金相显微样品的制备及金相显微镜的使用

金相显微样品的制备及金相显微镜的使用2008-4-22来源：北京中显恒业显微镜：13911564578（霍刚）进入该公司展台实验一金相显微样品的制备及金相显微镜的使用一,实验目的1.掌握金相样品的制备过程和基本方法;2.了解金相显微镜的基本原理,构造,掌握显微镜的正确使用.二,实验原理利用金相显微镜观察金相试样的组织或缺陷的方法称为金相显微分析.它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术,在金属材料研究领域中占有很重要的地位.在现代金相显微分析中,使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜.这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍.显微镜的基本原理,构造及使用1.显微镜的基本原理最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成.图1-1为相显微镜成像的光学原理示意图.图中AB为被观察的物体,对着被观察物体的透镜O1叫物镜;对着人眼的透镜O2叫目镜.物镜使物体AB形成放大的倒立实像A''B'',目镜再将A''B''放大成仍然倒立的虚像AB.其位置正好在人眼的明视距离约250mm处.在显微镜中所观察的就是这个虚像AB.1显微镜的放大倍数放大倍数由下式确定:式中:M—显微镜总放大倍数;M物—物镜的放大倍数;M目—目镜的放大倍数;f物—物镜的焦距;f目—目镜的焦距;L—显微镜的光学镜筒长度;D—明视距离250mm.由上式可知:f物,f目越短或L越长,则显微镜的放大倍数越大.2物镜的鉴别率物镜的鉴别率是指物镜能清晰分辨试样两点间最小距离的能力.物镜鉴别率的数学公式为:式中:d—物镜的鉴别率;λ—入射光源的波长;A—物镜的数值孔径,它表示物镜的聚光能力.由公式可知,波长λ越短,数值孔径A越大,则鉴别能力就越高d越小,在显微镜中就能看到更细微的部分.数值孔径A可由下列公式求出:式中:η—物镜与物体之间介质的折射率;φ—物镜孔径角的一半,即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度.η越大或物镜孔径角越大,则数值孔径越大,由于φ总是小于90,所以在空气介质η=1中使用时,数值孔径A一定小于1,这类物镜称干系物镜.当物镜上面滴有松柏油介质η=1.52时,A值最高可达1.4,这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜,每个物镜都有一个设计额定的A值,刻在物镜体上.3显微镜的有效放大倍数由M=M目·M物知,显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合.如45倍的物镜乘以10倍的目镜或者15倍的物镜乘以30倍的目镜都是450倍.对于同一放大倍数,如何合理选用物镜和目镜呢应先选物镜,一般原则是使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500~1000倍,即这个范围称为显微镜的有效放大倍数范围,若M1000A,则形成虚伪放大,组织的细微部分将分辨不清.待物镜选定后,再根据所需的放大倍数选用目镜.4景深:即垂直鉴别率,反映了显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力.式中:M—放大倍数;R—半孔径角;λ—波长;n—介质折射率.由式可知n,R越大,景深越小;物距增加,景深增加.在进行断口分析时,为获得清晰的断口凹凸图像,景深不能太小.5透镜的几何缺陷单色光通过透镜后,由于透镜表面呈球形,光线不能交于一点,则使放大后的象模糊不清,此现象称球面象差.多色光通过透镜后,由于折射率不同,使光线不能交于一点也会造成模糊图像,此现象称色象差.减小球面象差的办法:可通过制造物镜时采用不同透镜组合进行校正;调整孔径光栏,适当控制入射光束等办法降低球面象差.减小色象差办法:可通过物镜进行校正或采用滤色片获得单色光的办法降低色象差.2.显微镜的构造图1-2为不同型式的金相显微镜的基本构造及光学行程.图1-2金相显微镜的基本构造及光学行程金相显微镜分为台式,立时及卧式三种类型,各种类型又有许多不同的型号.虽然显微镜的型号很多,但基本构造大致相同,现以XJB-1型金相显微镜为例介绍显微镜的构造.金相显微镜通常由光学系统,照明系统和机械系统三大部分组成,有的显微镜还附有摄影装置.图1-3XJB-1型金相显微镜的光学系统1-灯泡;2-聚光透镜组;3-聚光镜;4-半反射镜;5-辅助透镜;6-物镜组;7-试样;8-反光镜;9-孔径光阑;10-视场光阑;11-辅助透镜;12,13-棱镜;14-物镜XJB-1型显微镜的光学系统如图1-3所示.由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径光栏9,再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面,最后通过物镜平行照射到试样7的表面上,从试样反射回来的光线又经过物镜组6和辅助透镜5,由半反射镜4转向,经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实像,该像再经过目镜的放大,就成为在目镜视场中能看到的放大影像.照明系统:由电源220V经变压器6~8V使灯泡6-8V,15w发光作为光源.还有聚光镜,孔径光栏,视场光栏等装置,组成显微镜的照明系统.机械系统及其它各部件:调焦装置:在显微镜体两侧有粗调和微调旋钮.随粗调旋钮的传动,支撑载物台的弯臂作上下移动.微调旋钮使其沿滑轨缓慢移动.载物台试样台:用于放置金相试样.载物台和下面托盘之间有导轨,用手推动,可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动,以改变试样的观察部位.孔径光栏:它是用于控制入射光束的粗细,以保证物像达到清晰的程度.视场光栏:它的作用是控制视场范围,使目镜中视场明亮而无阴影.在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉,用来调整光栏中心.3.显微镜的使用规程及注意事项金相显微镜是一贵重精密光学仪器,使用时要细心谨慎.使用前应先了解显微镜的基本原理,构造及各主要部件的位置和作用,然后再按照使用规程和应注意事项进行操作.1显微镜的使用规程:先将显微镜的插头插在低压6~8V变压器上,通过变压器接通电源.根据放大倍数选用所需物镜和目镜,分别安装在物镜座及目镜筒上.将试样放在载物台中心,并使观察面朝向物镜.用双手旋转粗调旋钮,将载物台降下,使样品靠近物镜,但不接触.然后边观察目镜边用双手旋转粗调旋钮,使载物台慢慢上升,待看到组织时,再旋转微调旋钮,直至图像清晰为止.2使用注意事项:操作时要细心,动作要轻微.光学系统等重要部件不得自行拆卸.使用时如出现故障,应及时报告指导教师进行处理.显微镜各种镜头严禁用手指触摸或用手帕等擦拭,擦拭镜头需用镜头纸.显微镜的灯炮电压为6~8v,严禁直接插在220v的电源插座上.在旋转聚焦旋钮时,动作要慢,碰到阻碍时立即停止操作,并报告指导教师进行处理.使用完毕,关闭电源,将显微镜恢复到使用前状态,经指导老师检查无误后,方可离开实验室.金相显微试样的制备金相试样的制备包括取样,磨制,抛光和浸蚀等步骤.1.取样试样的选取应根据被检验材料或零件的特点,取其有代表性的部位.例如研究零件的失效原因时,应在失效部位取样,并在完好部位取样,以便对比分析.对于铸造合金,考虑到组织的不均匀性,应从表层到中心各个部位进行选取.对于轧材,研究表层缺陷和夹杂物的分布时应横向取样;研究夹杂物类型,形状,变形程度,带状组织时应纵向取样.对一般热处理后的零件,由于组织均匀,可任意取样取样时应保证试样观察面不发生组织变化,软材料取样可用锯,刨,车等方法,硬材料取样可用砂轮切片机等方法,脆性材料可用锤击等方法.试样尺寸不宜过大或过小,一般以手拿方便即可,其形状以便于观察为宜.2.磨制1粗磨:粗磨目的是为了获得一个平整的表面,软材料试样可用锉刀锉平;钢铁材料可用砂轮机磨平.磨削时应注意试样对砂轮的压力不宜过大,以免在试样表面上形成较深的磨痕而增加细磨的困难,磨削时应不断用水冷却试样,以免受热引起组织变化,试样边缘要进行倒角,以免在细磨和抛光时划破砂纸和抛光绒布或造成试样从抛光机上飞出伤人.2细磨:细磨分手工磨光和机械磨光两种.手工磨光是用手拿住试样在金相砂纸上进行.金相砂纸按粗细分为01,02,03,04,05号等.细磨时依次从01磨到05号,钢铁材料一般磨到04号即可,软材料如铝,镁等合金可磨到05号砂纸.细磨时必须注意:1细磨时应将砂纸放在光滑平整物体如玻璃板上,手指拿住试样,并使磨面朝下,均匀用力由后向前推行磨削.在回程时,提起试样不与砂纸接触,以保证磨面平整而不产生弧度.2每换一号砂纸时,应将试样转90°再磨,使磨削方向与前道磨痕方向垂直,以便观察前道磨痕是否全部消除.3每更换一次砂纸之前,应把试样,玻璃和手洗净,以免把粗砂粒带到下一号细砂纸上去.另外,磨削软材料时,可在砂纸上涂一层润滑剂,如机油,甘油,肥皂水等,以免砂粒嵌入试样磨面.机械磨光是在预磨机上进行.预磨机是由电动机带动转盘,转盘分为蜡盘和砂纸盘两种.蜡盘就是把混有金刚砂的熔化石蜡浇在转盘上,待凝固车平后装在预磨机上就可使用.做成不同粗细的金刚砂蜡盘,在生产检验中被大量使用.砂纸盘是把水砂纸剪成圆形,用水玻璃粘在预磨机转盘上,水砂纸按粗细分为200,300,400,500,600,700,800,900号等,一般用200,400,600,800号水砂纸依次磨制即可,用蜡盘和水砂纸盘磨制时,要不断加水冷却.3.抛光抛光由机械抛光,电解抛光,化学抛光等方法,使用最广的是机械抛光.机械抛光是在抛光机上进行.抛光机由电动机带动抛光盘,抛光盘上铺有不同的抛光布.粗抛时用帆布或粗呢,细抛时用绒布,细呢或丝绸等.抛光过程中要不断向抛光布上倒入适量的水与Cr2O3或Al2O3,MgO等悬浮液.试样的磨面应平正地压在旋转的抛光盘上,压力不宜过大,并使试样从抛光盘边缘到中心不断地作径向往复移动.待试样表面磨痕全部被抛掉而呈现光亮镜面时,抛光即可停止,并将试样用水或酒精洗干净后转入浸蚀.浸蚀经抛光后的试样若直接放在显微镜下观察,只能看到一片亮光,除非某些金属夹杂物如MnS及石墨等外,不能辨别出各种组织及其形态.因此,必须用浸蚀剂对试样抛光面进行浸蚀,钢铁材料通常用3~5％硝酸酒精溶液.浸蚀方法是将待观察面浸入浸蚀剂中,或用玻璃棒缠少许脱脂棉蘸取浸蚀剂擦拭的方法.浸蚀时间要适当,当试样抛光亮面呈灰色时就可停止,并立即用清水或酒精清除残酸,用吹风机吹干后,即可在显微镜下进行观察.若试样浸蚀过度,显微组织模糊不清时,须重新抛光和浸蚀,若浸蚀不足,组织不能完全显露时,可进行补充浸蚀.三,实验设备及材料1.设备:金相显微镜,抛光机,砂轮机.2.各号金相砂纸,抛光布,抛光膏,脱脂棉,3~5％硝酸酒精溶液,试样,竹夹子等.四,实验报告要求1.简述实验目的,实验内容.2.简述金相试样的制备过程.实验二金属材料的硬度实验一,实验目的1.了解硬度测定的基本原理及应用范围.2.了解布氏,洛氏硬度实验机的主要结构及操作方法.二,实验原理硬度是指材料对另一较硬物体压入表面的抗力,是重要的机械性能之一.它是给初级金属材料软硬程度的数量概念,硬度值越高,表明金属抵抗塑性变形能力越大,材料产生塑性变形就越困难,硬度实验方法简单,操作方便,出结果快,又无损于零件,因此被广泛应用.测定金属硬度的方法很多,有布氏硬度,洛氏硬度和维氏硬度等.1.布氏硬度HB1布氏硬度试验的基本原理布氏硬度试验是以一定直径D的钢球上施加一定负荷P,压入被测金属表面如图2-1所示保持一定时间,然后卸荷,根据金属表面的压痕面积F求应力值,以此作为硬度值的计量指标,以HB表示,则2-1式中:P—负荷kgfD—钢球直径mmh—压痕深度mm图2-1布氏硬度实验原理图由于测量压痕d要比测量压痕深度h容易,将h用d代换,这可由图2-1b中的△Oab关系求出:2-2将式2-2代入式2-1即得:2-3式2-3中,只有d是变数,所以只要测量出压痕直径d,就可根据已知的D和P值计算出HB值.在实际测量时,可根据HB,D,P,d的值所列成的表,若D,P已选定,则只需用读数测微尺将实际压痕直径d放大10倍的测微尺测量压痕直径d,就可直接查表求得HB值.由于金属材料有硬有软,所测工件有厚有薄,若采用同一种负荷如3000kgf和钢球直径如10mm时,则对硬的金属适合,而对软的金属就不合适,会使整个钢球陷入金属中;若对厚的工件适合,而对薄的金属则可能压透,所以规定测量不同材料的布氏硬度值时,要有不同的负荷和钢球直径,为了保持统一的,可以相互进行比较的数值,必须使P和D