上交大材料科学基础实验指导

实验一光学金相组织观察方法目的1．了解光学金相组织观察方法及步逐；2．了解光学金相显微镜的结构，熟悉其使用的基本方法；3．了解光学金相样品的制备过程，体会制过程对观察组织的影响。光学金相显微镜的结构为观察材料的显微组织，必须借助显微镜，大家可能用过生物显微镜，知道其大致结构有：物镜、目镜、粗调、微调等，生物样品是透明的，可用自然光。工程材料，如金属材料，是不透明的，成像利用的是反射光，因此在光学金相显微镜中，结构上明显特点是有一套照明设备，现用显微镜的照明设备包括：电源、变压器、灯泡、透镜组——得到平行光，经过孔径光栏、滤色片、视场光栏，再经过物镜照射到试样上。经过试样的反射光进入物镜经过一次放大，再经过目镜的再次放大，我们看到的是经过二次放大的虚像。因为最后看到的像和各人的视力的影响，不同人观察时对显微镜要进行微调。显微组织成像原理如图所示，从透镜内垂直照射到试样上的平行光，将发生反射和吸收。如果试样是镜面，光线全部原路返回，最后成像为亮点；如果试样有不平的沟槽，部分光线反射后不能进入物镜，这样这些地方成像为暗区。有明有暗就构成了表面的图象，就是我们观察到的组织形貌。金相试样的制备方法取样：从材料或零件上截取准备观察的样品，要求组织要有代表性，大小要适合制样和观察，尺寸过小的还要进行镶嵌。打平：让观察面宏观为平面，用砂轮、锉刀或其它方法来实现。磨光：用不同粒度的金相砂纸，从粗到细依次细磨，让其粗糙度不断减小。细磨的方法有干磨和湿磨，可用手工细磨和机械细磨。抛光：消除细磨留下的最后磨痕，使观察面成为光滑无痕的镜面。抛光方法有机械抛光、化学抛光和电解抛光。组织显示：抛光后的试样直接观察，只能分辨吸收光线不同的区域，如非金属夹杂、铸铁中的石墨形状或裂纹。用化学试剂进行浸蚀，组织中不同结构浸蚀程度不同，如晶界就浸蚀成沟槽，就可分辨各种组织。实验内容每人制备一个金相试样，并利用金相显微镜进行观察结果。磨样：试样已经过打平，用金相砂纸进行磨光。砂纸下用玻璃板，一只手按住砂纸，另一只手拿试样平稳来回磨削，磨面受压均匀，前推用力，拖回放松。磨痕全部一致，换下一号砂纸，转90度再磨光。抛光：在呢布上加水和抛光粉，手拿稳轻抛。得到镜面。浸蚀：用4%的硝酸酒精擦抹试样到镜面光泽刚消失。清洗、吸水、吹干试样。在显微镜下观察结果。使用显微镜电源要经过变压器，不要用手摸镜头，注意脚下身后的电线，粗调到位即可见组织再用微调，移动视场轻动载物台。试样中常见的制样缺陷：划痕：未磨去(粗大量少)或未抛光好(较细)而留下砂纸磨痕。麻点、曳尾：抛光过度造成。水迹：水脏或吹干不及时。浸蚀：浸蚀不足组织明亮但不清晰，浸蚀过度晶界变粗或组织灰暗不清晰。实验报告1．简述金相显微镜的结构特点；2．写出金相显微镜的正确使用方法和使用注意事项。3．写出金相样品的制作步骤。4．在直径为35mm的圆中画出观察到的组织示意图，并对你所制备的试样的质量进行评价(存在的缺陷及形成原因)。

实验二结晶过程与显微组织摄影目的1．加深对结晶过程的理解；2．了解光学金相显微组织的摄影方法。一、结晶过程的动态观察由于金属晶体不透明，晶体通常都比较细小，且一般金属结晶的温度又较室温高得多，所以难以直接观察到金属的结晶过程。人们发现，某些盐类晶体自水溶液中结晶的现象和金属较相似，可以直接地观察到其结晶的全过程。因此可借用盐类地结晶过程来认识金属地结晶规律。若将饱和地氯化氨(NH4Cl)水溶液滴在玻璃片上，然后置于生物显微镜下观察，可以看到在液体地边缘因蒸发快而产生大量的核心，形成较细的等轴晶；随着液体的蒸发，内部也达到饱和，晶体的部分枝干迅速向内生长并产生分支，同时在液体的内部也可以形核，这些核心也以树枝晶的方式不断长大。在液体较后的地方，树枝晶的空隙被添满而不透明，在液体的数量较薄，结晶后得不到液体得补充，最终这些树枝晶将保留下来。现利用幻灯机来进行放大，将结果投影到屏幕上。二、显微组织的摄影显微组织摄影是在金相显微镜下采用专门的摄影装置，把材料内部的组织或缺陷记录下来的一种分析技术。它是金相研究工作中的一个重要组成部分，一张有意义的金相照片，是分析工作的重要依据，也是正式文件或论文中必不可少组成元件。完成好一张金相照片，主要由两部分工作组成：一是的显示清晰正确的组织，二是将组织结果完好记录并能重现。显示正确清晰的组织试样制作好试样有代表性，观察的视场也有代表意义，并且观察的视场内无划痕、曳尾、麻点、水迹等，制样中不能把应存在组织如铸铁中的石墨、钢中的夹杂物磨掉。正确显示组织调整好显微镜的光学系统，照明均匀，亮度合适，选择合理的滤色片、孔镜光栏、视场光栏；确定好合理的放大倍数，达到既能辨认组织的详细结构，又能有一定的整体观；调整好焦距，让组织清晰显示。记录结果方法利用感光材料：即平时照相用的底片，并印出照片。制作底片要根据要求选用彩色或黑白全色片，确定合适的曝光时间，高档显微镜可用自动曝光，有些则需用试验来确定曝光时间，一般需约在4—40秒，底片选用正确的显影和定影液，正确的冲洗，操作在暗室中处理。印相也要选用合适的相纸，金相照片一般用反差较大的3、4号相纸，常规的曝光、显影和定影方法。电子数码相机：将信息转变为数码信息，利用打印机输出图片；也可将信息转换为图形文件，利用计算机的各种存储方法保存，共以后阅读或打印输出。三、金属铸锭组织结构金属的铸锭由三个晶区组成。外界条件不同，所得到的组织结构也不同。下面以纯铝的铸锭组织进行说明，铸锭尺寸为直径30mm，浇注条件如表所示：组号铸模材料模壁厚度铸模温度浇注温度其他1干沙型10mm室温700℃2铸铁3mm室温700℃3铸铁10mm室温700℃4铸铁10mm500℃700℃5铸铁10mm室温700℃铁丝搅动6铸铁10mm室温700℃加少量的三氧化二铝粉(变质剂)7铸铁10mm室温900℃将铸锭取出，从中锯开，磨平，用“王水”侵蚀，结果如图所示。

实验三金属的塑性变形与再结晶组织观察目的1．加深对材料塑性编写过程的理解；2．认识塑性变形的典型组织；3．理解变形量对再结晶后晶粒尺寸的影响。一、塑性变形引起材料组织的变化晶体塑性材料塑性变形的基本方式有四种：滑移、孪生、蠕变、粘滞性流动。滑移是晶体中位错在外力作用下发生运动，造成晶体的两部分在滑移面上沿滑移方向的相对移动，滑移是位错的移动，晶体内部原子从一个平衡位置移到另一个平衡位置，不一起晶体内的组织变化，位错移出晶体的表面，形成滑移台阶，一个位错源发出的位错都移出，在晶体表明形成台阶在显微镜下可以见到，就是滑移线。孪生是在滑移困难时以形成孪晶的方式发生的塑性变形，晶体发生孪生，在晶体表面产生浮凸，晶体内部生成的孪晶与原晶体的取向不一样，并有界面分隔，所以在晶体内重新制样后依然可以看到孪晶。多晶体材料发生塑性变形后，原等轴晶粒被拉长或压扁，晶界变模糊。两相材料经过塑性变形后，第二相的分布也与变形方向有关。塑性变形后进行退火加热发生再结晶的晶粒尺寸与变形量有直接的关系。在临界变形量(不同材料不相同，一般金属在2—10%之间)以下，金属材料不发生再结晶，材料维持原来的晶粒尺寸；在临界变形量附近，刚能形核，因核心数量很少而再结晶后的尺寸很大，有时甚至可得到单晶；一般情况随着变形量的增加，再结晶后的晶粒尺寸不断减小；当变形量过大(>70%)后，可能产生明显织构，在退火温度高时发生晶粒的异常长大。二、实验内容1．观察几种塑性变形后的组织形貌①．低碳钢拉伸后的组织变化：看断口附近，变形量最大，组织特征明显，白色的软相的晶粒的形状分布，黑色较硬相形状分布特征。②纯铁压缩表面的滑移线：为了观察，现将试样磨平，再压缩变形，晶体表面可留下滑移线。若再打磨则滑移线就不可见。一个滑移系能开动，与之平行的滑移系也可能开动，滑移线往往时互相平行，因为存在交滑移，滑移线为波浪状。③锌的变形孪晶：Zn是hcp晶系，仅有三个滑移系，多晶体变形就会发生孪生，从试样上可见到变形产生的孪晶。④纯铁的变形孪晶：铁为bcc晶体，有12个滑移系，一般变形为滑移。在－120℃以下冲击，低温滑移阻力大，大的应力也可引起孪生方式的变形。2．观察铝片经不同变形量后退火发生再结晶后晶粒的大小。一组试样的变形量分别为0、1、2、3、5、8、10、13%，见试样头部的字号，用钢板尺测晶粒的平均截线长。方法：取一线段，数穿过了多少个晶粒，则，为保证数字有意义，。三、实验报告要求报告内容部分：1．画出见到的四中组织示意图，每一个注明组织特征，简述形成组织的原因(或过程)。2．用表格列出测量铝片用的总长度，数出的晶粒个数，算出平均截线长。用坐标纸画出在结晶后的晶粒尺寸与变形量关系曲线。指出其临界变形量。变形量（％）0123581013测量用线段总长(mm)晶粒个数（n）平均截线长(mm)

实验四二元合金组织观察目的1．加深对二元合金相图的认识，学习利用相图分析合金的铸态组织；2．学习显微组织示意图的绘制方法。一、相图及相关的组织转变铸造组织就是从液态冷却凝固后未进行其它有改变组织的处理，如冷态压力加工、热处理等，所以其组织可以直接用相图的凝固冷却过程的组织变化来分析。1．固溶体的凝固时，析出的固相成分和原液体有一定的差别。金属的结晶生长通常都是以树枝晶方式，未达到平衡时便有晶内偏析，成树枝状分布。2．共晶转变是液体可以在恒温下，同时析出两固相，其产物为两相交替分布的共晶体。由于构成共晶体的两相自身的性能差别，形成的共晶体的形貌也各不相同。常见的有层片、棒状、纤维、球状、针状、骨骼状、螺旋状等。3．具有共晶转变的非共晶成分的合金，在平衡冷却时，共晶转变前有先共晶的初生相析出，它们在液体中自由生长，到达共晶温度剩余液体发生共晶转变，生成的共晶体填充剩余空间，所以初生相保留生长的形状。一般金属性强的往往一树枝状生长，形貌为排列有一定规律的卵圆形；呈非金属强的初生相生长成多面体，观察形貌为多边形。4．具有包晶转变时，剩余的初生固相通常在生成相的晶粒内部，由于包晶反应的消耗，初生相为残缺不全。二、实验内容观察几种典型合金的铸造组织形貌，①．Cu－Sn6%合金较快冷却凝固组织，认识枝晶偏析组织。②．Pb－Sb12.6％共晶组织，由于锑几乎接近非金属，对铅的溶解度较小，呈现亮色针状，黑底为铅为基的固溶体。③．Pb－Sb5％合金有暗色树枝状的铅为基的固溶体初晶析出。④．Pb－Sb75％合金有亮色块状的锑为基的固溶体初晶析出。⑤．Cu－Zn36％合金，常称两相黄铜，具有包晶转变。组织中暗色的为残余α相，亮色的是包晶转变生产的β相。⑥．Cu－Sb70%合金也是具有初生行析出后发生共晶转变，其初生相为化合物η相(Cu2Sb),组织中初生相为粗片，片间有层片状的共晶体。三、实验报告要求画出前五个组织示意图，每一个注明组织特征，简述形成组织的原因(或过程)。附件为帮助进行组织分析，提供相关的相图。

实验五铁碳合金组织观察目的1．加深对铁碳合金相图的理解，认识铁碳合金的平衡组织；2．分析碳对铁碳合金组织的影响，加深理解碳对铁碳合金性能的影响。一、相图及相关的组织转变1．铁碳合金在平衡冷却时，室温的组成相都是α＋Fe3C。2．在平衡冷却转变中，由于碳的含量不同，转变方式有较大的差异，得到的组织形貌也各不一样。见按组织分区的铁碳合金相图，组织形貌可参考教材上的图片。3．铁碳合金制样一般用4%的硝酸酒精进行侵蚀，α和Fe3C两相都为亮白色，仅仅它们的相界面和晶界面被侵蚀，在显微镜下呈暗色的线条。由于放大倍数不同，看到的组织形貌如图所示。仅在用苦味酸侵蚀时，α相依然为亮色，而Fe3C被染成黑褐色。二、实验内容观察几种典型铁碳合金的平衡组织形貌。①．工业纯铁，单一的铁素体晶粒。②．45钢（含碳量为0.45%），亮色的铁素体＋暗色的珠光体。③．T12钢（含碳量为1.2%），亮色的二次渗碳体网＋可见层片的珠光体。④．T12钢，用用苦味酸侵蚀，二次渗碳体网和珠光体中Fe3C相为暗色。⑤．亚共晶白口铁，组织包含P＋Fe3CII＋Ld’。⑥．过共晶白口铁，组织包含Fe3CI＋Ld’，结合亚共晶白口铁，认识其中的Ld’。三、实验报告要求画出前五个组织示意图（③除外），每一个注明组织特征，简述形成组织的原因(或过程)。

实验六钢的热处理组织观察目的1．加深对铁碳相图和TTT曲线的理解；2．认识几种钢的典型热处理组织；一、相图及平衡组织转变

二、TTT曲线与过冷奥氏体的等温分解典型组织如图所示。三、实验内容观察钢的几种典型热处理组织形貌。序号钢种热处理组织145钢正火F＋S245钢淬火隐针马氏体345钢调质回火索氏体4T12球化退火球化珠光体5T12淬火＋低回未溶碳化物＋回火马氏体＋残奥6T12过热淬火粗针马氏体7T10350℃等温上贝氏体8T10280℃等温下贝氏体920钢渗碳和缓冷表层碳的变化1020钢淬火板条马氏体11三、实验报告要求画出1、3、7、8、9及另自选一个共六个组织示意图，注明组织特征，简述形成组织的原因(或过程)。

实验八金属中的扩散目的1．加深对菲克第二定律误差函数解应用的理解；2．了解二元扩散偶反应扩散层的显微组织特征。一、相图及相关知识1．在渗碳条件下，菲克第二定律误差函数解为：已知部分参数，可以求其他参量。2．二元合金扩散中不会出现两相区。二、实验内容①．观察纯铁渗碳的组织，记录渗碳层深度。已知渗碳温度950℃，时间6小时，设表层碳浓度为CS。②．观察500℃下得到的Cu-Zn反应扩散层。三、实验报告要求1．渗碳温度950℃，时间6小时，根据实测数据层深，计算950℃下，碳在γ-Fe中的扩散系数。2．根据Cu-Zn相图和实测数据，画出500℃下得到的Cu-Zn反应扩散锌浓度分布曲线。

实验八碳钢热处理基本组织观察目的1．认识碳钢经不同方式热处理后的典型显微组织特征；2．了解热处理工艺对组织的影响。一、相关知识1．TTT曲线2．碳钢的退火和正火碳钢的退火组织也就是铁碳合金的平衡组织，以前的实验已经观察过。亚共析钢的正火组织形式上很象退火组织，这是的珠光体层片较细，整体为灰黑色，理论上讲，铁素体的含量应比平衡状态略少，相差并不明显。过共析钢一般进行球化退火，得到球化珠光体，正火仅用于消除二次渗碳体网，得到颗粒状的碳化物和细片状珠光体，紧接着进行球化退火。3．碳钢的等温淬火组织上贝氏体：在500－350℃的等温转变组织，铁素体片在原奥氏体晶界向内发展，成羽毛状，片间间断分布碳化物。为了清楚看到这种组织，在生成部分上贝氏体后立即快速冷却，其它部分是马氏体。上贝氏体：在320－250℃的等温转变组织，铁素体片在原奥氏体晶内成透镜状，或象竹叶状。片内部有非常细小分布碳化物，整体浸蚀后为暗灰色。为了清楚看到这种组织，在生成部分贝氏体后立即快速冷却，其它部分是马氏体。4．碳钢的淬火组织小试样奥氏体化后水冷，可以全部淬透，得到马氏体和少量残余奥氏体。低碳马氏体(板条马氏体)：在光学显微镜下，板条马氏体为一束束相互平行的