材料工程基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書

1、 姓名： 班級： 學(xué)號： 材料工程基礎(chǔ)金相實驗 材料工程基礎(chǔ) 實驗指導(dǎo)書實驗一 金相試樣制備與組織觀察綜合實驗實驗學(xué)時：6h 實驗性質(zhì)：綜合性一、實驗?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，能識別這些組織；掌握FeC合金平衡和非平衡組織的特征。二、 實驗內(nèi)容 本次實驗為綜合實驗，要求綜合運用金相顯微鏡和各種金相制樣設(shè)備學(xué)會各種不同試樣的金相制樣要點，并能分析合金尤其是鐵碳合金的典型組織。 實驗分

2、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，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。實驗中各階段每位同學(xué)獨立完成。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，寫出實驗步驟，然后到實驗室通過自己的操作體會各個過程。三、 實驗儀器、設(shè)備及材料3.1實驗儀器、設(shè)備砂輪機、預(yù)磨機、拋光機、電吹風(fēng)、金相顯微鏡3.2 實驗材料試樣：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 實驗原理4.1 金相顯微鏡結(jié)構(gòu)與使用4.1.1成像原理簡單地說，成像原理就是

3、將物像兩級放大。如圖11所示。物AB經(jīng)物鏡放大成一倒立的實像AB，再經(jīng)目鏡放大成虛像AB。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：f物，f目物鏡和目鏡的焦距；l顯微鏡的光鏡筒長度放大倍數(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，根據(jù)需要，往往高、低倍變換使用。 圖11 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 像差就是物點經(jīng)透鏡后不能聚焦于一點，而使像模糊不清的現(xiàn)象。像差越小，則物越清晰。像差的大

4、小，不僅與顯微鏡的設(shè)計制造有關(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。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，使像模糊不清的現(xiàn)象叫球差(圖13)。使用顯微鏡時縮小孔徑光欄，可減輕球差，提高像的清晰度。色差：不同波長的色光經(jīng)透鏡后，不能聚焦于一點，使像不清晰的現(xiàn)象叫色差（圖14）。使用顯微鏡時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15)。像域彎曲對顯微攝影不利，所以攝影時，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)消色差物鏡。

5、 圖13 球差示圖 圖14 色差示圖3） 顯微鏡的分辨率顯微鏡能區(qū)分開的兩點間的最小距離叫分辨率，所以分辨率又可表示為或光源波長物鏡的孔徑角的1/2，如圖16所示；叫物鏡的數(shù)值孔徑，表示物鏡的聚光能力，顯微鏡的分辨率。英語縮寫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)用波長短的光源；(2)增大孔徑光欄以增加有效的孔徑角；(3)用折射率大的光介物鏡與試樣間的介質(zhì)對光的折射率。 圖15 像域彎曲示圖 圖16 孔徑角4.1.2 照明方式1）明場照明明場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，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，

6、其像就是明亮的，故叫明場照明。試面上的劃痕，孔洞則是暗黑的。2）暗場照明 由明場變?yōu)榘祱龅姆椒ㄊ牵河铆h(huán)形光欄代替孔徑光欄，再在物鏡外套一弧形反射聚光器。暗場的照明效果同明場相反。平滑磨面的像是暗黑的，而劃痕、凹坑則是明亮的。 與明場相比，暗場的襯度好，分辨率高，能判斷非金屬類雜物的透明度和顏色。所以暗場是鑒別非金屬夾雜物的一種不可缺少的照明方式。 圖17 顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)圖 圖18 顯微鏡結(jié)構(gòu) 4.1.3 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。因為像的校正情況不同，有不同類型的物鏡。各類

7、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)。 視場光欄：其位置在孔徑光欄之后。視場光欄不影響像的清晰度和分辨率，只能改變視場大小，提高襯度。4）濾色片濾色片作用主

8、要有三：(1)減少色差，提高像的清晰度；(2)提高分辨率；(3)制成彩色金相試樣，而采用黑白底片攝影時，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、組織真實清晰。4.2.1 金相試樣觀察原理顯示金屬組織的基本原理是：由于金屬內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)有著一定的排列規(guī)則，晶粒內(nèi)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，明暗度不同或顏色不同。制樣時首先把金屬表面磨平，再選用適當(dāng)?shù)母g劑進(jìn)行腐蝕，在

9、晶界、相界等原子排列較紊亂的地方會容易被腐蝕，使晶粒或各相得以顯示出來。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)這項特征可以觀察和分析金屬晶粒的大小、組織分布的特征等。4.2.2 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21所示。檢查高速鋼鍛造后的碳化物級別，必須取半徑的1/2處?？傊瑱z查內(nèi)容各不相同，取樣部位和方

10、向就靈活多樣。切取時嚴(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21 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。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。用砂輪磨時用力要小，并經(jīng)常用水冷卻；用砂紙磨時由粗到細(xì)逐次磨制，可將砂紙鋪于平板玻璃上，進(jìn)行手工磨制

11、，也可將砂紙鋪在預(yù)磨機的盤上，當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時，就可進(jìn)行機械磨制，采用水砂紙時要不斷地加水冷卻。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，應(yīng)將試樣和手上的砂粒除凈，同時將試樣旋轉(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。拋光的方法有機械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光、機械電解拋光、機械化學(xué)拋光。本

12、實驗采用最常用的機械拋光法。 機械拋光是在專用拋光機上進(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(Cr2O3或Al2O3)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)運動。拋光時間一般是35分鐘，當(dāng)磨痕消失而呈現(xiàn)光亮的鏡面時，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、恒電位法等等，本實驗用最常用的化學(xué)浸蝕法。顯示組織的化學(xué)試劑有酸、堿、鹽類及

13、某些溶劑(水或有機溶劑作緩蝕劑)。 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，可查閱有關(guān)手冊。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，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4.3.1 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

14、就是一個個的晶粒，如圖31(左)所示。而非平衡組織存在枝晶偏析的特點：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31 單相固溶體組織示意圖2）共晶型組織特征 (1)共晶體特征：二元合金的共晶體是兩相的均勻混合物，其中一個相是連續(xù)相，另一個相則孤立地分布于連續(xù)相中，按孤立相的形態(tài)，共晶組織有層片狀，短棒狀和針狀(圖32) (a)層片狀 (b)短棒狀 (c)針狀圖32 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

15、直邊多邊形，如三角形、四邊形、長直條狀，。共晶體分布于初生晶之間。當(dāng)共晶體量很少時，呈連續(xù)或斷續(xù)網(wǎng)狀，甚至呈離異共晶(圖33)。 (a)初生晶呈直邊塊狀 (b)初生晶呈樹枝狀 (c)離異共晶圖33 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。4.3.2 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：一是呈游離狀的不

16、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Fe3C(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(圖3-10)游離的滲碳體，呈直條狀；萊氏體中的滲碳體(圖3-8)是作為基體，其中分布有孤立的珠光體。 圖3-4 工業(yè)純鐵組織 圖3-5 珠光體組織 圖3-6 亞共析鋼組織 圖3-7 過共析鋼組織 圖3-8 共晶白口組織

17、圖3-9 亞共晶白口鐵組織3珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體片的機械混合物(圖3-9)，其組織分布形態(tài)有，呈樹枝狀分布，如亞共晶白口鐵中由初生晶奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體(圖3-9)；呈塊狀與鐵素體塊混合，即亞共析鋼中的珠光體(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，當(dāng)片層粗大時，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，則滲碳體為一條黑線；若片層很小，或放大倍數(shù)很小時，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。4.3.3 鐵碳合金非平衡

18、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范圍發(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31 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范圍()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

19、滲碳體的片層狀組織20(180200 HB)索氏體(S)600650在8001000倍以上的顯微鏡才能分清片層狀，在低倍下片層模糊不清2535屈氏體(T)550600用光學(xué)顯微鏡觀察時呈黑色團(tuán)狀織，只有在電子顯微鏡(500015000×)下才能看出片層組織3540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4048下貝氏體(B)230350在金相顯微鏡下呈黑色針葉狀特征4858馬氏體型相變馬氏體(M)230在正常淬火溫度下呈細(xì)針狀馬氏體(隱晶馬氏體)，過熱淬火時則呈粗大片狀馬氏體62651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

20、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760(即AC1以上，但低于AC3)，然后在水中冷

21、卻，這種淬火稱為不完全淬火。根據(jù)FeFe3C相圖可知，在這個溫度加熱，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VK，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 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點以上溫度淬火時，還會得到

22、B上（圖3-23）和B下（圖3-24）組織。T12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 (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3-20 20鋼正常淬火組織 圖3-21 45鋼正常淬火組織 圖3-22 45鋼油冷淬火組織 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

23、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，提高原子活動能力，可促進(jìn)這個轉(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(150250)，馬氏體內(nèi)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(350500)，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

24、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，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。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 實驗步驟1、 實驗預(yù)習(xí)與實驗時間預(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)換物鏡時用力要輕，不能碰撞到載物臺；2 將金相試樣放在載物臺上，正對物鏡。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

25、像基本可見時，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 移動載物臺，選擇需觀察的視場，進(jìn)行觀察分析；6 實驗完成關(guān)上電源，取下試樣，整理顯微鏡，使其復(fù)原；3、 每個人完成至少一個金相試樣的制備；實驗步驟見前述實驗原理部分；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，在40mm的圓內(nèi)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、完成實驗數(shù)據(jù)記錄，并經(jīng)實驗老師檢查，實驗結(jié)束后須經(jīng)老師簽字同意后離開實驗室。六 實驗注意事項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

26、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，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，對部分區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)地觀察。5. 在移動金相試樣時，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，應(yīng)抓住組織形態(tài)的特點，畫出典型區(qū)域的組織，不要將磨痕或雜線畫在圖上。7. 實驗操作中應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備操作規(guī)程和實驗室工作條例，保證自身安全和他人安全，保證設(shè)備正常，有異常及時與實驗室指導(dǎo)老師聯(lián)系。8. 每組實驗完畢，對實驗場所和實驗設(shè)備進(jìn)行清掃，維護(hù)好實驗室環(huán)境。七、實驗報告要求1、 寫明制樣過程出現(xiàn)的問題，取樣注意事項；評

27、價本人制樣質(zhì)量，存在缺點，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；3、 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)勛约簩嶒烍w會與心得。4、 實驗報告應(yīng)寫明實驗項目、實驗時間、指導(dǎo)老師等，填寫工整，條理清楚，在實驗完成后一周內(nèi)必須交給相關(guān)實驗老師。八 思考題預(yù)習(xí) 1簡述金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用時的注意事項。2簡述金相試樣制備的過程及各操作步驟注意要點。3簡述二元鑄態(tài)合金常見組織組成物種類和組織特點4簡述Fe-C合金平衡組織中常見組織組成物種類和組織特點5簡述材料進(jìn)行熱處理的目的6簡述碳

28、鋼常見的熱處理方式及對應(yīng)熱處理工藝處理后顯微組織及性能特點課后1 畫出鐵碳相圖，并分析含碳量對碳鋼平衡組織的影響。2 分析碳鋼平衡組織滲碳體的幾種形態(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；評價本人制樣質(zhì)量，存在什么缺點，分析產(chǎn)生的原因。18材料工程基礎(chǔ) 實驗報告實驗記錄（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、實驗用試樣 序號材料熱處理狀態(tài)組織特征腐蝕劑P1工業(yè)純鐵等溫退火F+

29、Fe3C4%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 +Fe3C4%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 +Fe3C+Le4%硝酸+酒精P8共晶白口鐵鑄態(tài)Le4%硝酸+酒精P9過共晶白口鐵鑄態(tài)Fe3C+Le4%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1 2 3放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 材料名稱： 材料名稱： 材料名稱： 組織組成： 組織組成： 組織組成： 4 5 6放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 材料名稱： 材料名稱

30、： 材料名稱： 組織組成： 組織組成： 組織組成： .2.1實驗用試樣 序號材料熱處理狀態(tài)組織特征腐蝕劑F020920淬火M(板條)4%硝酸+酒精F145等溫退火F+P4%硝酸+酒精F245正火F+P4%硝酸+酒精F345760淬火M(細(xì)針)+ F4%硝酸+酒精F445850淬火M(細(xì)針)4%硝酸+酒精F545850油淬M(細(xì)針)+T4%硝酸+酒精F745850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淬火M(細(xì)針)+ 球狀碳化物4%硝酸+酒精F12T121000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

31、各組織組成物1 2 3放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 材料名稱： 材料名稱： 材料名稱： 組織組成： 組織組成： 組織組成： 4 5 6放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 放大倍數(shù)： 材料名稱： 材料名稱： 材料名稱： 組織組成： 組織組成： 組織組成： 實驗二 熱處理綜合實驗實驗學(xué)時：8h 實驗性質(zhì)：綜合性一、實驗?zāi)康?通過本次綜合實驗學(xué)會通過金相技術(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)知識對熱處理缺陷進(jìn)行分析。二、 實驗內(nèi)容 本次實驗為綜合實驗，鼓勵同學(xué)們以組為

32、單位，自行設(shè)計實驗參數(shù)和實驗過程，并對實驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析，本實驗需要綜合運用定量金相、熱處理工藝、硬度測試和金相組織分析等知識。 本實驗要求同學(xué)分組后，以組為單位，先到實驗室領(lǐng)取不同試樣運用所學(xué)知識判定材料類型后，小組討論制定實驗方案、目的，根據(jù)實驗室現(xiàn)有資源合理設(shè)計實驗步驟，并說明預(yù)期效果。 實驗時間和實驗過程設(shè)計好后，需以班為單位提前2周與實驗室老師預(yù)約具體時間，并將實驗參數(shù)報給實驗老師，確定其可行性；預(yù)約后若未按時進(jìn)行實驗，取消本次實驗資格，不予補做。三、 實驗儀器、設(shè)備及材料3.1實驗儀器、設(shè)備3.1.1 材料成型實驗室：箱式電爐及控溫儀表；淬火水槽；洛氏硬度計、3.1.2 材料基礎(chǔ)

33、實驗室：洛氏硬度計、顯微硬度計、金相顯微鏡、砂輪機、預(yù)磨機、拋光機、電吹風(fēng)、牛伏特顯微鏡、圖象分析系統(tǒng)。3.2 實驗材料試樣：20鋼，45鋼，T10鋼， T10鋼，60鋼試樣冷卻劑：水，油(使用溫度約20)制樣材料：砂紙、拋光劑、拋光布、硝酸酒精、相紙四 實驗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是將鋼加熱到一定的溫度，經(jīng)一定時間的保溫，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，主要是由于鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可以發(fā)生

34、一系列變化。采用不同的熱處理工藝過程，將會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，保溫一段時間，然后緩慢地隨爐冷卻。此時奧氏體在高溫區(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3050，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量較多，且片層較細(xì)密，所以性能有所改善。對低碳鋼來說，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光潔度；對高碳鋼則正火可消除網(wǎng)

35、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，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)下的機械性能性 能熱處理狀態(tài)含 碳 量 (%)0.10.20.30.40.6硬度(HB)退 火120150160180230正 火130140160180220250強度b(MN/m2)退 火300330420500560670正 火340360480

36、550660700（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)。淬火時的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，可根據(jù)FeFe3C相圖確定。對亞共析鋼，其加熱溫度為Ac33050，若加熱溫度不足(低于Ac3)，則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體而造成強度及硬度的降低。對過共析鋼，加熱溫度為Ac13050，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) 不僅無助于強度、硬度的增加，反而會由于產(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，均不能任意提高加熱溫度。溫度過高晶粒容易長大，而且增加氧化脫碳和變

37、形的傾向。各種不同成分碳鋼的臨界溫度列于表2中。（2） 保溫時間的確定淬火加熱時間實際上是將試樣加熱到淬火溫度所需的時間及在淬火溫度停留所需時間的總和。加熱時間與鋼的成分、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)驗公式加以估算，碳鋼在電爐中加熱時間的計算列于表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；在這個前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。為此，可根據(jù)C曲線圖(如圖11所示)，使淬火工件在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍(650550)進(jìn)行快冷(即與C曲線的

38、“鼻尖”相切)，而在較低溫度(300100)時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、分級淬火等)。不同的冷卻介質(zhì)不同的溫度范圍內(nèi)的冷卻能力有所差別。各種冷卻介質(zhì)的特性見表4。表2 名種碳鋼的臨界溫度(近似值)類別鋼 號臨界溫度(）Ac1Ac13或AccmAr1Ar3碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼207358556808353073281367779640724790680760457247806827505072576069072160727766695743T7730770700T8730700T10730800700T1273082070

39、03 碳鋼在箱式爐中加熱時間的確定加熱溫度()工 作 形 狀圓 柱 形方 形板 形保 溫 時 間分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度70080090010001.51.00.80.42.21.51.20.6321.60.8表4 幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力冷 卻 介 質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度(/秒)65055030020018的水60027026的水50027050的水10027074的水3020010%NaCl水溶液(18)110030010%NaOH水溶液(18)120030010%Na2CO3水溶液(18)800270礦物機器油(50)15030變

40、壓器油(50)120254.3 鋼的回火鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織質(zhì)硬而脆，并且工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如果直接進(jìn)行磨削加工往往會出現(xiàn)龜裂；一些精密的零件在使用過程中將會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。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5 45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()回火后的組織回火后硬度(HRC)性能特點低溫回火150250回火馬氏體殘余奧氏體碳化物5057高硬度，內(nèi)應(yīng)力減小中溫回火350500回火屈氏體3545硬度適中，有高的彈性高溫回火500650回火索氏體2033具有

41、良好塑性、韌性和一定強度相配合的綜合性能 對碳鋼來說，回火工藝的選擇主要是考慮回火溫度和保溫時間這兩個因素。回火溫度：在實際生產(chǎn)中通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)手冊中查閱。現(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)驗公式近似地估算回火溫度。例如45鋼的回火溫度經(jīng)驗公式為：T()200K(60)式中：K系數(shù)，當(dāng)回火后要求的硬度值HRC30時，K=11；HRC30時，K=12。 所要求的硬度值(HRC)。 保溫時間：通常采用13小時，實驗所用試樣較小，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()45鋼T8鋼T10鋼T12鋼1502006054646064626562200300545060556256625730040050