材料科学基础B实验指导书与实验报告

《材料科学基础B》

（《金属学与热处理》）

实验指导书与实验报告

（材成专业）

宁向梅李谦编

河南科技大学工程材料实验教学中心

目录

实验一金相显微样品的制备及金相显微镜的使用.........................1

实验二金属结晶过程及铸锭组织观察......................................11

实验三铁碳合金的平衡组织观察...........................................14

实验四金属的塑性变形与再结晶...........................................17

实验五碳钢的热处理操作及其组织观察...................................20

实验六合金钢组织及钢热加工后显微缺陷的观察.........................25

实验七铸铁与有色金属显微组织观察.....................................29

附录一硬度计的使用.......................................................33

实验报告.....................................................................39

实验一金相显微镜的构造及使用...........................................40

实验二金相试样的制备.....................................................41

实验三金属结晶过程及铸锭组织观察.....................................42

实验四铁碳合金平衡组织观察.............................................43

实验五金属的塑性变形与再结晶..........................................45

实验六碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定.........................47

实验七合金钢组织及钢在热加工后显微缺陷观察.........................49

实验八铸铁与有色金属显微组织观察.....................................51

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、掌握金相显微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，初步掌握显微镜的正确使用。

3、初步掌握测定金属材料晶粒度的方法。

二、实验内容

1、每个人制备45钢的金相显微样品一块。

2、初步熟悉金相显微镜的基本原理、构造和正确的使用方法，用不同放大倍数观察所

制备的45钢的显微组织。

3、用比较法测定工业纯铁的晶粒度。

三、概述

运用金相显微镜观察制备好了的金相试样的组织或缺陷，这种方法称金相显微分析

方法。它可以观察、研究金属材料或另件中细小的用粗视分析方法不能观察到的组织及

缺陷。进行显微分析的主要工具是金相显微镜。作为金相显微分析用的光学显微镜其放

大倍数为儿十倍到2000倍，分辨率为2500&左右。若要观察研究更微小的微观缺陷，

则要应用透射电镜、扫描电镜及X光射线技术等分析方法来进行。

（一）金相显微样品的制备

1、取样

①取样部位及磨面（观察面）的选择：根据被检验金属材料或另件的特点、加工工艺

及研究目的进行选择。如：

研究另件破裂原因时，应在破裂部位取样，再在离破裂处较远的部位取样，以作比

较。

研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表层到中心必须分别截取几个样品。

研究轧材时，如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布，应在垂直轧制方向上

截取横向试样；如研究夹杂物的形状、类型、材料的形变程度、晶粒拉长的程度、带状

组织等，应在平行于轧制方向上截取纵向试样。

研究热处理后的另件时，因组织较均匀，可任选一断面试样。若研究氧化、脱碳、

表面处理（如渗碳）的情况，则应在横断面上观察。

②试样的截取方法：截取时应保证不使试样观察面的金相组织发生变化；软材料可

用锯、车、刨等方法截取；硬材料可用水冷砂轮切片机、电火花切割等方法截取；硬而

脆的材料（如白口铸铁），也可用锤击法获取。

③试样尺寸：以具体情况而定。一般可取高为10〜15mm，方形试样边长为15〜25m,

园柱形试样直径为15〜25mm。对于观察表层组织的试样，可采用斜面截取的方法，以

扩大表层观察范围。如（图1-1）

-1-

磨面

斜面截切

2、镶样

•般试样不需要镶样。但试样尺寸过于细小，形状特殊如丝材、薄片、细管等制备

样品时非常困难，必须把它镶嵌起来。

镶嵌的方法有低熔点合金镶嵌法、热压镶嵌法的机械镶嵌法等。热压镶嵌法有专门

的镶样机，将试样放于电木粉或塑料粒中加热到180C左右进行热压。由于热压镶嵌时

要加一定的温度和压力，这就会使马氏体回火和软金属产生塑性变形等，为避免这种情

况，可改用机械镶嵌法，即用夹具夹持试样。

3、磨制

磨制可分为粗磨和细磨两步。

①粗磨：对于软材料可用神刀锂平，•般材料都用砂轮机磨平。磨砂轮时应利用砂

轮侧面，以保证试样磨平，试样要不断用水冷却，以防温度升高造成内部发生变化。最

后倒角，以防细磨时划破砂纸。但对需要观察脱碳、渗碳等表面情况的试样不能倒角，

有时还要采用电镀敷盖来防止这些试样边缘倒角。

②细磨：细磨的方法有手工磨光和机械磨光。•

手工磨光是用手拿持试样直接在金相砂纸上进行。金相砂纸按粗细分为01号、02

号、03号、04号、05号几种，细磨时依次从01号磨到05号，一般钢铁试样磨到04

号砂纸，软材料如铝、镁等合金可磨到05号砂纸。

磨时必须注意：

A使磨面与砂纸完全接触，以保证试样磨面平整不产生弧度；

B每更换一道砂纸，应将试样转90°再磨，使磨制方向与上一道磨痕方向垂直，

以便观察前一道磨痕是否被消除。

C更换砂纸时，应把试样、工作台和手洗擦干净，以免把粗砂粒带到下一道细砂纸

上去。

D磨制软材料时，可在砂纸上涂上一层润滑剂，如机油、汽油、肥皂水等，以免砂

粒嵌入软金属内。

由于手工磨制速度慢、效率低，劳动强度比较大，故现在多采用机械磨光的方法。

机械磨光在预磨机上进行。预磨机由一个电动机带动一个或两个转盘，转盘分蜡盘和砂

纸盘两种，蜡盘就是把混有金刚砂的熔化石蜡浇的转盘上，待凝固车平后装在预磨机上

就可使用。可以做成不同粗细的金刚砂的蜡盘，蜡盘磨制的速度快、效率高，在生产检

验中大量应用。砂纸盘是把水砂纸剪成园形，然后用水玻璃粘在预磨机转盘上使用。水

-2-

砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号。一般

用200号、400号、600号、800号水砂纸依次磨制即可。用蜡盘和砂纸盘磨制时，要不

断加水冷却，样品必须掌住，以防飞出伤人。

4、抛光

抛光的目的是去除试样磨面上经细磨后的细致磨痕，使磨面呈光亮无磨痕的镜面。

抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等。

①机械抛光：

机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。抛光机由一个电动机带

动一个或两个抛光盘，转速为200~600转/分。粗抛时转速要高些，精抛或抛软材料时

转速要低些。所用抛光材料有抛光布和抛光粉，抛光布蒙在抛光盘上，不同的要求应适

当选用不同的抛光布。粗抛时常用帆布、粗呢等，精抛时常用绕布、细呢、丝绸等。抛

光粉也称抛光磨料。常用的抛光粉有以下几种：

氧化铝：白色细颗粒，用于粗抛或精抛。

氧化铭：绿色，颗粒极细，用于精抛，硬度很高，常用来抛光淬火后的合金钢等试

样，除氧化铭粉外，目前常使用块状的氧化铭抛光膏。。

氧化镁：白色，颗粒极细，用于精抛。由于它本身硬度较低，适合有色金属磨面的

抛光。

金刚砂：又称碳化硅，具有较高的硬度，常用于粗抛或做成蜡盘用。

金刚钻粉：具有极高的硬度和良好的磨削作用，抛光软、硬材料都有良好的效果。

可用于抛光硬质合金等极硬的材料，价格贵，应用较少。

抛光时注意事项：

A除抛光膏外，抛光粉都要配成抛光液使用。粗抛用抛光粉的粒度为500〜600号

（筛目），精抛用的抛光粉要求选得更细。

B抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并应使试样沿

抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动。

C抛光过程中要不断注入适量抛光液。若抛光布上抛光液太多，会使钢中夹杂物及

铸铁中的石墨脱落，抛光面质量也不好；若太少，将使抛光面变成晦暗而有黑斑。

D抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂物产生拖尾现象。

E为尽量减少抛光面表层金属变形的可能性，整个抛光时间不宜过长，磨痕全部消

除出现镜面后，抛光可停止，试样用水冲洗或用酒精洗干净后就要转入浸蚀或直接在显

微镜下观察。

②电解抛光：

由于机械抛光时在试样磨面上将发生“金属流动”，产生表面金属变形层（称拜尔

培层），影响金相组织显示的真实性。在光学显微镜下尚能显示出材料接近真实的组织，

但在特殊精细的研究中将感到不足，如电子显微镜组织研究与电子衍射结构的研究。

近来电解抛光得到广泛使用。由于电解抛光纯系电化溶解作用，无机械力的影响，

不致引起表层金属变形或流动。所以电解抛光的金相试样能显示材料的真实组织。因此

硬度低，单相合金，极易加工变形的合金，象奥氏体不锈钢、高镒钢等材料以采用此法

-3-

为宜。电触抛光速度很快，试样对预先磨光操作要求也比较低，效率高。

但电解抛光对于材料化学成分的不均匀性、显微偏析特别敏感，在金属基体与非金

属夹杂物处常被剧烈地浸蚀，所以电触抛光现在还不适用于偏析显著的金属材料（铸造

偏析、轧制偏析）、铸铁及作夹杂物检验的金相试样，

把试样放人电解液中，接通试样（阳极）与阴极间的电源，在一定条件下，可以使试

样磨面产生选择性的溶解，逐渐使磨面变到光滑平整。

电解抛光有专用的电解抛光仪，使用时可按仪器使用说明进行。

化学抛光是靠化学试剂的溶解作用，得到光亮的抛光表面，操作简便，成本低廉。

抛光时将试样浸在合适的抛光液中，进行适当搅动即可。或用棉花沾取化学抛光液，在

试样磨面上来回擦动即可。化学抛光兼有化学浸蚀的作用，能显示金相组织，因此试样

经化学抛光后可直接在显微镜下观察。化学抛光对试样磨面原来光洁度要求不很高，它

只能做到试样表面光滑的、起伏的波形。但在较低放大倍数下并不妨碍金相组织的观察。

5、金相组织的显示：

除观察试样中某些非金属夹杂物及铸铁中的石墨等外，金相试样磨面经抛光后，一

般还要用化学、物理等方法进行组织显示才能观察。

①化学侵蚀

利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织。

纯金属及单相合金的浸蚀系一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列的规律性差，

具有较高的自由能，所以晶界处较易侵蚀而呈沟壑。若浸蚀较浅，则在显微镜下可显示

出纯金属或固溶体的多面体晶粒。（图1—2）若浸蚀较深，则在显微镜下可显示出明暗不

一的晶粒，这是由于各晶粒位向不同，溶解速度不同，侵蚀后的显微平面与原磨面的角

度不同，在垂直线照射下，反射光线方向不同，显示出明暗不-»

1、未浸蚀2、晶界侵蚀

图1—2纯金属及单相合金化学浸蚀时各阶段的情况

二相合金的浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组织相是有不同的电位，在浸蚀

剂（即电解液）中，形成极多的微小的局部电池。较高负电位的•相成为阳极，被迅速

溶入电解液中，逐渐凹下去，而较高正电位的另一相成为阴极，保持原光滑平面，在显

微镜下可清楚显示出两相。

多相合金的浸蚀，也是一个电化溶解过程。其方法有：

A选择浸蚀法，即选用几种合适的浸蚀剂，依次浸蚀，使各相均被显示、

B薄膜浸蚀法，浸蚀剂与磨面各相起化学反应，形成一层厚薄不均匀的氧化膜层（或

反应产物的沉积），在白色光的照射下，由于光的干涉现象，使各相出现不同色彩而显

示组织。

各种化学浸蚀剂可在表1—3中查到。

腐蚀的步骤是：将已磨光的样品（样品磨光后不要用手去摸表面，以免沾上油污），

用水冲除抛光粉，用酒精洗去残余，然后用棉花球沾取腐蚀剂，在样品表面涂抹一定时

间，然后用水冲洗干净，用干净毛巾沾干表面上的水.或用电热吹风机吹干，即可用于

显微分析。为了长久保存经腐蚀后的显微样品，需在试样表面涂上一一层保护膜，常用

的有指甲油或硝酸纤维漆加香蕉水。

②电解浸蚀：

与电解抛光类似，只是工作电压与工作电流比电解抛光时要小。由于各相之间和晶粒

与晶粒之间的析出电位不一致，在微弱电流的作用下各相的浸蚀深浅不一样，故显示出

组织。

除以上显示方法外，还有几种金相组织特殊显示法，如热染、热蚀、阴极真空显示

法、磁性组织显示法等等，不一一介绍了。

.（二）金相显微镜的基本原理、构造及使用

1、金相显微镜的基本原理

显微镜的基本原理如图1—3所示的光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。

物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜组成物镜0“对着眼睛的一

组透镜组成目镜02。物镜、目镜都各由复杂的透镜系统组成。

图1—3显微镜光学原理图

物镜使物体AB形成放大的倒立实像NB,目镜再把A'B,放大成仍然倒立虚象

A"B"，其位置正好在人眼的明视距离处，即距人眼250mm处。我们在显微镜目镜看

-5-

到的就是这个虚象A"B"。

显微镜的主要性能有：

①显微镜的放大倍数：显微镜的放大倍数可由下式决定：

M=M»XM“=-

M——显微镜的放大倍数

M目一目镜的放大倍数

M物一一物镜的放大倍数

D------明视距离250mm

/物一一目镜的焦距

G—物镜的焦距

L一一显微镜的光学镜筒长度

%、为越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。在使用时，显微镜的放大倍数为

物镜和目镜的放大倍数的乘积，有的小型显微镜的放大倍数需要乘一个镜筒系数，因为

它的镜筒长度比一般显微镜短。

②显微镜的鉴别率：显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辩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d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0.21X

103mm,d值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计算出来：

X——入射光线的波长

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H镜没有关系。光源

的波长可通过滤色片来选择。兰光的波长（入=0.442比黄绿光（入=0.55①短，所以鉴别率

较黄绿光大25%,当光源的波长一定时，则通过变化A来调节显微镜的鉴别率。

③景深：即垂直鉴别率，反映显微镜对于高低不同的物体能清晰成象的能力。

曷深二]]

年《不7Msin02〃sin0

M-----放大倍数0-------孔径角入----波长n折射率

放大倍数或数值孔径越大，景深越小，在进行断口分析时，若景深太小，则对断口

上凹凸不平的浮雕难以同时有清晰的图象。

④物镜的数值孔径：数值孑L径表示物镜的集光能力。

A=nsinW

A——物镜的数值孔径

N——物镜与试样之间介质的折射率

甲——物镜孔径角的一半（图1—4）

-6-

n越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大。由于中总是小于90°,所以在空气介

质（n=l）中使用时，数值孔径A一定小于I,这类物镜称干系物镜。当物镜-与试样之间

充满松柏油介质（n=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（简称油镜头）。每个物镜都有I-I

一个设计额定的A值，刻在物镜体上。jI|

⑤放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系，显微镜的同一放左国"物镜

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10

倍的目镜或者15倍的物镜乘30倍的目镜都是450倍。对于同，“鳖

一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢？首先确定物镜，根据说,〃乩的F以缶

计算，选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜值孔径

的500倍到1000倍之间,即：

M=500A-1000A

这个范围称有效放大倍数范围。若M<500A,则未能充分发挥物镜的鉴别率。若

M>1000A,则形成“虚伪放大”，细微部分将分辩不清，待物镜选定后，再根据所需放

大倍数选用目镜。

⑥透镜形成缺陷

A球面象差，当来自A点的单色光（即一定波长的光线）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。此现象称为球面象差。

降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外，在

使用显微镜时也可采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积的办

法把球面象差降低到最低限度o

B.色象差，白色光是由七种单色光组成的。当一束来自A的白色光通过透镜后，

由于各单色光的波长不同，折射率不同，使光线折射也不能交于一点。紫光折射最强，

红光折射最弱，结果也使成象模糊不清，此现象称为色象差。

消除色象差的办法，一是制造物镜时进行校正，根据校正程度，物镜可分为消色差

物镜和复消色差物镜。消色差物镜常与普通目镜配合，用于低倍、中倍观察，复消色差

物镜与补偿目镜配合用于高倍观察。二是使用滤色片得到单色光，常用的黄色或绿色滤

色片。

2、金相显微镜的构造

金相显微镜可分为台式、立式和卧式三种类型，各种类型又有许多不同的型号，虽

然它们的型式极多，但基本构造大致相同。现以上海光学仪器厂制造的XJB-I型金相

显微镜为例来介绍显微镜的构造。

（1）照明系统（图1—5）

由灯泡1发出的一束光线，经聚光镜组2-反光镜7-孔径光阑8一聚光镜组3f物

镜6一样品表面，光线经样品表面反射后，经物镜6-补助透镜5一半反射镜4-补助透

镜10-棱镜11、12—物镜13f目镜14,最后进入观察者眼睛内。

其中孔径光栏可以控制入射光束的粗细。当孔径光栏缩小时，进人物镜的光束变细，

球面象差降低，成象较清晰。但同时由于进入物镜的光束变细，使物镜的孔径角缩小，

-7-

因而实际使用的数值孔径值下降、鉴别率降低。相反当光栏张大时.鉴别率提高，但球

面象差增加以及镜筒内部反射和内弦的增加，将使成象质量降低，，孔径光栏在使用时

必须做适当的调节，以观察成象清晰时为适度。注意不要把孔径光栏作用调节视场的亮

度使用。

1一灯泡2—聚光镜组(-)

3—聚光镜钮(二)4一半反射镜

5—补助透镜(一)6-物镜组

7—反光镜IL径光

9—ffi场光1。一补助透镜(二)

11一校镜12—棱镜

13—场镜目镜

图1-5显微镜照明及光学系统示意图

视场光栏用来调节观察视场的大小。适当调节视场光栏可以减少镜筒内光线反射的

炫光，提高成象的衬度，而对物镜的鉴别率没有影响。

滤色片：在进行金相摄影时，往往使用滤色片，可以增加金相照片上组织的衬度，

得到较短波长的单色片.可提高鉴别率。配合消色差物镜，可有效地消除色象差。

(2)光学系统：主要是物镜和目镜。表1-1

表1-1物镜和目镜

光学系统放大倍数数值孔径焦距(mm)工作距离(mm)

干燥系统3X0.2519.969.00

干燥系统45X0.634.120.50

汕浸系统100X1.251.930.18

一

镇放大倍数焦距(mm)视场直径(mm)

惠5X5020

更10X2514

斯

15X16.79.5

」

物镜，物镜有消色差物镜、平面消色差物镜、复消色差物镜等几种。物镜的主要性

能包括放大倍数、数值孔径、鉴别率、景深等。物镜的类型、族大倍数(或焦距)，数值

-8-

孔径等通常刻在物镜的金属外壳上,油浸物镜用“01”、“H1”或“oil”等表示，另在

黑圈标记。放大倍数有以8X。45X、100X号表示。也有以焦距来表示的，如F=8.16,

F=2.77等，焦距越短，放大倍数越高。以焦距表示物镜与目镜配合后的放大倍数可查显

微镜的附表。

物镜上刻有45X/0.65“8”或“0/8”等符号。其中45X号表示放大倍数，0.65

表示数值孔径，“8”或“0/8”表示此物镜是按无限镜筒长度设计的，XJB-1型金

相显微镜备有8X（干系），45X（干系）及100X（油系），三个物镜。

目镜，目镜有普通目镜、补偿目镜、测微目镜、照相目镜等等，目镜的类型、放大

倍数等刻在目镜的金属外壳上。普通目镜与消色差物镜配合使用。补偿目镜带"K"字标

记，与复消色差物镜配合使用。补偿目镜不可与消色差物镜配合使用。测微目镜内附有

细微标尺，可测量金相组织中如晶粒大小、石墨长短、表面脱碳层厚度以及显微硬度压

痕等等，照相目镜在进行金相摄影时使用。XTB-1型金相显微镜备有5X、10X,15

X三个目镜。

显微镜在使用时可根据所需要的放大倍数选择合适的物镜和目镜。（表1-2）有显微镜

（如蔡司Epinost小型金相显微镜）由于其镜筒长度较一般显微镜短些，在计算放大倍数时

要乘上一个系数，即乂=1＜乂粉乂”，，系数K称镜筒系数，刻在镜体上。

表1-2放大倍数

物镜

8X45X100X

目镜

5X40X225X500X

10X80X450X1000X

15X120X675X1500X

（3）机械系统

粗调焦手轮、细调焦手轮：调节物镜与试样表面距离，以得到最清晰的图象。

载物台，载放样品，可以用手在水平面各方向上自由移动，以便观察样品的适当部

位。

目镜转换器：可以方便地更换不同倍数的目镜，并保证使视场中央区域保持在观察

范围内。

底座：为整个显微镜的支撑部件，并可安装金相摄影装置。

XJB-1型金相显微镜备有照相装置，需要时可将其装上进行拍摄。

3、金相显微镜使用注意事项：

金相显微镜是贵重的精密的光学仪器，在使用时一定要自觉遵守实验室的制度和必

要的规定：

①初次操作显微镜前，应首先了解显微镜的基本原理、构造、各主要附件的作用、

位置等，并了解显微镜使用注意事项。

②金相样品要干净，不要残留有酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜的透镜。不能用手摸

透镜，擦透镜要用擦镜头纸。

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③照明灯炮电压，一般为6V、8V。必须通过降压变压器使用，千万不可将其直接

插入220V电源，以免烧毁灯泡及发生触电事故。

④操作要细心，不得有粗暴和剧烈的动作。安装、更换镜头及其它附件时要小心，

不得摔在地上或桌上。

⑤调焦距时要避免物镜与样品接触。应先将载物台下降，使样品尽量靠近物镜（不能

接触），然后用眼从目镜中观察，先用双手旋转粗调焦手轮。使载物台慢慢上升，待看

到组织后，再调节细调焦手轮，直到图象清晰为止。

⑥使用中出现故障立即报告老师，不得私自处理。

⑦使用完毕，关闭电源，把镜头与附件放回附件盒，把显微镜恢复成使用前状态。

认真填写使用登记本，经老师检查无误后方可离开实验室。

四、方法指导

1、实验材料及设备：

①45钢试样（①10X15）每人一块

②制备好的纯铁试样

③各号金相砂纸

④金相试样预磨机

⑤抛光机

⑥腐蚀剂，4%硝酸酒精

⑦棉花球、夹子、电热吹风机

⑧金相显微镜

⑨标准晶粒度级别

2、实验步骤：

①用机械抛光法及一般化学浸蚀法制备金相显微样品。每人领取由实验室准备的45

钢试样一块，认真听老师讲解金相显微样品的制备过程，按照样品制备程序进行操作。

要求制备出块在金相显微镜下观察无磨痕、组织清晰的45钢金相样品。

②认真听取老师讲解金相显微镜的原理、构造和使用注意事项，了解显微镜各部件

的位置、作用，熟悉显微镜的操作规程，正确选用物镜和目镜、进行光栏调节，调焦等

操作。

③用金相显微镜观察自己制备的45钢试样，画下组织图，标明材料名称，热处理工

艺，组织、放大倍数、腐蚀剂等项。本次实验所用的45钢试样为退火状态，组织为珠

光体（黑色）+铁素体（白色）。

④用比较法测定由实验室已制备的工业纯铁试样的晶粒度，画下组织图，标明材料

名称，热处理工艺，组织、放大倍数、腐蚀剂，晶粒度等项。纯铁试样为退火状态，组

织为铁素体+三次渗碳体（极少量，可忽略），腐蚀剂为4%硝酸酒精。

五、实验报告

1、简述实验目的、实验内容。

2、简述金相显微样品的制备过程（仅为机械抛光法及一般化学浸蚀法）

3、按照实验步骤中③、④的要求，画下45钢和工业纯铁的组织图。

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4、回答所列问题。

实验二金属结晶过程及铸锭组织观察

一、实验目的

1、观察盐类及金属的结晶过程：

2、根据凝固条件分析铸锭组织。

二、实验内容•

I、观察氯化镂饱和溶液及银晶体的结晶过程。

2、观察分析不同凝固条件所得的纯铝铸锭的宏观组织

三、概述

结晶过程包括晶核的形成和长大两个过程。其中晶体的长大过程可以观察，而晶核

的大小不能用肉眼观察到，所以实验中只能见到正在长大的晶体，而它最后形成一个晶

粒。

晶粒的形状及大小，根据冷却条件及其他因素不同可以是各种各样的，金属及盐类

最常见到的晶体形状是树枝状晶体，又称枝晶。

用生物显微镜可以直接观察透明盐类（如氯化铉、氯化钠、硝酸铅、硝酸银等）的结

晶过程。

在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化镀溶液，就可以放在生物显微镜下观察它的结

晶过程。随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，由于液滴边缘处最薄，因此蒸发

得最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。

结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体，这是由于液滴外层较

薄，蒸发很快，在短时间内产生了大量晶核之故。

结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这

是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里的，最外层的细小

等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的，带有方向性的柱状

晶。

结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中

心此时也变得较薄，蒸发出较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的核晶组

织。

山以上叙述可以看出，盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭

的结晶过程与组织很相似。

金属是不透时的，因此一般不能用显微镜来观察液态金属的结晶过程。但是金属凝

固后可以将铸锭沿纵剖面或横剖面切开，经过磨制和浸蚀后就可以分析它的组织和形成

过程。另外，我们也可以利用化学中的取代现象来观察金属晶体的生长过程。例如：在

硝酸银的水溶液中放人一小段细铜丝，铜将开始溶解，而银则沉淀出来，其反应如下：

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Cu+2AgN03=2Ag+Cu(NO3)2

又如在硝酸铅的水溶液中放入一小块锌，则铅将沉淀出来，其反应式为：

Zn+Pb(NCh)2=Pb+Zn(NO3)2：

如果在生物显微镜下观察，则可以看到银(或铅)的枝晶的生长过程。需要说明，金属的

结晶是在液态金属冷却的过程中进行的，当具有一定的过冷度时，金属就开始结晶。而

所观察的氧化铁和金属银的沉淀枝晶都是在室温下进行，它们结晶显然不是依靠过冷

度。氧化筏是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶.银则是化学取代反应中被取代出来

的金属进行沉聚而得到枝晶。虽然有上述差别，但我们可通过这个实验看到晶体成长的

共同特点，即以枝晶的形式长大。

纯金属只在铸锭的表面，特别是缩孔处，可以很清楚地看到枝晶组织，而在铸锭内，

只能看到外形不规则的晶粒。在铸造状态的合金中，由于晶内偏析或结晶顺序的不同，

在合金的内部可以用显微镜看到金属结晶的枝晶组织。

铸锭的结晶过程及其组织与模子的种类和予热温度，以及浇铸温度，过热温度，变

质处理条件等因素有关。改变模子的材料也就改变了金属的冷却条件，例如金属模可以

比砂模获得更大的柱状晶区。如果将模子予热，其实质是降低了冷却速度，予热温度越

高，等轴晶区也越大。

改变金属的浇铸温度对结晶过程也有影响。当液态金属过热越多时，浇铸后沿铸锭

截面的温度差也就越大，使其到达结晶温度所要排除的热量也就越多，因此在足够的时

间使柱状晶发展。

通过加入一定的变质剂进行变质处理，能够增加结晶时的核心数。因此在其它条件

相同时，可以得到细小的晶粒。不同纯度的金属，由于其非自发核心数.目不同，结晶

后的晶粒粗细也不同。但是如果液态金属过热程度越大，将使非自发核心数目减少，因

此得到粗大的柱状晶粒。

四、方法指导

(1)实验材料及设备

1、氯化筱、硝酸银溶液

2、清洁的玻璃板、玻璃棒

3、铜丝

4、不同铸造条件(表2—1)下纯铝铸锭的结晶组织一套。

5、生物显微镜或幻灯机

(2)实验步骤

1、观察氯化筱溶液的结晶过程

用玻璃棒或毛笔引一小滴已配好的氯化筱水溶液到玻璃片上，用生物显微镜或将玻

璃片放在幻灯机上，对准焦距进行观察。

注意，液滴不应太大，否则蒸发太慢，不容易结晶。另外还要注意清洁，不要让外

界物质落人液滴而影响结晶的过程。在使用显微镜时，应注意防止液滴流到试样台或显

微镜的其他部分，尤其不能让液滴碰到物镜。

2、将一小滴硝酸银溶液放在玻璃片上，并将此玻璃片放在生物显微镜的试样台上，

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调好焦距后，将一小段细铜丝放在液滴上，随即观察银晶体的生长过程。

3、分析比较下列（表2—1）条件铸造后所得的纯铝铸锭的宏观组织。

表2-1

试样号12345678

浇铸温度C780700700850850850850850

铸型热砂模冷砂模铁模砂模热砂模铁模铁模铁模

其它条件———————拌搅加Ti

五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》。

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实验三铁碳合金的平衡组织观察

一、实验目的

1、识别碳钢和白口铁平衡组织的特征；

2、牢固建立铁碳合金中成分、组织和性能之间的变化规律;

3、应用杠杆定律估算碳钢中的含量。

二、实验内容

观察、分析表3—1所列碳钢的白口铁的组织。然后画下组织示意图

表3—1

序号样品名称腐蚀剂显微组织

1工业纯铁4%硝酸酒精F

20.20%碳钢4%硝酸酒精F+P

30.45%碳钢F+P

40.80%碳钢P（用两种放大倍数）

51.2%碳钢P+Fe3cli

6热苦味酸钠酒精P+Fe3cM黑色）

7未知碳钢4%硝酸酒精P+F

8亚共晶臼口铁P+Fe3cli+Ld

9共晶白口铁Ld

10过共晶白口铁FesCi+Ld

三、概述

根据铁碳合金状态图，铁碳合金随着含碳量及加热温度的变化，可出现十儿种不同

的固态组织，其中，奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体是最常遇到的基本组织,

它们对确定碳钢和白口铁平衡状态（退火）和近平衡状态（正火）的组织和性能具有实

际意义。

1、铁碳合金的基本组织及特征

①奥氏体（A）：碳溶解在r-Fe中的间隙固溶体。它的最大溶碳量为2.11%,碳钢中奥

氏体仅能在高温下（在于723C）存在，在高温金相显微镜下可观察到。而在某些高合金

钢，也称奥氏体钢中（如高铳钢，18—8不锈钢），由于含有大量扩大丫相区的元素，才

能在室温下观察到，此外碳钢在合金钢的淬火后有时还保留部分奥氏体至室温。

碳钢中的高温奥氏体组织，在光学显微镜下呈多边形晶粒，其晶粒内部往往出现平

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行的挛晶带，由于加热和冷却过程中所产生的热应力使奥氏体发生塑性变形所致，

奥氏体硬度较低，约为HB170—220,塑性好，所以钢在压力加工时，都要加热到形

成奥氏体温度。

②铁素体(F)：碳溶解在o-Fe中的间隙固溶体；它的溶碳量随着温度的改变而变化，

其最大的溶碳量在723℃为0.02%»

经3〜5%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮的多边形晶粒，黑色网是晶粒边界。重浸蚀后

晶粒呈现明暗不同的颜色，这是由于各晶粒的位向不同，显示出各晶粒具有不同的耐腐

蚀性。亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体量增加而铁素体量减少，当铁素体量多

时，它呈块状分布，而当钢的含碳量接近共析成分时，F在P的边界上呈网状分布。

铁素体硬度低；一般为HB80—120,强度也较低。但塑性和韧性都好，所以低碳钢

是适合作为冷冲压材料。

③渗碳体(FesC)：是铁和碳的一种化合物，含碳量为6.67%,在铁碳合金中，当碳

含量超过其溶解度时，多余的碳就以Fe3c出现。

渗碳体的抗腐蚀能力较强，经3〜5%硝酸酒精溶液浸蚀后呈白亮色。Fe3cl直接从

液体中析出，呈粗大条状分布在莱氏体中，Fe3cH由奥氏体中析出，由于量少而沿奥氏

晶界析出，随后奥氏体变成珠光体，故Fe3。呈网状分布在P的边界上。

渗碳体的硬度很高，HB达800,它是一种硬而脆的相，所以强度、塑性都很差。故

单纯Fe3c或以Fe3c为基体的铁碳合金没有实用价值，只有在铁素体基体上配合适量渗

碳体才可用。

④珠光体(P)：它是铁素体和渗碳体两相的机械混合组织。是由高温奥氏体冷却到

723℃发生共析反应所得的F和Fe3c交替形成的层片状

组织。经3〜5%硝酸酒精浸蚀后，在低的倍数下观察，

其中铁素体与渗碳体无法分辩，呈现黑色云状，在中等

倍数下观察，片状珠光体中铁素体呈白亮色，而渗碳体

呈黑色条纹状这是因为在片状珠光体中铁素体片宽。当

倍数很高下，铁素体和渗碳体片状形态都能真实地反映

出来，如图3—1,渗碳体和铁素体都保持成平面，由于

前者不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外，但在两者接界

处，由于浸蚀时电化学作用较剧烈产生凹陷在直射下光

线被散射而呈黑色。

图3-1片状珠光体显微

片状珠光体硬度为HB190-230,随片层间距的变小

组织示意图

而硬度升高。

⑤莱氏体(Ld)：它是一个两相共晶组织。在723℃以

上是奥氏体和渗碳体共晶的机械混合物。在723℃时，莱氏体中奥氏体发生共析反应，

而变成珠光体，所以室温下所观察的莱氏体组织是渗碳体+珠光体的机械混合物，渗碳

体中包括共晶Fe3c和FesCn，但由于连在一起而分辨不开，经3〜5%硝酸酒清浸蚀后，

Ld的组织特征是在白亮色Fe3c基体上分布着许多黑色点状或条状的P。

莱氏体与珠光体不同在于前者在渗碳体的基体上分布着珠光体，后者是在铁素体基

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体上分布着渗碳体。

莱氏体硬度很高达HB700,性脆，它一般存在含碳量大于2.11%的白口铁中，在某

些高碳合金钢的铸造组织中也会出现。

2、铁素体与渗碳体的区别

铁碳合金平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。F和Fe3c经3〜5%硝酸酒精溶

液浸蚀后均呈白亮色，有时为了区别晶界网状铁素体和渗碳体，可选用染色剂着色，通

常用碱性苦味酸钠水溶液（2克苦味酸、25克氢氧化钠、100毫升水）煮沸15分钟，渗碳

体被染成黑色，铁素体仍为白色。由此可区别F和FesC,这说明同--组织不同的浸蚀

剂浸蚀可显示不同的特征。

3、亚共析钢的含碳量估算：

亚共析钢平衡组织为铁素体+珠光体。已知珠光体平均含碳量为0.8%,如果忽略铁

素体中的含碳量（723C0.02%C到室温0.006%的变化）。根据杠杆定律，从显微镜下观

察到珠光体面积百分数乘上0.8%即为碳钢的含碳量。如显微组织中珠光体面积百分数

约占75%,则该试样含碳量约为75%X0.8=0.6%。

四、实验程序

1、对表3—1中列举的一系列样品进行细致的观察，研究每一个样品的组织特征，

并联系铁碳状态图了解其组织形成过程。注意含碳量与金相组织之间的关系。

2、待认识了各组织之后，抓住特征，描绘每个样品显微组织的示意图。

3、仔细阅览碳钢与白口铁的金相图谱。

4、选择一个亚共析钢样品进行含碳量的估算。

五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》

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实验四金属的塑性变形与再结晶

一、实验目的：

1、了解显微镜下滑移线，变形与挛晶与退火季晶特征。

2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化。

3、讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。

二、实验内容

1、观察纯铝片冷变形滑移线，纯锌的变形季晶、a黄铜的退火李晶。

2、测量工业纯铁经冷变形（0%、20%、40%、60%）后的硬度，观察其组织。

3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小

二、概述

1、显微镜下的滑移线与变形李晶

当金属以滑移和挛晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。我们之

所以能看到滑移线（叫滑移带更符合实际）是因为晶体滑移时，使试样的抛光表面上产生

高低不一的台阶所致。滑移线的形状取决于晶体结构。有直线形的，有波浪形的，有平

行的，有相互交叉的，显示了滑移方式的不同。变形量愈大，滑移线愈多，愈密。

在密排六方结构中，常可看到变形挛晶，这是因为此类金属结构难以变形。李晶可

以看到是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的挛生部分相对于晶体的其余部分产

生了位向的改变。由于位向不同，李晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜

下李晶区是一条较浅或较深的带。在不同的金属中，变形李晶的形状也不同，例如在变

形锌中可看到挛晶变形区域，其特征为竹叶状，a—Fc则为细针状。除变形挛晶外，有

些金属如a黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的李晶带，这类李晶称为退火季

晶。

滑移和李晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量

塑性变形。如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。制备挛晶试样时，是先

经过塑性变形，然后再抛光腐蚀。可见，①对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到

而李晶只有在磨光腐蚀后才可看出。②滑移线经再次磨光即消失，而李晶在样品表面磨

光腐蚀后仍然保留着。滑移线和磨痕的区别在于前者是不是会穿过晶界的。

2、冷变形后金属的显微组织与机械性能

冷加工变形后，晶粒的大小，形状及分布都会发生改变。晶粒沿外力方向被拉长（或

缩短），当变形很大时晶界已不明显，这时已分不出一颗颗的晶粒，看到的只是纤维状

组织。

在变形过程中，由于滑移面的转动及晶粒的破碎、晶格弯扭造成临界切应力的提高，

均使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象，故随着变形度的增加，金属的强

度均增高。

3、冷加工变形后金属在加热时的变化

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金属经变形后其组织处于不稳定状态，因而在随后加热过程中，进行回复，再结晶

及晶粒长大三个过程，，冉结晶退火后金属被软化，即加工硬化被消除，再结晶后金属

的机械性能取决于晶粒大小，而晶粒大小则受予先冷变形和再结晶退火温度所控制。

变形度对再结晶后晶粒大小的影响，特别显著。当金属的变形度越大时，再结晶后

的晶粒越小。金属有一个能进行再结晶的最小变形度，此时可得到最大的晶粒。这个变

形度叫临界变形度(铝约为2%)。低于这个变形度，金属不会发生再结晶。

当变形度一定时，加热温度越高，再结晶进行得越快，再结晶后形成的新晶粒也越

大。

四、方法指导

1、实验材料及设备

①抛光的纯铝片一一观察其滑移线。

②常温下变形度为10%的锌试样一一观察变形挛晶。

③变形度为40%的。黄铜经750℃退火30分钟——观察退火挛晶。

④变形度为9%、20