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1、精选优质文档-倾情为你奉上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2003.1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 48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
2、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
3、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
4、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”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
5、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，
6、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
7、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
8、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
9、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 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
10、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
11、，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
12、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
13、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。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
14、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
15、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。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
16、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
17、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
18、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。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
19、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
20、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
21、 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
22、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
23、。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
24、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
25、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
26、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）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
27、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
28、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
29、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
30、，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
31、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
32、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
33、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
34、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
35、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400460钢退火状态4%硝酸酒精4005T8退火状态4%硝酸酒精4006T12退火状态4%硝酸酒精4007T12退火状态碱性苦味酸钠4008亚共晶白口铁铸造状态4%硝酸酒精1009共晶白口铁铸造状态4%硝酸酒精10010过共晶白口铁铸造状态4%硝酸酒精1003实验报告要求（1）明确本次实验目的（2）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。（
36、3）根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种钢（亚共析钢）的含碳量。（4）说出渗碳体的三种形态（一次、二次和三次），分别存在于那些含碳量的钢中。实验三 塑性变形与再结晶一、实验目的1.了解金属塑性变形后组织与性能的变化，即变形度对材料的影响。2.了解塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化，即变形度和加热温度的关系。二、概述金属受力超过弹性极限后，在金属中产生塑性变形。X射线分析证明，塑性变形使晶体晶格歪扭，并且变形度愈大，歪扭程度也愈大。在塑性变形过程中，由于发生滑移和孪生，金属的结晶构造发生改变。塑性变形使金属晶体沿着作用力方向被拉长。如金属拨丝时晶体是条状；压延时晶体呈片状。塑性变形不仅使
37、晶体被拉长，而且在晶体内生成很多小碎块；同时晶界也被破坏。因此，变形后金属的原子排列和结晶构造与变形前相比有显著的差别。结晶构造的变化，必然引起金属性能的变化，金属塑性变形的结果，首先使强度显著增高而塑性降低，这种现象叫做“加工硬化”。此时金属处于不稳定状态，而始终存在有恢复正常状态的趋势。塑性变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常状态。这个过程是靠原子在一个晶粒范围内的移动来实现的，称为回复。这时金属可部分地恢复机械性能，而某些物理性能，如导电性，则几乎可全部恢复。将经塑性变形的金属加热到较高的温度时，发生再结晶过程。再结晶使金属中被拉长的晶粒消失，生成新的
38、无内应力的等轴晶粒，使机械性能完全恢复。对于立方晶系的金属，当变形度达到7080%以上时，最低（开始）的再结晶温度与熔点有如下的关系： T再结晶=0.4T熔化（以绝对温度计）金属中有杂质存在时，最低的再结晶温度显著地变化。在大多数情况下，杂质皆使再结晶温度升高。再结晶后晶粒的大小对机械性能有很大的影响。再结晶后晶粒大小受变形度和加热温度的影响。加热温度愈高（在再结晶温度以上），晶粒长得愈大；在同一加热温度（超过再结晶温度）时，临界变形度时的晶粒最大。一般情况下，在临界变形度以下，晶粒随变形度的增加而增大；在临界变形度以上，晶粒随变形度的增加而减小。铝的临界变形度为23%。三、实验步骤及内容全班
39、分成两大组，分别进行A、B实验并交换。A.冷变形组织的观察1.观察并描绘纯铁及黄铜经冷变形后的变形晶粒及滑移线，观察并描绘纯锌的机械双晶和黄铜的退火双晶（描绘4个样品）。3.找出纯铁经70%变形后在不同温度中退火的再结晶温度，并描绘组织。4.找出纯铁经不同变形度变形后在相同温度中退火的临界变形度。B.铝片的冷变形及再结晶退火试验。1.每人领取一条工业纯铝试片，在小型拉伸机上分别进行1%、2%、3%、4%、6%、9%、12%等变形度的拉伸试验。2.将拉伸后的铝片进行再结晶退火（550保温半小时），退火前应在试片上打上标记，以便识别。3.退火后的试片，用混合酸水溶液（45%HCl+15%HF+15
40、%HN03+25%H2O）进行浸蚀，待表面出现清晰的晶粒时即用水冲洗，然后吹干。4.用肉眼或放大镜观察，数出1CM内晶粒数目(n)，并计算晶粒大小(a)， a=1/n （平方厘米）将本组的实验结果加以综合， 作出变形度与再结晶晶粒大小的关系曲线，并从理论上分析结果。四、实验报告要求 1. 简述冷变形、冷变形后再结晶的组织结构及性能变化。2. 描绘五个组织图，并找出纯铁经冷变形后的再结晶温度。3. 如何区分孪晶、滑移线和划痕。4.简述铝片拉伸、退火、酸洗等过程，画出变形度与再结晶晶粒大小的关系曲线。实验四 （1）钢的热处理一、实验目的： 1初步掌握基本热处理操作（淬火、回火、正火、退火等）。 2
41、了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢热处理后性能的影响。 3了解硬度计的原理并初步掌握洛氏硬度计的使用。二、概述：钢热处理的目的是通过加热、保温和冷却三个步骤来改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能。热处理时加热温度，保温时间和冷却方法是最基本的也是最重要的三个因素。是热处理成功的最低要求。1加热温度的选择（1）退火加热温度：亚共析钢加热至Ac3+2030;即完全退火。共析钢，过共析钢加热至Ac1+2030;即球化退火。如图61所示。（2）正火加热温度：亚共析钢加热至Ac3+3050。过共析钢加热至Accm+2030。如图61所示。（3）淬火加热温度：亚共析钢加热至Ac3+3050。共析钢、过共析钢加热至Ac1+3050。如图62所示。各类碳钢的临界点如表61所示：（4）回火温度的选择：钢淬火后都要求回火，回火的温度取决于要求的组织及性能。按加热温度回火可分为三类: A低温回火：在150250的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为60HRC。其目的是降