材料科学基础实验指导书

材料科学基础实验指导书上海工程技术大学材料工程学院中心实验室2003.11目录实验一(1)金相显微镜的构造及使用———2(2)金相试样的制备———————10实验二铁碳合金平衡组织观察————-—17实验三塑性变形与再结晶———————-26实验四（1）钢的热处理————————29（2）碳钢热处理后的显微组织———35实验五合金钢的显微组织观察—————44实验六铸铁与有色金属显微组织观察——482实验一（1）金相显微镜的构造及使用一、实验目的1.了解金相显微镜的光学原理和构造。2.初步掌握金相显微镜的使用方法及利用显微镜进行显微组织分析二、概述利用金相显微镜来观察金属及合金的内部组织及缺陷，是材料研究方法中最基本的实验技术。它在金相研究领域中占有很重要的地位，利用金相显微镜在专门制备的试样上放大100～1000倍来观察金属及合金的组织与缺陷的方法称为金属的显微分析法。显微分析方法可以大致了解金属及合金的组织与化学成份的关系；可以确定各类金属经不同的加工与热处理后的显微组织的变化与性能的关系；可鉴别金属材料中存在的缺陷，如各种非金属夹杂物——氧化物，硫化物等在组织中的数量及分布情况，晶粒度大小、裂纹的走向、各种表面组织以及焊接组织的情况等。在进行显微分析时，使用的主要仪器是金相显微镜。金相显微镜主要是利用光线的反射将不透明物体（如金属，岩石，塑料等）放大后进行观察研究的。在讨论金相显微镜的构造和应用之前，需要先简要地介绍一些有关显微镜的基本理论。三、显微镜理论的基础知识图1—1放大镜的光学原理图众所周知，放大AB—物体A’B’物象f—焦距镜是最简单的一种光学仪器，它实际上就是一块凸透镜，利用它就可以将3物体放大,其成像光学原理如图1—1所示。当物体(AB)放在透镜与其焦点(F)之间，则经过透镜的光线就会分散开来，从放大镜后面观察，可以看到一个放大了的正虚象(A’B’)，此像的长度与物体长度的比值（即A’B’/AB）就是放大镜的放大率（放大倍数）。显微镜不是像放大镜那样由单个透镜组成，而是由两个（实际上是两组）透镜所组成的。对着所观察物体的透镜叫做物镜，而对着眼睛的透镜叫做目镜。借助物镜与目镜的两次放大，就能使物体放大到很高的倍数。图1—2所示是在显微镜中得到放大物象的光学原理图。图1－2显微镜的光学原理示意图所观察的物体AB放在物镜之前离焦点F1略远一些的地方，光线由物体上反射穿过物镜经折射后，就得到一个放大了的倒立实象A’B’，并处于目镜焦距F2之内，眼睛通过目镜观察实象A’B’，结果就得到经过两次放大的倒立虚象A”B”，这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的物象。由于人眼的正常视距(D)为250mm，所以在显微镜在设计上让目镜处观察到的倒立虚象在距离眼睛250mm处成象，这样可以看得最为清4晰。从图1—2可知，只有物镜对物体起放大作用，而目镜只是放大由物镜所得到的物象。显微镜的主要性能有：（1）显微镜放大倍数：显微镜的放大倍数M可由下式决定：M总=M物*M目=250－L/F1*F2M物——物镜的放大倍数M目——目镜的放大倍数L——显微镜的镜筒长度D——明视距离250mmF1——物镜的焦距F2——目镜的焦距F1、F2越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。在使用时，显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积。（2）显微镜的鉴别力和数值孔径之间的关系：显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。在普通光线下，人眼能分辨两点间的最小距离为0.15~0.30mm,即人眼的鉴别率为0.15~0.30mm，而显微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21*10－３mm，d值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计算出来：d=AN.2——入射光线的波长N.A——物镜的数值孔径显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜没有关系。当波长一定时，则数值孔径越大鉴别率越高。由上式可以看出，5当值越小时，鉴别极限d值就越小，即物镜的鉴别能力越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。同样情况，当数值孔径（N.A值）越大时d值也就越小。数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更加清晰。数值孔径N.A可用下列公式求得：N.A=·sin式中：——物镜与物体间介质的折射率——物镜孔径角的一半从式中可知，当和值越大时，数值孔径就越大，物镜的鉴别能力也就越高。为了增加值（即孔径角）可增大物镜的直径，但物镜直径的增大将会使球面象差和色象差的校正增加困难，故通常采用缩短透镜焦距的办法来解决。另外也可提高介质的折射率来提高数值孔径值。若在物镜与试样之间滴入一种折射率较大的介质，如松泊油=1.52（空气的折射率=1），从而提高了物镜的鉴别能力。物镜在设计和使用中指定以空=30°物镜试样R2R2R1R1空气=1.0（a)干物镜=1.52油R1R1R2R2试样物镜（b)油物镜图1-3不同介质对物镜聚光能力的比较气为介质的称为“干系物镜”（或干物镜），以油为介质的称为“油浸系物镜”（或油物镜）。从图1—3说明油物镜具有较高的数值孔径。(3)显微镜的有效放大倍数：显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜6和目镜来组合，如何合理选用物镜和目镜呢？首先应根据物镜的数值孔径来选用物镜，即必须使显微镜总的放大倍数在该物镜数值孔径的500～1000倍之间，即：M=500N.A～1000N.A这个范围称为有效放大倍数。若M1000N.A则形成虚伪放大，细微部分将分辨不清。若M500N.A则未能充分发挥物镜的鉴别率。放大倍数的符号用“×”表示，放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。四、金相显微镜的构造和使用1.金相显微镜的构造金相显微镜的种类和型式很多，最常见的型式可分为台式，立式和1.载物台2.物镜3.半反镜4.物镜转换器5.传动箱6.微调手轮7.粗调手轮8.偏心圈9.目镜10.目镜管11.固定螺丝12.调节螺丝13.视场光栏14.孔径光栏15.试样图1-4XJB—4X型金相显微镜构造图卧式金相显微镜三大类，又按样品放置的位置分为倒置式和正置式。金相显微镜的构造通常由光学系统，照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微7镜还附设有摄影装置，现以XJB—4X型金相显微镜为例加以说明。XJB—4X型金相显微镜构造如图1—4所示。现分别对其各部件的使用功能介绍如下：照明系统：照明系统是仪器的主要组成部分，在底座内装有一低压（6V～8V,15W）灯泡作为光源，灯泡由变压器降压供电靠次级电压（6～8V）的调节来改变灯光的亮度。在灯泡前有一聚光镜，孔径光栏14及反光镜等装置均安装在圆形底座上。另外，还有视场光栏13及另一聚光镜则安在支架上，通过以上一系列透镜作用和配合就组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分均匀的照明。机械系统：显微镜调焦装置在显微镜主体的两侧有粗调和微调手轮，通过内部齿轮传动，使支承载物台的弯臂作上下运动，在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。在后侧手轮上刻有分度格表示物镜座上下微动0.002毫米/每格。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。载物台（样品台）用于放置金相样品，载物台和下面托盘之间有导架，在手的推动下，可引导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。光学系统：孔径光栏和视场光栏通过这两个孔径可变的光栏之调节，可以提高最后映象的质量。孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证映象达到清晰的程度。视场光栏则设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中所见视场明亮而无阴影。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。物镜转换器呈球面形，上面有三个螺孔，可安装三个不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，并与不同的目镜搭配使用，即8获得各种放大倍数。目镜筒呈45º倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90º呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。表1—1，列出XJB—4X型金相显微镜的物镜和目镜不同配合情况下的放大倍数。表1—1XJB—4X型金相显微镜的放大倍数光学系统物镜目镜物镜5X10X15X干噪系统8X40X80X120X干噪系统45X225X450X675X油侵系统100X500X1000X1500X2.金相显微镜的使用方法及注意事项金相显微镜是一种精密的光学仪器，因此使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之前首先熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。（一）金相显微镜的使用规程1）首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（6～8V）变压器接通电源。2）根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并使工作物镜转至垂直向上位置，使之处于样品台中心孔中央。3）将试样放在样品台中心孔上，使观察面朝下并用弹簧片压住。4）转动粗调手轮先使镜筒上升，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与试样相碰），然后一边转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降，一边在目镜筒中观察，当视场亮度增强时再改用细调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。95）适当调节一孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。（二）使用时的注意事项1）操作时必须特别细心，不能有任何粗暴和剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸，也不能用手或餐巾纸去抚摩擦拭光学镜头。2）显微镜灯泡的（6～8V）插头，切勿直接插220V的电源插座上，一般插在变压器8V上，观察结束要及时关闭电源。3）在旋转粗调（或细调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即报告调查原因，不得用力强行转动，否则就会损坏机件。四、实验方法指导1.实验内容及步骤（1）在本次实验中学生应首先弄懂显微镜最基本的光学原理。（2）明确金相显微镜的构造和使用方法，要求学会利用机械系统来调整焦距和利用照明系统来调节与控制光线等。（3）每人通过实际操作金相显微镜，观察金相样品，并画出显微组织示意图。（画图要求：画一35mm的圆，用铅笔描绘组织示意图）2.实验报告（1）简述提高金相显微镜鉴别率的几种方法。（2）扼要记述金相显微镜的使用方法及必须注意的有关事项。（3）画出你所看到的显微组织图（注明放大倍数、材料牌号、组织名称和所使用的腐蚀剂）。10实验一（2）金相试样的制备一、实验目的1.学习金相试样的制备过程2.了解金相组织的显示方法二、概述金相显微分析是研究金属和合金组织的主要方法之一，在生产实际中，为了探索金属材料的性能，经常需要进行金相组织的检查和分析。为了对金相显微组织进行鉴别和研究，需要将所分析之金属材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制抛光与腐蚀等工序，最后通过金相显微镜来观察和分析金属的显微组织状态及分布情况。金相样品制备的质量好坏，直接影响到组织观察的结果，如果样品制备不符合特定的要求，就有可能由于出现假象而产生错误的判断，致使整个分析得不到正确的结论。因此，为了得到理想的金相显微分析试样，需要经过一系列正确的制备过程。三、金相试样的制备方法金相试样的制备过程包括以下工序：取样，镶嵌，磨制，抛光，浸蚀等。下面就各道工序加以简要说明：1.取样取样是进行金相显微分析中很重要的一个步骤，显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位，例如：在检验和分析失效零件的损坏原因时，除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏处较远的部位截取试样，以便比较；在研究铸件组织时，由于偏析现象的存在，必须从表层到中心，同时取样进行观察；对于轧制和锻造材料则应同时截取横向（垂直于扎制方向）及纵向（平行于扎制方向）的金相试样，以便分析比较表11层缺陷及非金属夹杂物的分布情况；对于一般经热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样截取可在任一截面进行。试样的尺寸通常采用直径为φ12―15毫米，高度（或边长）为12～15毫米的圆柱体或方形试样（如图2―1所示）。试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割；对硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤