201408--材料科学基础实验指导书

1、材料科学基础实验指导书实验一 （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 1001000 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

2、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11放大镜的光学原理图 众所周知，放大 ab物体 ab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，利用它就可以将物体放大,其成像光学原理如图 11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

3、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ab/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12 所示是在显微镜中得到放大物象的光学原理图。图12 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 ab ，并处于目镜焦距f2之内，眼睛通过目镜观察实象 ab，结果就得到经过两次放大的倒立虚象 a”

4、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晰。从图 12 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=250l / 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

5、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0.150.30mm,即人眼的鉴别率为0.150.30mm，而显微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21*10mm，d值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计算出来：d =l 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，当l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

6、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 = hsinj式中：h物镜与物体间介质的折射率 j物镜孔径角的一半从式中可知，当h和j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j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h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h = 1.52（空气的折射率 h=1），从而提高了物镜的鉴别能力。物镜在设计和使用中指定

7、以空 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13 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5001000倍之间，即：m=500 n.a 1000 n.a 这个范围称为有效放大倍数。若m1000 n.a 则形成虚伪放大，细微部分将分辨不清。若m500 n.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

8、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1-4 xjb4x 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，有的显微镜还附设有摄影装置，现以 xjb4x 型金相显微镜为例加以说明。xjb4x 型金相显微镜构造如图

9、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 （6v8v,15w）灯泡作为光源，灯泡由变压器降压供电靠次级电压 （68v）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

10、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

11、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，即获得各种放大倍数。目镜筒呈45倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。表11，列出 xjb4x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 11 xjb4x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

12、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（68v）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

13、用细调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。5）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（68v）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

14、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：画一35fmm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）。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

15、。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

16、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1215毫米，高度（或边长）为1215毫米的圆柱体或方形试样（如图 21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

17、锤击打下；对极硬的材料（如淬火钢）则可采用砂轮切割 图2-1 金相试样的尺寸 机或电脉冲加工等切割方法。但是，不论采用哪种方法，在切取过程中均不宜使试样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。2. 镶嵌对于尺寸过于细小的金属、片及管等，以及表面处理的试样（为防止边缘倒角），不加于镶嵌固定，制样很困难，需要使用试样夹或利用样品镶嵌机把试样镶嵌在低熔点合金或塑料（如胶木粉，聚乙烯聚合树脂等）中，有些不宜加热的试样，可用冷镶嵌（环氧树脂）或机械夹具夹持。但是有些样品不宜镶嵌, 图22金相试样的镶方法（1）（2）机械镶嵌 如要采用电化学抛光和腐蚀的（3）低熔点合金镶嵌（4）塑料镶嵌 样品

18、。3.磨制试样的磨制一般分为粗磨与细磨。（1）粗磨的目的是为了获得一个平整的表面，钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进行。但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力不宜过大，否则会在试样表面形成很深的磨痕，从而增加了细磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样，以免受热的影响而引起组织的变化；试样边缘的棱角如没有保存的必要，可先行磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。当试样表面平整后，粗磨就告完成，然后将试样用水冲洗擦干。（2）经粗磨后的试样表面虽较平整但仍还存在有较深的磨痕（如图23所示）。因此，细磨的目的就是消除这些磨痕，以获得一个更为平整而光滑的磨面，并为下一步

19、抛光作准备。细磨是在一套粗细程度不同图23试样磨面上磨痕变化的 的金相砂纸上由粗到细依次顺序进行的。细磨时可将砂纸放在玻璃上，手指紧握试样并使磨面朝下，均匀用力向前推行磨制，在更换砂纸时，须将试样的研磨方向调转90，即与上一道磨痕方向垂直，直到把上一道砂纸所产生的磨痕全部消除为止。此外，在更换砂纸时还应将试样，玻璃板清理干净，以防粗砂粒带到下一道细砂纸上产生粗的磨痕。为了加快磨制速度可在预磨机上实现机械磨光。4.抛光细磨后的试样还需要进行最后一道磨制工序抛光，其目的是去除细磨时遗留下来的细微磨痕，以获得光亮无疵的镜面。试样的抛光一般可分为：机械抛光，电解抛光和化学抛光。（1）机械抛光 ：试样的

20、机械抛光是在专用抛光机上进行的，抛光机的主要结构是由电动机和水平抛光盘组成，抛光盘上铺以细帆布，呢绒，丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液保持湿润。抛光液通常采用 al2 o3 ，cr2o3（粒度约为0.31）的粉末在水中的悬浮液。或人造金刚石研磨膏 等机械抛光就是靠极细的抛光粉末与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上（可先轻后重）并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动，抛光时间一般约35分钟，最终抛光后，试样表面应看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。需要指出的是抛光时间不宜过长，压力也不可过大，否则将会产生紊乱层而导致组织分析得出错误的结论。抛光结束

21、后用水冲洗试样并用棉球擦拭，最后滴上酒精用吹风机吹干，若只需要观察金属中的各种夹杂物或铸铁中的石墨形状时，则可将试样直接置于金相显微镜下进行观察了。（2）电解抛光：电解抛光纯系电化学溶解作用，无机械力的影响，不致引起表层金属变形或流动，能获得光滑平整的磨面，从而能够较正确地显示出 金相组织的真实性。电解抛光的简单装置如图24所示。 电解抛光时把磨光的试样浸入电解液中，接通试样（阳极） 图24电解抛光装置示意图 与阴极之间的电源（通常多采用直流电源），阴极可采用铅或不锈钢等，并与试样抛光面保持一定的距离（约25300毫米），当电流密度足够时，试样磨面即产生选择性的溶解，此时，靠近阳极的电解液在试

22、样的表面上形成一层厚度不一的薄膜，由于薄膜本身具有较大电阻，并与其厚度成正比，如果试样表面是高低不平的，则突出部分薄膜的厚度要比凹陷部分的薄膜厚度来得薄些，因此突出部分电流密度最大，由此金属被迅速地溶入电解液中，突出部分渐趋平坦，最后形成平整光滑的表面。电解抛光的效果，在选定电解液的条件下，取决于电流密度，温度，抛光电压，溶液新旧程度及抛光时间等参数的变化。电解抛光用的电解液一般由以下三类成份组成：1）酸类具有氧化能力，是电解液的主要成份，如过氯酸，铬酸和正磷酸等。2）溶媒用于冲淡酸类，并能溶解在抛光过程中磨面所产生的薄膜中，如酒精，醋酸酐和冰酸酐等。3）一定数量的水份。（3）化学抛光：化学抛

23、光的实质与电解抛光相类似，也是一个表层溶解过程，但它纯粹是靠化学药剂对于不均匀表面所产生选择性溶解的结果而获得光亮的抛光面。5.浸蚀经抛光后的试样磨面，如果直接放在显微镜下观察时，所能看到的只是一片光亮，除某些夹杂物或石墨外，无法辨别出各种组织的组成物及其形态特征。因此，必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织。最常用的金相组织显示方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法的主要原理就是利用浸蚀剂对试样表面所引起的选择性化学溶解作用，或电化学作用（即局部微电池原理）来显示金属的组织。它们的浸蚀方式则取决于组织中组成相的性质和数量。对于纯金属或单相合金来说浸蚀仍是一个纯化学溶解过程，由于

24、金属及合金的晶界上原子排列混乱，并具有较高的能量，因此晶界处较为容易被浸蚀而呈现凹沟（如图25（a）所示）； (a)层片状珠光体 同时由于每个晶粒中原子排列的位向不同，所以各自的溶解速度都不一样，致使被浸蚀的深浅程度也有区别，在垂直光线的照射下将显示出明暗不同的晶粒（如图25（b）所示）。（b）铁素体晶界 对于两相以上的合金组织来说， 图25单相和两相组织示意图 则浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程，由于各组成相的成份不同，各自具有不同的电极电位，当试样浸入具有电解液作用的浸蚀剂中，就在两相之间形成无数对“微电池”，具有负电位的一相成为阳极，被迅速地溶入浸蚀剂中，而使该相形成凹洼，具有正电位的另一相

25、成为阴极，在正常电化学作用下不受浸蚀而保持原有的光滑表面。当光线照射到凹凸不平的试样表面时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下就能观察到各种不同的组织及组成相。浸蚀方法通常是将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾上浸蚀剂擦试表面，浸蚀时间要适当，一般使试样磨面由镜面变成银灰色时即可停止，如果浸蚀不足，可重复浸蚀，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，然后用酒精滴至磨面并吹干。至此，金相试样制备工作全部结束，即可在显微镜下进行组织观察和分析研究了。四、 实验方法指导1.实验内容及步骤每名同学领取一块试样，按照上述试样制备过程进行操作，具体步骤如下：（1）使用金相砂纸按照先粗后细，顺序依次进行磨制。（2）

26、冲洗样品和手，然后在抛光机上进行抛光，直至镜面。冲洗样品并吹干。（3）用浸蚀剂浸蚀试样磨面。一定时间后迅速取出冲洗并吹干，即可在显微镜下观察了。2. 实验报告（1）简述金相显微试样的制备过程。（2）为什么每换一张砂纸样品就要旋转90度？（3）电解抛光为什么能使样品表面趋于平整。实验二 铁碳合金平衡组织观察一.实验目的1.研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。2了解含碳量对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成份、组织与性能之间的相互关系。二.概述 图3-1 fefe3c相图铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件

27、下（如退火状态）所得到的组织。我们可根据 fefe3c相图来观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织 （如图 31所示）。fefe3c相图的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关，因此，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对fefe3c相图的了解。从fefe3c相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的组织均由铁素体 （f）和 渗碳体 (fe3c)这两个基本相所组成。但是由于含碳量的不同，铁素体和渗碳体的相对数量，析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。各种铁碳合金在室温下的显微组织可见表 31。表 31 各种

28、铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳量（c%）显微组织浸蚀剂工业纯铁 0.02铁素体4%硝酸酒精溶液碳钢亚共析钢0.020.77铁素体+珠光体4%硝酸酒精溶液共析钢0.77珠光体4%硝酸酒精溶液过共析钢0.772.06珠光体+二次渗碳体4%硝酸酒精溶液白口铸铁亚共晶白口铁2.064.3珠光体+二次渗碳体+莱氏体4%硝酸酒精溶液共晶白口铁4.3莱氏体4%硝酸酒精溶液过共晶白口铁4.36.67莱氏体+ 一次渗碳体4%硝酸酒精溶液碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织状态。（1）铁素体（f）是碳在 fe 中的固溶体。铁素体为体心立方晶格。具有磁性及良好塑性，硬度较低。用34 % 硝酸酒精溶

29、液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒：当钢中含碳量较多时，铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成份时，铁素体则呈连续的网状分布于珠光体的晶界周围。（2）渗碳体(fe3c)是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为 6.67%。当用34%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体被染成黑色而铁素体仍是白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照处理条件不同，渗碳体可以呈片状形式，也可呈颗粒或网状形式。（3）珠光体（p）是铁素体和渗碳体的机械混合物，经不同工艺处理后可观察到两种不同的 组织形态：片状珠光体和球状珠 光体。1)片状珠光体 它是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层状组

30、织，经硝酸酒精溶液浸 图32 片状珠光体显微组织蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的黑白交替的层片状组织，（如图32所示）。在高倍放大时，能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体。当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时就只能看到一条黑线（相界线），它实际上就表示了渗碳体。2)球状珠光体 球状珠光体组织的特征是在亮白色的铁素体基本上，均匀分布着白色的渗碳体细粒，其边界呈暗黑色 （图 33所示）。 图33 球状珠光体显微组织上述各类组织组成物的机械性能可见表 32 。 表3-2 各类组织组成物的机械性能性能组成物硬度抗拉强度断面收缩率相对延伸率冲击

31、韧性hbsb(mn/m2)j(%)d(%)ak(j)铁素体609012023060754050160渗碳体75082030350片状珠光体19023086090010159122432球状珠光体160190650750182518253227（4）莱氏体 （ld） 是珠光体及二次渗碳体和渗碳体（在室温时）所组成的机械混合物，它是由含碳量为 4.3%的共晶莱氏体在 1147c时形成的共晶体 （奥氏体和渗碳体），其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，在 723c 以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分

32、为：工业纯铁，钢和铸铁三大类。三、工业纯铁含碳量 4.3% 的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体加二次渗碳体和莱氏体，如图38 所示。用硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起不易分辨。 图38 亚共晶白口铸铁显微组织 图39 共晶白口铸铁显微组织 2.共晶白口铸铁共晶白口铸铁的含碳量为 4.3%，它在室温下的组织仍由单一的共晶莱氏体组成。经浸蚀后，珠光体呈暗黑色细条及斑点状与亮白色的渗碳体混为一 体，即莱氏体。如图39 所示。图310 过共晶白口铸铁显微组织 3过共晶白口铸铁含碳量4.3%的白口铸铁称为

33、过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色的粗大条状的一次渗碳体，其显微组织见图310 所示。六、实验方法指导1实验内容及步骤（1）在本次实验中学生根据铁碳合金相图来确定各类成份的组织形成情况，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉钢和铸铁部份金相组织的形态特征，以进一步建立成份与组织之间相互关系的概念。（2）实验前学生应复习讲课中的有关部份和阅读实验指导书，为实验做好理论方面的准备。（3）在显微镜下对各种试样进行观察和分析，并确定各自所属的类型。（4）绘出所观察到的显微组织图，画图时应抓住组织形态的特征，并在图中表示出

34、来。（5）根据显微组织近似地确定一亚共析钢中的含碳量：可按照铁素体及珠光体面积的相对量来估算。c% = p0.77/100 + f0.0008/100 其中：p和f分别为珠光体和铁素体所占面积（%）。2实验所用设备及材料（1）金相显微镜 （2）金相图片卡 （3）各种铁碳合金的显微样品（表33）表33编号材料处理工艺浸蚀剂放大倍数1工业纯铁退火状态4%硝酸酒精400220钢退火状态4%硝酸酒精400345钢退火状态4%硝酸酒精4004t8退火状态4%硝酸酒精4005t12退火状态4%硝酸酒精4006亚共晶白口铁铸造状态4%硝酸酒精1007共晶白口铁铸造状态4%硝酸酒精1008过共晶白口铁铸造状态

35、4%硝酸酒精1003实验报告要求（1）画出所观察过的组织，并注明材料名称、浸蚀剂和放大倍数，显微组织图画在直径为40mm的园内，并将组成物名称以箭头引出标明。（2）完成实验报告部分的思考题。铁碳合金平衡组织观察实 验 报 告 年级 专业 姓名 学号 一 第一实验部分讨论内容1. fe-c合金平衡组织中，渗碳体可能有几种存在方式和组织形态？试分析它对性能有什么影响？ 2. 铁碳合金的c%与平衡组织中的p和f组织组成物的相对数量的关系是什么？3. 珠光体p组织在低倍观察和高倍观察时不何不同？为什么？实验三 碳钢非平衡显微组织观察一.实验目的1.初步掌握碳钢热处理后的典型组织的特征,如马氏体、屈氏体

36、、贝氏体等。2.运用铁碳合金状态图和奥氏体等温转变曲线分析钢经各种热处理后的组织。二.概述碳钢经不同热处理后的组织：经退火，正火可得到接近平衡的组织，淬火后的组织是属于不平衡组织。因此，在研究热处理后的组织时，不仅要参考状态图，而且更要参考“c”曲线。铁碳状态图可以说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，在热处理时，应用它可以分析不同含碳量的铁碳合金、加热到一定温度时的组织状态。“c”曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下的组织转变过程以及得到什么样的组织。图41是铁碳状态图的左下角，图42是0.5%含碳量钢的“c”曲线。1.共析钢连续冷却后的显微组织：可以运用奥氏体等温转变曲

37、线近似的来分析连续冷却时的转变。方法是把连续冷却时的冷却速度曲线叠绘到等温冷却的“c” 曲线上，冷却速度曲线与等温转变曲线的交点即表示该冷却速度下的连续冷却图41铁碳状态图的一角时的转变区间。如图4-3所示。 v1:相当于炉 冷，得到100%的珠光体。 v2:相当于空冷，得到细片状珠光体或称为索氏体。v3:相当于油冷，得到少量屈氏体和马氏体。v4:相当水冷，得到马氏体和少量残余奥氏图42 0.5% 碳钢的等温转变曲线体。 图4-3 图4-42.亚共析钢连续冷却后的显微组织：亚共析钢的“c”曲线与共析钢的“c”曲线不同，在珠光体转变开始前有一条铁素体析出线。所以在奥氏体向珠光体转变之前有铁素体析

38、出。如图44所示。 当奥氏体慢冷时如图44中v1，相当于炉冷，所得到的组织接近平衡状态，为铁素体加珠光体。随冷却速度增加v1 v2v3时，奥氏体过冷程度增大、先共析铁素体量减少。此时铁素体沿奥氏体晶界析出，另外由于珠光体组织的增加，这样使共析组织中的含碳量下降，即低于共析成分，一般称为伪共析，由于过冷度大，其珠光体中片间距离更小，即组织更细。因此v1 v2v3其对应的组织变化为： 铁素体+珠光体铁素体+索氏体铁素体+屈氏体，其中铁素体的量随冷速增大而减少。当冷却速度为v4时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体，奥氏体则主要转变为马氏体，有时可见到少量的贝氏体。当冷速v5超过临界冷速时，没有先共析铁

39、素体析出，全部得到马氏体。过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是亚共析钢先析出的是铁素体，而过共析钢先析出的是渗碳体（二次渗碳体）。3.基本组织特征 （1）索氏体（s）：是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其层片分布比珠光体更细密，它比珠光体具有更高的硬度。 （2）屈氏体（t）：也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无法分辨。当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色团块状。只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层状。 （3）贝氏体（b）：奥氏体中温转变的产物叫贝氏体，贝氏体也是铁素体与渗碳体的两相混合物，但其金相形态与珠光体

40、不同，并因钢的成分和形成温度不同而不同。其组织形态主要有三种： a.上贝氏体：钢中上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断断续续地分布着细条状渗碳体所组成的非层状组织。在光学显微镜下可观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下观察可看到铁素体以几度到十几度的小位向差相互并列着，渗碳体沿条的长轴方向排列成行，上贝氏体中铁素体的亚结构是位错。b下贝氏体：钢中下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀碳化物的组织，由于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下观察呈黑色针状，在电镜下观察可以看到，它是以针片状铁素体为基，其中分布着很细的碳化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈5565的角度。

41、下贝氏体中的铁素体亚结构是位错。c.粒状贝氏体：粒状贝氏体是最近几十年才被确定的组织。在低中碳合金钢中，特别是在连续冷却时（如正火、热扎空冷或焊接热影响区）往往会出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。它的形成温度范围大致在上贝氏体相变温度区的上面。粒状贝氏体的金相组织，其特征是较粗大的铁素体块内有一些孤立的小岛，它原先是富碳的奥氏体区，其随后的转变可以有三种情况（a）分解为铁素体和碳化物，（b）发生马氏体转变（c）仍然保持为富碳的奥氏体。 （4）马氏体（m）：是碳在铁中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多种多样的，归纳起来分为两大类即板条状马氏体和片状马氏体。 a.板条状马氏体：在光学显微镜下

42、，板条状马氏体的形态呈现一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。每束内的条与条之间以小角度晶界分开，束与束之间具有较大的位向差。由于板条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相试验时易被腐蚀而呈现较深的颜色。在电子显微镜下观察可以看到马氏体群是由许多平行的板条所组成。经透射电镜观察发现板条状马氏体的亚结构是高密度的位错。含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条状马氏体又称低碳马氏体，因亚结构为位错，又称位错马氏体。b片状马氏体：在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，片间有一定角度，其立体形态为双凸透镜状，因形成

43、温度较低没有自回火现象，故其显微组织不易被浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。透射电镜观察其亚结构为孪晶。含碳高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故称为片状马氏体，又称高碳马氏体，根据形成温度和亚结构特点又称低温马氏体，孪晶马氏体。马氏体的粗细取决于淬火加热温度，即取决于奥氏体晶粒的大小。如高碳钢在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状马氏体，在光学显微镜下仅能隐约见其针状故又称为隐针马氏体。如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大则得到粗大针状马氏体。（5）残余奥氏体（ar）：当奥氏体中含碳量0.5%时，淬火时总有一定量的奥氏体不能转变成马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不易受硝酸酒

44、精的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，在组织中较难辨别出来。 （6）回火马氏体（mr）：高碳马氏体经低温回火（150250）后，马氏体分解，析出与母相共格的极细小的弥散碳化物。这种组织称为回火马氏体。由于有极细小的碳化物析出使回火马氏体易受侵蚀，所以在光学显微镜观察时，回火马氏体仍保持针状马氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。在电子显微镜下可观察到细小的碳化物。低碳板条状马氏体低温回火以后，马氏体只发生碳原子的偏聚，尚未析出碳化物。在光学和电子显微镜下观察，低碳回火马氏体仍保持条状马氏体形态。中碳钢淬火以后得到的板条状马氏体和片状马氏体的混合组织，回火后其中片状马氏体易受侵蚀颜

45、色变深。（7）回火屈氏体（tr）：在350500进行中温回火以后，得到回火屈氏体。它是由细小的粒状渗碳体和铁素体组成。其组织特征是：原来条状或片状马氏体的形态仍基本保持，屈氏体中的渗碳体颗粒很细小，在电子显微镜下可观察到颗粒状的渗碳体。（8）回火索氏体（st）：淬火钢在500650回火后得到回火索氏体组织，它是由小颗粒状渗碳体和铁素体组成。在光学显微镜下可观察到小颗粒状渗碳体，这些颗粒是断断续续的，其分布有时还保留原马氏体分布的特征，但针状基本消失。三.实验内容及实验方法指导观察下列显微样品，并画出组织示意图。序号钢号热处理工艺腐蚀剂145钢860退火（炉冷）4%硝酸酒精245钢860正火（空

46、冷）4%硝酸酒精345钢860水冷200回火4%硝酸酒精445钢860水冷400回火4%硝酸酒精545钢860水冷600回火4%硝酸酒精645钢750水冷4%硝酸酒精7t12780水冷4%硝酸酒精8t10球化退火4%硝酸酒精各典型组织的照片如图45至图415所示 图45 45# 正火组织 图46 45# 淬火组织 图47 45# 油淬组织 图48 45# 调质组织 图49 45# 750淬火组织 图410 t12# 780淬火组织 图411 t12# 1100淬火回火组织 图412 902钢 910空冷组织 图413 20# 1200淬火组织 图414 65mn 等温淬火组织（下贝）观察显微组

47、织的基本步骤：1.根据样品的成分，热处理工艺，运用铁碳合金状态图和奥氏体等温转变曲线，分析可能出现的组织。2.正确选择放大倍数：根据分析的组织特征选取合适的放大倍数，低倍观察视场广，组织特征较明显，观察较全面，选择其中有代表性的区域用高倍观察，高倍观察较局限，但能看到局部组织的细节。3.显微镜观察时要根据全面观察重点深入的原则，选择其中有代表性的区域进行重点观察，根据组织的形成特图415 65mn 等温淬火组织（上贝）点和组织的特征画出示意图，组织图要注明材料名称，处理工艺，放大倍数。腐蚀剂，组织名称等。四实验报告要求（1）简述实验目的，并画出各实验样品的组织示意图。每人任选八个。并说明所画样

48、品中的组织，简述其形成过程（2）完成实验报告部分的思考题。碳钢非平衡显微组织观察实 验 报 告 年级 专业 姓名 学号 实验内容（实验二） 用铅笔画表2中各样品显微组织。并用箭头标出图中各组织（用符号表示）在圆的下方标注材料名称、热处理工艺、放大倍数和浸蚀剂。讨论内容1.分析45钢750水淬与45钢860油淬的组织特征有何区别。若45钢淬火后硬度不足，如何根据组织分析其原因是淬火加热温度不足还是冷却速度不够呢？ 2.试分析t12，780水淬200回火与t12，1200水淬200回火的组织有何区别，性能有何区别。过共析钢的淬火温度应如何选择。3.含c量为1.1%的工具钢加热至880淬火后发现硬度不足，脆性很大，试分析原因，并提出改进措施。实验四 合金钢的显微组织观察一.实验目的1.观察各种常用合金钢的显微组织。2.了解这些金属材料的组织和性能的关系。二概述 1.几种常用合金钢的显微组织合金钢依合金元素含量的不同，可分为三种：合金元素总量小于5%的称为低合金钢；合金元素为510%的称为中合金钢；合金元素大于10%的称为高合金钢。 （1）一般合金结构钢都是低合金钢。由于加入合金元素，铁碳相图发生一些变动，但其平衡状态的显微组织与碳钢的显微组织并没有本质的区别。低合金钢热处理后的显微组织与碳钢的显微组织也没有根本的不同，差别只是在于合金元素都使c曲线右移（除co外）