材料科學基礎(chǔ)A1實驗指導書

1、材料科學基礎(chǔ)A實 驗 指 導 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材料科學與工程學院2009年9月前 言 本課程的基本內(nèi)容主要包括晶體學基礎(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動、材料的形變與再結(jié)晶理論、熱處理工藝及組織的理論。通過學習學生需要掌握材料科學的基礎(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。為了訓練和培養(yǎng)學生進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“光學顯微鏡與微觀組織分析綜合實驗”、“金屬凝固原理與宏觀組織分析綜合實驗”、“鐵碳合金平衡組織觀察”和“鋼的熱處理操作、

2、組織觀察及硬度測定綜合實驗”、“鑄鐵的組織觀察”、 “有色金屬的組織觀察”六個實驗。 “光學顯微鏡與微觀組織分析綜合實驗”主要讓學生了解金相顯微鏡的光學原理、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驗”主要讓學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用及操作方法，進一步了解材料宏觀缺陷的組織特征及形成條件。 “鐵碳合金平衡組織觀察”實驗主要讓學生識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，進一步理解合金成分、組織和性能之間的關(guān)系。 “鋼的熱處理操作、組織觀察及

3、硬度測定綜合實驗”主要讓學生學會熱處理工藝的操作方法,識別組織形貌,了解材料的成分、工藝、組織和性能之間的相互關(guān)系?！拌T鐵的組織觀察”主要培養(yǎng)學生熟悉Fe-C(石墨)的相圖，識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)學生熟悉有色金屬的相圖，識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。實驗1：光學顯微鏡與微觀組織分析綜合實驗實驗學時：4實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗目的1.掌握金相顯微鏡的構(gòu)造及使用,利用顯微鏡進行顯微組織分析；2.掌握金相顯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、實驗內(nèi)容

4、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)常需要進行金相組織的檢驗和分析。金相顯微分析就是利用顯微鏡的光學原理借助試樣表面對光線的反射特點來進行的。為了對金相顯微組織進行鑒別和研究，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。本實驗涉及到學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。通過實驗訓練學生材料顯微分析的綜合能力。三、實驗原理、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儀器，它實際上就是一塊集

5、合透鏡（凸透鏡），利用它可以將物體放大，其成像光學原理，如圖1所示。圖1 放大鏡的光學原理AB物體 物象 f焦距當物體AB放在透鏡與其焦點F之間時，則經(jīng)透鏡的光線就分散開來，從放大鏡后面觀察，可以看到一個放大了正虛象，此象的長度與物體長度比值（即/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（af），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： 由式中可知，透鏡的焦距f越短，則放大鏡的放大倍數(shù)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2.525倍之間，若進一步提高放大倍數(shù)，將會由于透鏡

6、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，就得采用由多個透鏡組成的顯微鏡。 現(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其折射率不同。若用白色光照明時，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，在離透鏡最遠處成象。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，而呈現(xiàn)出帶有彩

7、色邊緣的光環(huán)。色象差的存在也會降低透鏡成象的清晰度，也應予以校正，通常采用單色光源(或加濾光片)，也可使用復合透鏡。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，復消色差物鏡和半復消色差物鏡等。 目鏡也是顯微鏡中的主要組成部分，是第二個透鏡組。它的主要作用是將由物鏡放大所得的實象再度放大，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)造型式一般可分為普通目鏡，補償目鏡，以及測物目鏡等。普通目鏡其映象未經(jīng)校正，應與消色差物鏡配合使用。補償目鏡須與復消色差物鏡或半復消色差物

8、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)。 將試樣放在樣品臺中心，使觀察面朝下并用彈簧片壓住。 轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪先使鏡筒上升，同時用眼觀察，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)動粗調(diào)手輪，使鏡筒漸漸下降以調(diào)節(jié)焦距，當視場亮度增強時再改用細調(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。使用時的注意事項 操作應細心，不能用任何粗暴和劇烈的動作，

9、光學系統(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)(或細調(diào))手輪時，動作要慢，碰到某種阻礙時應立即報告，弄清原因，不得用力強行轉(zhuǎn)動，否則就會損壞機件。 （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：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

10、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1215mm、高度（或邊長）為1215mm的圓柱體或方形試樣，如圖2所示。圖2 金相試樣的尺寸 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

11、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把試樣鑲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3所示。圖3 金相試樣的鑲嵌方法(a)、(b)，機械鑲嵌；(c)，低熔點合金鑲嵌；(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

12、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)粗磨的試樣表面雖然平整但仍還存在有較深的磨痕，如圖4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，并為下一步拋光準備。圖4 試樣磨面上磨痕變化情況示意圖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。砂紙?zhí)枖?shù):180、280、320、0、01、02、03、04、05。究竟選那幾號砂紙，磨到那號為止視鋼料和要求的情況而定。對于

13、一般碳鋼樣品選用從280至04號砂紙。細磨可按圖5所示的方式進行。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，并向前推移進行磨削，直到磨面上僅留有一個方向的均勻的磨痕為止。在磨面上所加的壓力應力求均衡，磨面與砂紙必須完全接觸，這樣才能使整個磨面平均地進行磨削。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。在更換細一級砂時，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

14、。為了加快磨制速度可采用在轉(zhuǎn)盤上貼有不同型號砂紙的預磨機實現(xiàn)機械磨光。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。這里主要介紹機械拋光。(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(jié)構(gòu)是由電動機和水平拋光盤組成，轉(zhuǎn)速300500轉(zhuǎn)分鐘。拋光盤上鋪以細帆布、呢絨、絲綢等拋光織物。拋光時在拋光盤上不斷滴注拋光液，拋光液通常采用Al203、MgO或Cr203等細粉末(粒度約為0.31)在水中的懸浮液(每

15、升水中加入A1203510克)或采用由極細鉆石粉制成的膏狀拋光劑等。A1203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。 機械拋光就是靠極細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)并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復移動，拋光時間一般約35分鐘，最后拋光后，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(jié)論。 拋光結(jié)束后用水

16、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金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。(3)化學拋光 化學拋光的實質(zhì)與電解拋光類似，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(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，所能看到的只是一片光亮，除某些夾雜物或石墨

17、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(zhì)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

18、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，則浸蝕主要是一個電化學腐蝕過程，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，在正常電化學作用下不受浸蝕而保持原有的光滑表面。當光線照射到凹凸不平的試樣表面時，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，浸置時間要適當

19、，一般使試樣磨面發(fā)暗時就可停止，如果浸蝕不足，可重復浸蝕，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行拍攝，經(jīng)過底片的曝光、沖洗、印相及放大等步驟，獲得所需的金相照片。隨著計算機技術(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（或CCD攝像機）和計算機及相應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

20、析系統(tǒng)。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、計算機和打印機等硬件構(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，可以實時動態(tài)采集圖像；可以多幀平均，去除抖動噪聲，提高采集質(zhì)量。（2）圖像顯示可以任意放大、縮小顯示圖像；多幀圖像可進行層迭、平鋪顯示以及彩色圖像灰度化和灰度圖像偽彩色顯示。（3）個性化的圖像標注和編輯采用獨特的圖像層標注層分離技術(shù)，提供豐富的標注工具。時間、日期自動標注；支持無限多個元素子層，能夠方便的修改各標注元素的位置、尺寸、字體、顏色等屬性；還可將標尺迭加到圖像上；顯示和打印時系統(tǒng)自動迭加圖

21、像層和標注層；系統(tǒng)自動記錄標注過程，可重復用于同類試樣的標注。（4）實用的專用測量功能提供大量符合生產(chǎn)檢驗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或國際通用標準，提供豐富的檢驗報告模板，數(shù)據(jù)輸出快捷方便，用戶也可自行設(shè)計檢驗報告。四、實驗組織運行要求實驗原理及操作要領(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生自主訓練為主，教師指導為輔。五、實驗條件（1）普通金相顯微鏡；（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

22、；（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、實驗步驟 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。每人完成一個樣品制備,在金相顯微鏡下觀察顯微組織，試樣合格后再進行顯微圖像采集和輸出。七、思考題 1、何謂分辯率，影響分辯率的因素有哪些？、數(shù)值孔徑NA的含義是什么？八、實驗報告簡述實驗目的、顯微鏡光學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)量的因素進行討論并回答思考題。實驗2：金屬凝固原理與缺陷組織分析綜合實驗實驗學時：4實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗

23、目的：(1) 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、實驗內(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、實驗原理、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，在實驗室只能見到正在長大的枝晶，通過直接觀察透明

24、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)晶第一階段是在細銅絲邊緣形成一圈細小的等軸晶體，結(jié)晶的第二階段是形成較為粗大的晶體，晶體迅速生產(chǎn)，直至布滿整個液滴。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即成為殘余縮孔或因鑄型設(shè)計

25、不當，鑄錠上部而基本凝固，因心部在冷凝時未能及時得到液體金屬的補充，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，顯著地降低其力學性能，甚至在使用過程中發(fā)生斷裂事故，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)加工中導致鍛造裂紋或板材、帶材的分層現(xiàn)象。 (2)氣泡 凝固時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

26、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 圖2 皮下氣泡 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，由于缺口效應大大降低材料的強度；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，導致細裂紋或裂縫或分層現(xiàn)象。(3)縮松 凝固時枝晶間隙因得不到液體補充，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)或用顯微鏡進行觀察?？s松集中于鋼坯軸心部分稱為中

27、心縮松。 鋼錠中的縮松經(jīng)壓力加工可得到很大改善，但嚴重者，因壓力加工時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。 縮松的存在影響鑄錠及鑄件的致密度和機加工后的表面光潔度，降低其力學性能；對用作液體容器或管道的鑄件，若存在相互聯(lián)接的疏松時，不能通過水壓試驗或在使用中發(fā)生滲漏現(xiàn)象而報廢。 (4)偏析 鑄件或鑄錠中化學成分不均勻的現(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，由于擴散不充分，使得同一個晶粒內(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的組元，愈靠近枝晶邊緣則富含低熔點組元，因此凝固后便存在晶粒范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象

28、，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，各個樹枝狀晶體之間最后凝固的部分，通常為低熔點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，因凝固時雜質(zhì)被推向柱狀晶的前沿，聚集在與中心等軸晶相遇處，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300400%)、磷偏析(可富集達100200%)強烈地降低鋼的質(zhì)量，并給以后的加工造成種種困難，導致材料的損害和機件的破壞。如硫偏析能破壞金屬的連續(xù)性，在鋼鍛造時引起熱脆，在軋制鋼板時產(chǎn)生夾層，在承受交變載荷的零件中是引起疲勞斷裂的主

29、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，鐵素體與奧氏體以一定的共格關(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，進行退火或正火可消除。圖3 魏氏組織 四、實驗組織運行要求分組集中進行，由指導老師首先講解有關(guān)實驗原理和實驗方法，然后學生動手操作實驗。實驗要求學生做課前預習并做實驗記錄，實驗結(jié)束后撰寫實驗報告。五、實驗條件(1)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、實驗步

30、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、實驗報告1簡述實驗目的、實驗內(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。實驗3：鐵碳合金平衡組織觀察實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：必修一、實驗目的(1) 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。(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、實驗內(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，

31、識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共析鋼的含碳量。三、實驗原理、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)這兩個基本相所組成。

32、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種基本組織(1)鐵素體(F) 是碳在-Fe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；當含碳量接近于共析成分時，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），

33、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Fe3C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

34、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（圖4），能清楚地看到珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體。當放大倍數(shù)較低時（圖5），由于顯微鏡的鑒別能力小于滲碳體片厚度，這時就只能看到一條黑線，它實際上就表示滲碳體。當組織較細而放大倍數(shù)更低時，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 2000×(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× 圖6粒狀珠光體組織 上述各類組織

35、組成物的機械性能見表1。性能硬 度抗拉強度斷面收縮率相對延伸率沖擊韌性組成物HBb(MNm2)()()k(J)鐵素體609012023060754050160滲碳體75082030350片狀珠光體19023086090010159122432球狀珠光體160190650750182518253227表1 各類組織組成物的機械性能鐵碳合金室溫下顯微組織特征： 1. 工業(yè)純鐵(4)萊氏體(Ld) 室溫時是珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體所組成的機械混合物。它是由含碳量為4.3%的液態(tài)共晶白口鑄鐵在1148 共晶反應所形成的共晶體(奧氏體和共晶滲碳體)其中奧氏體在繼續(xù)冷卻時析出二次滲碳體，在727 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及細條狀的珠光體。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，有時看不出。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