孔距示值一致，否則會影響成象質量及齊焦性能。4．把一個磨得很光亮，大約在100X下進行觀察的試樣，放在載物臺上。此時應考慮采用適宜孔徑的載物片。5．將10X物鏡安裝在工作位置上。6．裝上10X目鏡，通過顯微鏡觀察，轉動粗調焦手輪，在見到所觀察試樣的象時，再轉動微調焦手輪，直到象清晰為止。7．旋轉視場光欄圈，使光欄縮小，直至視場中出現(xiàn)比目鏡視場光欄略小的可變光欄象。8．利用兩個調節(jié)螺釘，使視場中的可變光欄象的中心與目鏡視場光欄中心大致重合。9.打開視場光欄，使其象恰好消失于目鏡視場光欄之外為止。有時為了得到良好的襯度的象或者消除視場邊緣模糊部分，有必要把視場光欄象適當小。10．調節(jié)孔徑光欄直徑至10毫米(可按照光欄上刻度數(shù)定位)，在其蓋玻片面上放置磨砂玻璃，其磨砂面應向光欄一面。調節(jié)燈泡位置(燈座前后、上下、左右移動)，使孔徑光欄獲得最明亮而均勻的照明后，再轉動偏心圈，將燈座固定在燈座孔中。11．根據(jù)所觀察試樣的要求，調節(jié)孔徑光欄的大小。一般使用情況下，可使孔徑光欄在物鏡出射瞳孔上的象約占物鏡出射瞳孔直徑的2／3。要進行這一調節(jié)工作，可把目鏡移出鏡管，并從鏡管中觀察物鏡后面的情況。12．儀器需進行顯微攝影時(XJP-3A型雙目金相顯微鏡需把其雙筒目鏡組換成單簡目鏡管組)，只要把海鷗牌ZA4A型金相顯微攝影儀聯(lián)在儀器底座上，便單筒目鏡管左轉至水平位置，套上遮光罩，即可通過攝影儀的監(jiān)測目鏡進行調焦，使其成象清晰，并使其視場四周亮度及清晰度均勻一致，此時即可進行顯微攝影。④．儀器維護與保養(yǎng)1．顯檄鏡不論在使用或存放時，應避免灰塵、潮濕、過冷、過熱與含有酸堿性的蒸氣。2．不W將有腐蝕性的化學品放在顯微鏡附近，同樣不可在顯微鏡櫥內(nèi)放有腐蝕性化學品(干燥劑除外)。3．透鏡表面若有污漬時，可用清潔的亞麻布或脫脂紗布沾少許二甲苯或酒精與乙醚的混合液輕輕揩拭，但不得過多使用酒精，否則透鏡膠將會被溶解而出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象。4．顯微鏡鏡筒內(nèi)之灰塵，可用羊毛織品摩擦過的火漆棒吸去。5．儀器長期使用后，粗微動座與滑板之間的導軌面、機械移動載物臺導軌面及手動載物臺與托盤之間的滑合面可能發(fā)生油脂不足或干涸現(xiàn)象。此時應注意及時添加潤滑油脂。所用油脂宜粘度適當，避免酸性。若載物臺部位需更換新的油脂，應把它推向一側，再向上推，使載物臺臺面與托盤接合面脫離，就可以取下載物臺面及四方導架(應注意導架安放位置，以免重新安裝時錯位)。用汽油把載物臺與托盤之間的上、下滑動面及導向槽、四方導架清洗干凈、涼干，然后用毛刷在滑動面上涂敷一層極薄的潤滑油脂，在導向槽中也涂上一層油脂，然后按原來安裝位置裝好，前后左右方向推動載物臺臺面，使其滑動面油脂分布均勻。6．使用100X油物鏡時，香柏油用量應適宜。香柏油過多會流入鏡座內(nèi)，影響物鏡光學性能。100X油浸物鏡用后必須將香柏油拭去，再用亞麻布或脫脂紗布沾少許二甲苯或酒精與乙醚的混合液，將光學零件及機械零件表面擦拭干凈。7．顯微鏡不用時，整臺儀器應用防塵罩罩住。不用的物鏡、目鏡、10x分劃目鏡、o．01mm測微尺，應放入附件盒內(nèi)。同時應注意；如果物鏡和目鏡從儀器上卸下后，則必須在物鏡螺孔內(nèi)旋上物鏡螺孔荒，而在目鏡管上套上目鏡筒罩蓋，以防止灰塵侵入金相顯微試樣的制備金相試樣的制備方法金相顯微試樣的制備過程包括有如下工序：取樣、鑲樣、磨制、拋光、浸蝕等。面就各道工序加以簡要說明：取樣取樣是進行金相顯微分析中很重要的一個步驟，顯微試樣的選取應根據(jù)研究的目的，取其具有代表性的部位，例如：在檢驗和分析失效零件的損壞原因時(廢品分析)除了在損壞部位取樣外，還需要在距破壞處較遠的部位截取試樣，以便比較；在研究鑄件組織時，由于偏析現(xiàn)象的存在，必須從表面層到中心，同時取樣進行觀察；對于軋制和鍛造材料則應同時截取橫向(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2～15mm、高度（或邊長）為12—15mm的圓柱體或方形試樣，如圖2—1所示。試樣的截取方法視材料的性質不同而異；軟的金屬可用手鋸或鋸床切割；對硬而脆的材料(如白口鑄鐵)則可用錘擊打下；對極硬的材料（如淬火鋼）則可采用砂輪切片機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，影響分析結果。2、鋃嵌

對尺寸過于細小的金屬絲、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鋃嵌機把試樣鋃嵌在低熔點合金或塑料(如膠木粉，聚乙烯聚合樹脂等)中，如圖2—2所示。3、磨制試樣的磨制一般分為粗磨與細磨（1）粗磨粗磨的目的是為了獲得一個平整的表面，同時為了去掉截取時有組織變化的部分(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上進行。但在磨制時應注意：試樣對砂輪的壓力不宜過大，否則會在試樣表面形成很深的磨痕，從而增加了細磨和拋光的困難；要隨時用水冷卻試樣，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)，以免在細磨及拋光時撕破砂紙或拋光布，甚至造成試樣從拋光機上飛出傷人。當試樣表面平整后，粗磨就告完成，然后將試樣用水沖洗擦干。（2）細磨經(jīng)粗磨的試樣表面雖較平整但仍還存在有較深的磨痕，如圖2—3所示。因此，細磨的目的就是消除這些磨痕，以獲得一個更為平整而光滑的磨面，并為下一步拋光作準備。細磨是在一套粗細程度不同的金相砂紙上由粗到細依次序進行的。細磨可按圖2—4所示的方式進行。將砂紙平鋪在玻璃板上，一手將試樣磨面輕壓在砂紙上，并向前推移進行磨削，直直到磨面上僅留有一個方向的均勻的磨痕為止。在磨面上加的壓力應力求均勻，磨面與砂紙必須完全接觸，這樣才能使整個磨而平均地進行磨削。為了保證磨面平整而不產(chǎn)生曲面，磨削應單方向進行，向前推動時進行磨削，然后將磨片提起拉回，在回程中不與砂紙接觸。在更換細一級砂紙時，須將試樣的磨削方向調轉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上。此外，在更換砂紙時還應將試樣，玻璃板清理干凈，以防粗砂粒帶到下一道細砂紙上產(chǎn)生粗的深痕。為了加快磨制速度可采用在轉盤上貼有不同型號砂紙的預磨機實現(xiàn)機械磨光。4、拋光細磨后的試樣還需進行最后一道磨制工序—拋光，其目的是去除細磨時遺留下來的細微磨痕，以獲得光亮無疵的鏡面。試樣的拋光一般可分為：機械拋光、電解拋光和化學拋光（1）機械拋光試樣的機械拋光是在專用拋光機上進行的。拋光機的主要結構是由電動機和水平拋光盤組成，轉速300～500轉／分鐘。拋光盤上鋪以細帆布、呢絨、絲綢等拋光織物。拋光時在拋光盤上抹拋光膏。機械拋光就是靠極細的拋光膏與磨面間產(chǎn)生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕。操作時將試樣磨而均勻地壓在旋轉的拋光盤上（可先輕后重）：并沿盤邊緣邊到中心不斷作徑向往復移動，拋光完后試樣表面應看不出任何磨痕而呈光亮的鏡面。需要指出的是拋光時間不宜過長，壓力也不可過大，否則將會產(chǎn)生紊亂層而導致組織分析得出錯誤的結論。拋光結束后用水沖洗試樣并用棉花擦干或吹風機吹干，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,則可將試樣直接置于全相顯微鏡下進行觀察。（2）電解拋光電解拋光是靠著電化學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)點在于它只產(chǎn)生純化學的溶解作用而無機械力的影響，因此可避免機械拋光時引起表面層金屬的變形或流動，從而能夠較正確地顯示出金相組織的真實性。這種拋光法目前工廠和研究單位已在廣泛應用，特別是對于有色金屬及其他硬度低、塑性大的金屬，效果較好，如鋁合金、高錳鋼、不銹鋼等。但對于金屬基體的非金屬夾雜物、化學成分不均勻的偏析組織、用塑料鋃嵌樣品的試樣不適于采用此法。（3）化學拋光化學拋光的實質與電解拋光相類似，也是一個表層溶解過程，但它純粹是靠化學藥劑對于不均勻表面所產(chǎn)生選擇性溶解的結果而獲得光亮的拋光面?；瘜W拋光操作簡便，不需要專用拋光設備，成本低，有不產(chǎn)生金屬表面擾亂等優(yōu)點，它的缺點是拋光液易失效，夾雜物易蝕掉，拋光面平整度質量差，只能在低倍數(shù)下（低于100倍）作常規(guī)檢驗工作。化學拋光兼有化學浸蝕作用，可以立即在金相顯微鏡下觀察。實踐證明，軟金屬利用化學拋光要比機械拋光和電解拋光效果好?；瘜W拋光液可采用如下成份：草酸2.5克，過氧化氫1.3克（或改用3%雙氧水50毫升），硫酸0.01克，蒸餾水50～100毫升。上述試劑對碳鋼、普通合金鋼的退火及淬火狀態(tài)組織進行化學拋光具有良好效果。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，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浸蝕法。化學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溶解作用或電化學作用（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和數(shù)量。對于純金屬或單相合金來說浸蝕仍是一個純化學溶解過程，由于金屬及合金的晶界上原子排列混亂，并具有較高的能量，因此晶界處較為容易被浸蝕而呈觀凹溝，如圖2—6（a）所示；同時由于每個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。②.實驗所用設備及材料（1）金相顯微鏡；（2）砂輪機；（3）拋光機；（4）吹風機；（5）試樣；（6）不同型號的砂紙；（7）玻璃板；（8）拋光膏；（9）酒精；（10）3～4％硝酸酒精溶液；（11）棉花（12）竹夾子。③．實驗中存在的問題鐵碳合金平衡組織觀察實驗組織采集圖：鐵素體放大100倍鐵素體鐵素體鐵素體放大400倍鐵素體鐵素體鐵素體珠光體放大100倍鐵素體+珠光體鐵素體珠光體鐵素體珠光體放大400倍鐵素體+珠光體鐵素體珠光體鐵素體珠光體放大100倍鐵素體+珠光體鐵素體珠光體鐵素體珠光體鐵素體珠光體放大400倍鐵素體+珠光體鐵素體珠光體放大100倍鐵素體+珠光體鐵素體珠光體珠光體鐵素體放大400倍鐵素體+珠光體珠光體鐵素體珠光體珠光體放大100倍珠光體珠光體放大400倍珠光體珠光體網(wǎng)狀滲碳體珠光體放大100倍珠光體+網(wǎng)狀滲碳體網(wǎng)狀滲碳體珠光體珠光體珠光體網(wǎng)狀滲碳體放大400倍珠光體+網(wǎng)狀滲碳體珠光體珠光體網(wǎng)狀滲碳體二次滲碳體萊氏體珠光體珠光體二次滲碳體萊氏體珠光體珠光體放大100倍二次滲碳體+珠光體+萊氏體二次滲碳體萊氏體珠光體放大400倍二次滲碳體+珠光體+萊氏體二次滲碳體萊氏體珠光體萊氏體放大100倍萊氏體萊氏體萊氏體放大400倍萊氏體萊氏體萊氏體一次滲碳體放大100倍一次滲碳體+萊氏體萊氏體一次滲碳