湖工院機械工程材料實驗指導

實驗一金相顯微鏡的使用及鐵碳合金的平衡組織觀察1實驗目的1．了解常用臺式金相顯微鏡的主要構造與使用方法，初步掌握利用金相顯微鏡進行顯微組織分析的基本方法。2．觀察和識別鐵碳合金（碳鋼和白口鑄鐵）在平衡狀態下的顯微組織特征。3．分析含碳量對鐵碳金平衡組織的影響，加深理解鐵碳合金的成分、組織與性能之間的相互關系。2實驗內容研究金屬組織的光學顯微鏡稱為金相顯微鏡，它是由許多光學元件按一定要求組合而成的精密光學儀器。在本實驗中通過講解和實際操作使學生了解常用臺式金相顯微鏡的基本原理、結構、使用和維護方法等。利用金相顯微鏡觀察金屬的內部組織和缺陷的方法稱為顯微分析(或金相分析)，在金相顯微鏡下所看到的組織稱為顯微組織，合金在極其緩慢的冷卻條件(如退火狀態)下所得到的組織稱為平衡組織。鐵碳合金的平衡組織可以根據Fe-Fe3C相圖來進行分析。由Fe3C相圖可知，所有的碳鋼和白口鑄鐵在室溫時的組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成，但由于合金中的含碳量不同，鐵素體和滲碳體的數量、形狀、大小及分布狀況也不相同，隨著含碳量的增加，滲碳體量不斷增加，鐵素體量不斷減少，而且滲碳體的形態和分布情況也發生變化，所以，不同成分的鐵碳合金室溫下具有不同的組織和性能。鋼的組織以鐵素體為基體，滲碳體為強化相，而且主要以珠光體的形式出現，使鋼的強度和硬度提高，故鋼中珠光體量愈多，其強度、硬度愈高，而塑性、韌性相應降低。但過共析鋼中當滲碳體明顯地以網狀分布在晶界上，特別在白口鐵中滲碳體成為基體或以板條狀分布在萊氏體基體上，將使鐵碳合金的塑性和韌性大大下降，以致合金的強度也隨之降低。這就是高碳鋼和白口鐵脆性高的主要原因。鋼的力學性能隨含碳量變化的規律如右圖所示。當鋼中碳含量小于0.9%時，隨含碳量的增加，鋼的強度、硬度直線上升，而塑性、韌性不斷下降；當鋼中碳含量大于0.9%時，因網狀滲碳體的存在，不僅使鋼的塑性、韌性進一步降低，而且強度也明顯下降。為了保證工業上使用的鋼具有足夠的強度，并具有一定的塑性和韌性，鋼中碳的質量分數一般都不超過1.4%。至于碳含量大于2.11%的白口鐵，由于組織中出現大量的滲碳體，使性能硬而脆，難以切削加工，因此在一般機械制造中應用很少。1．室溫下鐵碳合金基本組織的顯微組織特征（1）鐵素體（F）鐵素體是碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體。經3%～5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下為白亮色多邊形晶粒。在亞共析鋼中，鐵素體呈塊狀分布；當含碳量接近于共析成分時，鐵素體則呈斷續的網狀分布于珠光體周圍。（2）滲碳體(Fe3C)滲碳體是鐵與碳形成的一種化合物。經3%～5%的硝酸酒精溶液浸蝕后，滲碳體呈亮白色；若用苦味酸鈉溶液浸蝕，則滲碳體呈黑色，而鐵素體仍為白色，由此可以區別鐵素體與滲碳體。由于鐵碳合金中的成分和形成條件不同，滲碳體可以呈現不同的形狀：一次滲碳體是由液相中直接析出，可以自由長大，呈粗大的片狀；二次滲碳體是從奧氏體中析出的，呈網狀分布。（3）珠光體（P）珠光體是鐵素體和滲碳體的多相混合物。在平衡狀態下，它是由鐵素體和滲碳體相間排列的層片狀組織。經3%～5%硝酸酒精溶液浸蝕后，鐵素體和滲碳體皆呈亮白色，但其邊界被浸蝕而成黑色線條。在不同的放大倍數下觀察時，組織特征則有所區別。在高倍(600×以上)下觀察時，珠光體中平行相間的寬條鐵素體和細條滲碳體都呈亮白色，而其邊界呈黑色；在中倍(400×左右)下觀察時，白亮色的滲碳體被黑色邊界所“吞食”，而成為細黑條，這時看到珠光體是寬白條鐵素體和細黑條滲碳體的相間混合物；在低倍(200×以下)下觀察時，連寬白條的鐵素體和細黑條的滲碳體也很難分辨，這時珠光體為黑色塊狀組織。（4）變態萊氏體(Ld’)變態萊氏體是珠光體和滲碳體所組成的多相混合物。經3%～5%硝酸酒精溶液浸蝕后，變態萊氏體的組織特征是，在白亮色的滲碳體基體上相間分布著黑色點(塊)狀或條狀珠光體。2．室溫下鐵碳合金的平衡組織（1）工業純鐵工業純鐵中碳的質量分數小于0.0218%，其組織為單相鐵素體，呈白亮色的多邊形晶粒，晶界呈黑色的網絡，晶界上有時分布著微量的三次滲碳體(Fe3CⅢ)。工業純鐵的顯微組織如圖1-1所示。材料名稱：工業純鐵材料名稱：工業純鐵處理方法：退火浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：500×顯微組織：全部為F圖1-1工業純鐵的顯微組織(2)亞共析鋼亞共析鋼中碳的質量分數為0.0218%～0.77%，其組織為鐵素體和珠光體。隨著鋼中含碳量的增加，珠光體的相對量逐漸增加，而鐵素體的相對量逐漸減少。20鋼、45鋼、60鋼的顯微組織如圖1-2所示。

材料名稱：材料名稱：20鋼處理方法：退火浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：200×顯微組織：F（白塊）＋P（黑塊）

材料名稱：材料名稱：45鋼處理方法：退火浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：200×顯微組織：F（白塊）＋P（黑塊）

材料名稱：材料名稱：60鋼處理方法：退火浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：200×顯微組織：F（白塊）＋P（黑塊）圖1-2亞共析鋼的顯微組織(3)共析鋼共析鋼中碳的質量分數為0.77%，其室溫組織為單一的珠光體。共析鋼(T8鋼)的顯微組織如圖1-3所示。(4)過共析鋼過共析鋼中碳的質量分數為0.77%～2.11%，在室溫下的平衡組織為珠光體和二次滲碳體。其中，二次滲碳體呈網狀分布在珠光體的邊界上。T12鋼的顯微組織如圖1-4所示。

材料名稱：材料名稱：T8鋼處理方法：退火浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：500×顯微組織：P（層片狀）

圖1-3T8鋼的顯微組織

材料名稱：材料名稱：T12鋼處理方法：退火浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：400×顯微組織：P（層片狀）＋Fe3CⅡ（網狀）

圖1-4T12鋼的顯微組織(5)亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵中碳的質量分數為2.11%～4.3%，室溫下的顯微組織為珠光體、二次滲碳體和變態萊氏體。其中，變態萊氏體為基體，在基體上呈較大的黑色塊狀或樹枝狀分布的為珠光體，在珠光體枝晶邊緣有一層白色組織為二次滲碳體。亞共晶白口鑄鐵的組織如圖1-5所示。(6)共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵中碳的質量分數為4.3%，其室溫下的顯微組織為變態萊氏體，其中，滲碳體為白亮色基體，而珠光體呈黑色細條及斑點狀分布在基體上。共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1-6所示。(7)過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵中碳的質量分數為4.3%～6.69%，室溫下的顯微組織為變態萊氏體和一次滲碳體。一次滲碳體呈白亮色條狀分布在變態萊氏體的基體上。過共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1-7所示。

材料名稱：亞共晶白口鑄鐵材料名稱：亞共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：400×顯微組織：P（黑色塊狀或枝狀）＋Fe3CⅡ＋Ld’圖1-5亞共晶白口鑄鐵的顯微組織材料名稱：共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態材料名稱：共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：400×顯微組織：Ld’（黑色塊、點狀為P+白色為Fe3C基體）

圖1-6共晶白口鑄鐵的顯微組織材料名稱：過共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態材料名稱：過共晶白口鑄鐵處理方法：鑄態浸濕劑：4%硝酸酒精溶液放大倍數：200×顯微組織：Fe3CⅠ（白色寬長條）+Ld′

圖1-7過共晶白口鑄鐵的顯微組織3實驗設備及金相試樣1．金相顯微鏡金相顯微鏡的型式很多，最常見的有臺式、立式、臥式三大類。金相顯微鏡一般由光學系統、照明系統和機械系統三部分組成，有的金相顯微鏡還附有攝影裝置。常用于鑒別和分析各種金屬和合金的組織結構，可廣泛應用于在工廠或實驗室進行鑄件質量的鑒定，原材料的檢驗或對材料處理后金相組織的研究分析等工作。1.金相顯微鏡的組成與結構圖1-84X型金相顯微鏡的外形結構圖4X型金相顯微鏡的外形結構如圖1-8所示。整個鏡體平穩地安裝在圓盤形的底坐上。圓盤中空，內有低壓鎢絲燈作光源，利用燈座的偏心圈將燈泡緊固。燈前有聚光鏡組、反光鏡和孔徑光欄，三者成一組件，安裝在支架上。在顯微鏡體的兩側有粗動和微動調焦手輪，兩者在同一部位。轉動粗調手輪能使載物臺迅速上升或下降，達到粗略調焦的目的；轉動微調手輪可使物鏡作緩慢的升降移動，達到精確調焦的目的。在粗調手輪的一側有制動裝置，用以固定調焦正確后載物臺的位置。載物臺是用來放置金相樣品的，它和下面的托盤之間有導架，用手推動可改變試樣的觀察部位。物鏡安裝在物鏡轉換器上。轉換器上可同時安裝三個不同放大倍數的物鏡，通過轉換器的轉動可使各物鏡進入光路，和目鏡配合改變顯微鏡的放大倍數。孔徑光欄用以調節入射光束的粗細，以保證物象達到清晰的程度。視場光欄用以調節視場區域的大小。4X型金相顯微鏡的放大倍數如表1-1所列。表1-14X型金相顯微鏡的放大倍數目鏡物鏡5×10×12.5×10×50×100×125×40×200×400×500×100×500×1000×1250×2.金相顯微鏡的工作原理4X型臺式金相顯微鏡的光學系統如圖1-3-16所示。由燈泡1發出的光線經聚光透鏡組2及反光鏡8聚集到孔徑光欄9，再經過聚光鏡3聚集到物鏡后焦面，最后通過物鏡平行照射到試樣7的表面上。從試樣反射回來的光線復經物鏡組6和輔助透鏡5，由半反射鏡4轉向，經過輔助透鏡11以及棱鏡12造成一個被觀察物體的倒立的放大實象，該象再經過目鏡15的放大，就成為在目鏡視場中能看到的放大虛象。圖1-94X型金相顯微鏡的光學系統2．金相試樣實驗用各種鐵碳合金的顯微樣品如表1-2所列。表1-2實驗用各種鐵碳合金的顯微樣品編號材料名稱處理方法顯微組織浸蝕劑1工業純鐵退火F4%硝酸酒精溶液220鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液345鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液460鋼退火F+P4%硝酸酒精溶液5T8鋼退火P4%硝酸酒精溶液6T12鋼退火P+Fe3CⅡ4%硝酸酒精溶液7亞共晶白口鐵鑄態P+Fe3C+Ld’4%硝酸酒精溶液8共晶白口鐵鑄態Ld’4%硝酸酒精溶液9過共晶白口鐵鑄態Ld’+Fe3CⅠ4%硝酸酒精溶液3．金相照片表1-2中所列鐵碳合金樣品的顯微組織放大照片一套。4實驗步驟及數據記錄1．在教師指導下，熟悉金相顯微鏡的基本結構，并對其進行簡單的操作。2．在顯微鏡下認真觀察表1-2中所列樣品的顯微組織，識別各種顯微組織特征，并觀察分析含碳量對組織的影響。3．在金相顯微鏡下選擇各試樣顯微組織的典型區域，并根據組織特征描繪出其顯微組織示意圖。4．記錄所觀察的各試樣名稱、顯微組織、浸蝕劑、放大倍數及組織特征，并用引線標出各顯微組織示意圖中組織組成物的名稱。5．估算所觀察的各亞共析碳鋼顯微組織中各組織組成物的相對量，并利用所學的杠桿原理加以驗證。觀察各鐵碳合金樣品的顯微組織，在φ20mm的圓內畫出其顯微組織示意圖，用引線和符號標出其各種組織的名稱，并填寫出材料名稱、金相顯微組織、處理方法、放大倍數、浸蝕劑。金相顯微組織記錄格式如圖2-3-9所示。材料名稱金相組織處理方法放大倍數浸蝕劑圖2-3-9金相顯微組織記錄格式5實驗注意事項1．在觀察顯微組織時，可先用低倍全面地進行觀察，找出典型組織，然后再用高倍放大，對部分區域進行詳細觀察。2．在移動金相試樣時，不得用手指觸摸試樣表面或將試樣表面在載物臺上滑動，以免引起顯微組織模糊不清，影響觀察效果。3．畫組織示意圖時，應抓住組織形態的特點，畫出典型區域的組織。注意不要將磨痕或雜質畫在圖上。6實驗報告內容及要求1．用鉛筆畫出各種鐵碳合金樣品的顯微組織示意圖，用引線和符號標出其各種組織的名稱，并填寫出顯微組織的有關說明信息。2．根據所觀察的組織，分析說明含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響。3．在鐵碳合金的顯微組織中觀察到的鐵素體和滲碳體有哪幾種形態？它們分別在什么情況下存在？

實驗二金相試樣制備及顯微組織分析1、實驗目的1．了解金相試樣制備的基本方法，熟悉各種常用制樣設備的基本原理和使用方法，在教師的指導下完成金相試樣的整個過程。2．利用金相顯微鏡認真觀察所制備金相試樣的顯微組織特征，根據以學過的知識分析組織組成和基本類型，初步判別材料類型和材料編號。3．熟悉金相分析方法的全過程。2、實驗內容金相試樣的制備過程包括取樣、鑲嵌、標號、磨制、拋光、浸蝕等幾個步驟，但并不是每個金相試樣都需要經過上述各個步驟。若選取的試樣大小、形狀合適，便于握持磨制，則不必進行鑲嵌；若需檢驗鑄鐵中的石墨，就不必進行浸蝕。制備好的試樣應能觀察到材料的真實組織，做到金相面無磨痕、無麻點、無水跡，并使金屬組織中的夾雜物、石墨等不脫落，以免影響顯微分析的正確性。1．試樣的選取金相試樣的選取應根據檢驗的目的，選取有代表性的部位和磨面。如在檢驗和分析零件的失效原因時，除了在失效的具體部位取樣外，還需要在零件的完好處取樣，以便進行對比研究；在檢測脫碳層、化學熱處理的滲層、淬火層等，應選擇橫向截面或橫向表層取樣；在研究帶狀組織及冷塑性變形工件的組織和夾雜物的變形情況時，則應截取縱向截面試樣；對于一般熱處理后的零件，由于金相組織比較均勻，試樣的截取可以在任一截面進行。金相試樣的截取方法應根據金屬材料的具體性質而定，如軟的金屬材料可用手鋸或鋸床切割；硬而脆的材料（如白口鑄鐵）可用錘擊打碎；對于極硬的材料（如淬火鋼）可用砂輪片切割或用電脈沖加工。但不論用何種方法取樣，都應避免試樣的受熱或產生變形，以免引起金屬的組織變化，為防止零件受熱，必要時應隨時用水冷卻。選取的試樣尺寸應便于握持，一般不要過大。常用的試樣尺寸為直徑12～15mm的圓柱a)、b)機械夾持法c)低熔點合金鑲嵌法d)塑料鑲嵌法圖2-1金相試樣的鑲嵌方法體或邊長為12～15mm的正方柱體試樣。對于形狀特殊或尺寸細小不易握持的試樣或為了不發生倒角的試樣，可采用鑲嵌的方法進行處理，金相試樣的鑲嵌方法如圖2-1所示。鑲嵌法是將金相試樣鑲嵌在不同的鑲嵌材料中，得到外形規則并且便于握持的試樣。目前常用的鑲嵌方法有機械夾持法、低熔點合金鑲嵌法、塑料鑲嵌法等。制備三個以上金相試樣時，容易發生混亂，需在試樣磨面的側面或背面編號，在對金相試樣進行編號時，應力求簡單，做到能與其它試樣相區別即可，如刻號、用鋼字碼打號等。一般試樣在標號后應裝入試樣袋內，試樣袋上應記錄試樣名稱、材料、工藝、送檢單位、檢驗目的、編號及檢驗結果等項目；當試樣無法編號時，則可在試樣袋上按其形狀特征畫出間圖，以示區別。2．試樣的磨制金相試樣的磨制一般分為粗磨和細磨兩類。粗磨的目的是為了獲得一個平整的金相磨面，試樣選取后，將其選定的金相磨面在砂輪上磨成平面，同時將尖角倒圓。磨制時應握緊試樣，用力要均勻且不宜過大，并隨時用水冷卻，防止試樣受熱而引起組織變化。將粗磨后的試樣用清水沖洗并擦干后進行細磨操作，細磨分為手工細磨和機器細磨兩種。手工細磨是依次在由粗到細的各號金相砂紙上進行細磨操作，常用的金相砂紙號數有01、02、03、04、05五種，號數越大，磨粒越細。磨制時將金相砂紙平鋪在厚玻璃板上，用左手按住砂紙，右手握住試樣，使金相磨面朝下并與金相砂紙相接觸，在輕微壓力的作用下向前推磨，用力力求均勻、平穩，防止磨痕過深和造成金相磨面的變形；試樣退回時要抬起，不能與金相砂紙相接觸，進行“單程、單向”的磨制方法，直到磨掉試樣磨面上的舊磨痕，形成的新磨痕均勻一致為止。手工細磨的操作方法如圖3-2-2所示。a)操作姿勢b)正確的磨制過程圖2-2手工細磨的操作方法在調換下一號砂紙時，應將試樣上的磨屑和砂粒清理干凈，并轉動90°角，即與上一號砂紙的磨痕相垂直，直到將上一號砂紙留下來的磨痕全部消除為止。試樣磨面上磨痕的變化情況如圖2-3所示。為了加快磨制速度，還可以采用機器細磨，即將磨粒粗細不同的水砂紙裝在預磨機的各個磨盤上，一邊沖水，一邊在旋轉的磨盤上磨制試樣磨面。3．試樣的拋光金相試樣經磨制后，磨面上仍然存在著細微的磨痕及金屬擾亂層，影響正常的組織分析，因而必須進行拋光處理，以得到平整、光亮、無痕的金相磨面。常用的拋光方法有機械拋光、電解拋光、化學拋光等，其中以機械拋光應用最廣。

圖2-3試樣磨面上磨痕的變化情況機械拋光是在專用的拋光機上進行的，靠拋光磨料對金相磨面的磨削和滾壓作用使其成為光滑的鏡面。拋光機主要由電動機和拋光盤（直徑200～250mm、轉速200～600r/min），拋光時應在拋光盤上鋪以細帆布、平絨、絲綢等拋光織物，并不斷滴注拋光液。拋光液一般是氧化鋁、氧化鉻、氧化鎂等細粉末狀磨料在水中形成的懸浮液。操作時將試樣磨面均勻地壓在旋轉的拋光盤上，并沿拋光盤的邊緣到中心不斷地作徑向往復運動，同時使試樣本身略加轉動，使磨面各部分拋光程度一致，并且可以避免出現“曳尾”現象，拋光液的滴入量以試樣離開拋光盤后，其表面的水膜在數秒鐘內可自行揮發為宜，一般拋光時間為3～5min。拋光后的試樣磨面應光亮無痕，石墨或夾雜物應予以保留，且不能有“曳尾”現象。電解拋光是將試樣放在電解液中作為陽極，用不銹鋼板或鉛版作陰極，以直流電通過電解液到陽極（即金相試樣），試樣表面的凸起部分因選擇性溶解而被拋光。電解拋光速度快、表面光潔，只產生純的化學溶解作用而無機械力的影響，在拋光過程中不會發生塑性變形，但電解拋光的過程不易控制。化學拋光是將化學試劑涂抹在經過粗磨的試樣表面上，經過幾秒到幾分鐘的時間，依靠化學腐蝕作用使試樣表面發生選擇性溶解，從而得到光滑平整的試樣表面。化學拋光的操作簡便，適用的試樣材料廣泛，不易產生金屬擾亂層，對軟金屬材料尤為適用；對試樣尺寸、形狀要求不嚴格，一次能拋光多個試樣，并兼有浸蝕作用，化學拋光后即可在金相顯微鏡下進行觀察。但化學拋光時藥品消耗量大、成本高，對拋光液的成分、新舊程度、溫度、拋光時間等最佳參數較難掌握，易產生點蝕，夾雜物容易被腐蝕掉。拋光后的試樣磨面應光亮無痕，其中的石墨或夾雜物等不應被拋掉或產生曳尾現象。拋光完成后，先將試樣用清水沖洗干凈，然后用酒精沖去殘留水滴，再用吹風機吹干即可。4．試樣的浸蝕拋光后的試樣磨面是一光滑的鏡面，在金相顯微鏡下只能看到非金屬夾雜物、石墨、孔洞、裂紋等，要觀察金屬的組織特征，必須經過適當的浸蝕，使金屬的組織正確地顯示出來。目前最常用的浸蝕方法是化學浸蝕法。化學浸蝕法是將拋光好的試樣磨面在化學浸蝕劑（常用酸、堿、鹽的酒精或水溶液）中浸蝕或擦拭一定的時間，借助于化學或電化學作用顯示金屬組織。由于金屬中各相的化學成分和晶體結構不同，具有不同的電極電位，在浸蝕劑中構成了許多微電池，電極電位低的相為陽極被溶解，電極電位高的相為陰極而保持不變。在浸蝕后形成了凹凸不平的試樣表面。在金相顯微鏡下，各處的光線反射情況不同，就能觀察到金屬的顯微組織特征。金屬組織的顯示原理如圖2-4所示。純金屬及單相合金的浸蝕是一個化學溶解過程。由于晶界原子排列較亂，缺陷及雜質較多，并具有較高的能量，故晶界易被浸蝕而呈凹溝。在金相顯微鏡下觀察時，使光線在晶界處被漫反射而不能進入物鏡，則顯示出一條條黑色的晶界。

圖2-4金屬組織的顯示原理兩相以上合金的浸蝕是一個電化學溶解過程。由于電極電位不同，電極電位低的一相被腐蝕而形成凹溝，電極電位高的一相只產生化學溶解，保持了原來的平面狀態，當光線照射到凹凸不平的試樣表面時，就能看到不同的組成相及其組織形態，單相和兩相組織的顯示圖如圖2-5所示。a)單相組織b)多相組織圖2-5單相和兩相組織的顯示圖應當指出，金屬中各個晶粒的成分雖然相同，但由于其原子排列位向不同，也會使磨面上各晶粒的浸蝕程度不一致，在垂直光線照射下，各個晶粒就呈現出明暗不同的顏色。化學浸蝕劑的種類很多，應按金屬材料的種類和浸蝕的目的，進行合理地選擇。常用的浸蝕劑如表2-1所示。表2-1常用的化學浸蝕劑序號浸蝕劑名稱成分適用范圍使用要點1硝酸酒精溶液硝酸1～5mL酒精100mL顯示碳鋼及低合金鋼的組織硝酸含量按材料選擇，浸蝕數秒鐘2苦味酸酒精溶液苦味酸2～10g酒精100mL顯示鋼鐵材料的細密組織浸蝕時間自數秒鐘至數分鐘3苦味酸鹽酸酒精溶液苦味酸1～5g鹽酸5mL酒精100mL

顯示淬火及淬火回火后鋼的晶粒和組織浸蝕時間為數秒鐘至1min4苛性鈉苦味酸水溶液苛性鈉25g苦味酸2g水100mL將鋼中的滲碳體染成暗黑色加熱煮沸浸蝕5～30min5氯化鐵鹽酸水溶液氯化鐵5g鹽酸50mL水100mL顯示不銹鋼、奧氏體高鎳鋼、銅及銅合金的組織浸蝕至顯現組織6王水甘油溶液硝酸10mL鹽酸20～30mL甘油30mL顯示奧氏體鎳鉻合金等組織先將鹽酸與甘油充分混合，然后加入硝酸，試樣浸蝕前先用開水預熱7高錳酸鉀苛性鈉高錳酸鉀4g苛性鈉4g顯示高合金鋼中的碳化物等煮沸使用，浸蝕1～10min8氨水雙氧水溶液氨水(飽和)50mL雙氧水溶液(3%)50mL顯示銅及銅合金組織隨用隨配，用棉花蘸取后擦拭9氯化銅氨水溶液氯化銅8g氨水（飽和）100mL顯示銅及銅合金組織浸蝕30～60s10硝酸鐵水溶液硝酸鐵10g水100mL顯示銅合金組織用棉花擦拭11混合酸水溶液氫氟酸（濃）1mL鹽酸1.5mL硝酸2.5mL水95mL顯示硬鋁組織浸蝕10～20s或用棉花擦拭12氫氟酸水溶液氫氟酸0.5mL水99.5mL顯示一般鋁合金組織用棉花擦拭13苛性鈉水溶液苛性鈉1g水100mL顯示鋁及鋁合金組織浸蝕數秒鐘化學浸蝕時，應將試樣磨面向上浸入一盛有浸蝕劑的容器內，并不斷地輕微晃動（或用棉花沾上浸蝕劑擦拭試樣表面），待浸蝕適度后取出試樣，迅速用清水沖洗干凈，然后用無水酒精沖洗，最后用吹風機吹干。試樣表面需嚴格保持清潔，若不立即觀察，應將制備好的金相試樣保存于干燥器中。浸蝕的時間要適當，一般試樣磨面發暗時即可停止，浸蝕時間取決于金屬的性質、浸蝕劑的濃度以及顯微鏡觀察時的放大倍數。總之，浸蝕時間以在顯微鏡下能清晰地揭示出顯微組織的細節為準。若浸蝕不足，可再重復進行浸蝕，但一旦浸蝕過度，試樣則需重新拋光，有時還需要在最后一號砂紙上進行磨制。3實驗設備、材料及用品1．4X型、4XB型金相顯微鏡。2．不同粗細的金相砂紙一套，以及玻璃板、浸蝕劑、拋光液、無水酒精等。3．砂輪機、預磨機、拋光機、吹風機等。4．待制備的金相試樣若干。4實驗任務及要求1．根據金相試樣的制作流程，每人隨機選取一個試樣毛坯進行制樣操作，制作出一個合格的金相試樣。2．根據已學過的金相分析知識，分析和判別所觀察到的金相顯微組織的類型、各組成相的相對量、金屬材料的類別或牌號，寫出分析過程及其結果。3．畫出所制備金相試樣（浸蝕后）的顯微組織示意圖，并用引線標出其組織組成物的名稱，記錄浸蝕劑、放大倍數、組織類型、材料名稱等。4．回答下面各題：（1）在金相顯微鏡下能否觀察到金相試樣磨面的外形輪廓和全貌？為什么？（2）為什么未經制備過的金屬材料在金相顯微鏡下觀察不到其顯微組織？

實驗三熱處理工藝及其對組織與性能的影響1實驗目的1．了解碳鋼的普通熱處理(退火、正火、淬火、回火)工藝方法。2．分析加熱溫度、冷卻速度及回火溫度對碳鋼熱處理后的組織和硬度的影響。3．分析碳鋼的含碳量對淬火后硬度的影響。4．了解有關熱處理設備和硬度測試設備的原理、構造及使用方法。2實驗內容鋼的熱處理是指將鋼在固態下施以不進行加熱、保溫和冷卻，通過改變組織而改變性能的工藝方法。1．

鋼的熱處理工藝（1）加熱溫度碳鋼普通熱處理的加熱溫度可參照表3-1和表3-2進行選定。常用碳鋼的臨界點如表3-3-2所列。熱處理加熱溫度不能過高，否則會使工件的晶粒粗大，氧化和脫碳現象嚴重，變形和開裂傾向增加。但加熱溫度過低，也達不到要求的效果。表3-1碳鋼普通熱處理的加熱溫度熱處理方法加熱溫度（℃）應用范圍退火AC3+（20～60）亞共析鋼完全退火AC1+（20～40）共析鋼和過共析鋼球化退火正火AC3+（30～50）亞共析鋼Accm+（30～50）過共析鋼淬火AC3+（30～100）亞共析鋼AC1+（30～70）共析鋼和過共析鋼回火低溫150～250切削刃具、量具，冷沖模具、高硬度零件等。中溫350～500彈簧、中等硬度的零件等。高溫500～650齒輪、軸、連桿等要求綜合力學性能好的零件。（2）保溫時間在實驗室進行熱處理實驗，一般采用各種電爐加熱試樣。當爐溫升到規定溫度時，即打開爐門裝入試樣，從爐溫恢復到正常時開始計時，如是退火、正火、淬火處理，以試樣厚度每毫米保溫1min計時。如是回火處理整個保溫時間為30min。（3）冷卻方式鋼的退火一般采用隨爐冷卻到600～550℃以下再出爐空冷；正火采用空氣冷卻；淬火時，鋼在過冷奧氏體最不穩定的范圍650～550℃內冷卻速度應大于臨界冷卻速度，以保證工件不轉變為珠光體類型組織，而在Ms點附近時，冷卻速度應盡可能慢些，以降低淬火內表3-2常用碳鋼的臨界點鋼號臨界點/℃Ac1Ac3Accm20735855

45724780

T8730

T12730

820

應力，減少工件的變形和開裂。因此，淬火時除了要選擇合適的淬火冷卻介質外，還應改進淬火方法。對形狀簡單的工件，常采用簡易的單液淬火法，碳鋼常用水或鹽火溶液作冷卻介質，合金鋼用油作冷卻介質。2．碳鋼熱處理后的顯微組織與力學性能（1）退火組織亞共析鋼采用“完全退火”后，得到接近于平衡狀態的顯微組織。即鐵素體加珠光體。共析鋼和過共析鋼多采用“球化退火”，獲得在鐵素體基體上均勻分布著粒狀滲碳體的組織，稱為球狀珠光體或球化體。球狀珠光體的硬度比層片狀珠光體低。（2）正火組織亞共析鋼的正火組織為鐵素體加索氏體，共析鋼的正火組織一般均為索氏體；過共析鋼的正火組織為細片狀珠光體及點狀滲碳體；對于同樣的碳鋼，正火的硬度比退火的略高。（3）淬火組織低碳馬氏體呈板條狀，具有高的強度、一定的硬度以及良好的塑性和韌性。高碳馬氏體呈針狀，性能硬而脆。油淬組織為馬氏體和托(屈)氏體，鋼的硬度偏低。低碳鋼和中碳鋼的欠熱淬火組織為馬氏體和鐵素體，硬度較低。鋼的過熱淬火組織是粗大針狀馬氏體，高碳鋼中還會出現大量的殘余奧氏體。過熱使鋼產生氧化、脫碳現象，并導致工件的變形或開裂。鋼件在450℃左右等溫淬火時，得到上貝氏體組織，呈羽毛狀；鋼件在350℃左右等溫淬火時，得到下貝氏體組織，呈黑色針狀。和上貝氏體比較，下貝氏體具有較高的強度、硬度、耐磨性、塑性和韌性。（4）回火組織淬火鋼經低溫回火后，得到回火馬氏體組織，在顯微鏡下呈暗黑色，其硬度略有下降，而塑性和韌性稍有提高，內應力有所降低。淬火鋼經中溫回火后，得到回火托(屈)氏體組織，它是由極細顆粒狀滲碳體和尚未再結晶的針狀鐵素體組成，其硬度明顯降低，而鋼的彈性和韌性較高。淬火鋼經高溫回火后，得到回火索氏體組織，它是由再結晶后的鐵素體和細粒狀的滲碳體組成，具有良好的綜合力學性能。3實驗設備及試樣1.電阻加熱爐及控溫儀表1.箱式電阻爐的組成與結構箱式電阻爐又稱馬弗爐，它是一種周期作業式加熱爐，可供實驗室淬火、回火、正火、退火等熱處理加熱用。箱式電阻爐的構造示意圖如圖1-3-20所示。1—加熱室2—電熱絲孔3—測溫孔4—接線盒5—試樣6—控制開關7—擋鐵8—爐門9—隔熱層10—爐底板圖3-1箱式電阻爐結構示意圖用高強度耐火材料制成的加熱室1，其壁中排列著許多縱向電熱絲孔2，電熱絲多用鐵鉻鋁合金絲制成螺旋形（圖3-1中未畫出）。當電源通過接線盒4便電熱絲中通有電流時，便產生電熱效應，所發出的熱量即可加熱爐內的試樣5。為了避免取放試樣時碰壞或磨損加熱室底部耐火材料，在加熱室底部放置一塊高強度耐火材料制成的爐底板10。加熱室的開口處用爐門8封閉。爐門上有一小孔，供觀察爐內溫度和試樣加熱情況用。爐門下部有一檔鐵7，當爐門關閉時，擋鐵掀動控制開關6，使加熱室內的電熱絲中有電流通過；當爐門打開時，控制開關切斷了電源控制電路，此時即便閉合電源開關，電爐中的電熱絲也不會有電流通過，從而保證了操作時的安全。隔熱層9是用隔熱材料充填的，其作用是減少爐內熱量的散失。在加熱室后壁開有一圓孔3，供插入測溫熱電偶用。整個爐體用鋼板包裹，并由支架支撐著。2.坩堝電阻爐的組成與結構坩堝電阻爐也是一種周期作業式加熱爐。坩堝電阻爐的構造示意圖如圖3-2所示。1—加熱室2—支腳3—電熱絲孔4—直孔5—隔熱層6—測溫孔7—手把8—爐蓋9—接線盒圖3-2坩堝電阻爐結構示意圖上端開口的圓筒形加熱室1直立放置在爐子的中部，沿著加熱室的側壁中間有許多電熱絲孔3。依靠電流通過電熱絲時產生的電熱效應，使爐內試樣受熱升溫。加熱室上部有一圓形耐火材料制爐蓋8，握住手把7可以開啟或關閉加熱室口。圓形爐蓋上的通孔6供插入測溫熱電偶用。加熱室與爐殼之間充填隔熱材料5，以減少爐內的熱量損失，加熱室下部中心有一通孔4，當加熱室內坩堝因質量不好或操作不當而破裂時，坩堝內的熔融金屬可以從此通孔流出爐外，而不致從加熱室窄縫處灌入電熱絲孔，以防止電熱絲因短路而燒壞，當坩堝爐用作熱處理加熱時，可用耐火磚蓋住此孔。整個爐體用鋼板包裹，并用支架支撐。3.控溫儀表的組成與結構箱式電阻爐和坩堝電阻爐用于熱處理加熱時，其爐溫大都是利用熱電偶高溫計或溫度指示調節儀進行測量和控制的。熱電偶高溫計由三部分組成：熱電偶、溫度指示儀和連接導線。它們之間的線路關系如圖3-3所示。熱電偶由兩根金屬絲組成。測量1000℃以下的爐溫時，這兩根金屬絲分別用鎳鉻合金和鎳鋁合金組成。熱電偶的一端焊接在一起，另一端在熱電偶的接線柱上。連接導線把熱電偶的兩個端點與溫度指示儀的接線柱連接起來。當熱電偶的焊接端(也稱熱端)受熱時，由于另一端(也稱冷端)的溫度沒有變化，于是在冷端的兩個接點之間就產生熱電勢(或稱溫差電勢)。熱端與冷端之間的溫度差愈大，熱電勢也就愈大。溫度指示儀實際上是一個比較精密的毫伏計，在熱電勢的作用下，毫伏計的指針發生偏轉。由于熱電勢與熱端溫度有一定的函數關系，所以溫度指示儀的表盤上通常直接標出熱端的溫度值。圖3-3熱電偶高溫計的線路示意圖圖3-4溫度指示調節儀的工作原理圖熱電偶高溫計結構簡單，使用方便。但是它只能起到指示爐溫的作用，加熱爐的溫度還須人工控制。溫度指示調節儀除了能指示爐溫外，還能根據需要自動控制爐溫。XCT-101型溫度指示調節儀的測溫控溫原理圖如圖3-4所示。由熱電偶傳來的熱電勢，使磁電式測量機構（即毫伏計）上的溫度指示針偏轉至一定位置。此時，溫度指示針下的讀數就是熱電勢的毫伏值。爐溫愈高，熱電勢的毫伏值愈高，指示針的偏轉角度就愈大。溫度指示調節儀的調節控制部分主要由溫度給定針、檢測線圈和控制繼電器等部分組成。當加熱電爐工作時，根據對爐溫的要求，通過轉動旋鈕使溫度給定針處于一定位置。當爐溫升高，溫度指示針偏轉到與溫度給定針重合時，安裝在溫度指示針上的鋁片也同時進入檢測線圈的間隙中間。由于鋁片隔斷了檢測線圈之間的磁耦合，使測溫儀表內的振蕩回路的電參數改變，這一信息通過放大器使控制繼電器動作，切斷電爐的電源，爐溫就不會繼續升高。當爐溫下降時，溫度指示針向低溫刻度方向偏轉，于是鋁片就離開檢測線圈，振蕩回路的電參數又恢復到原來數值，控制繼電器失去動作，電爐又接通電源，爐溫復又升高，達到自動控溫的目的。2.HRS－150型數顯洛氏硬度計1.HRS－150型數顯洛氏硬度計的組成與結構本硬度計由主機及微型打印機兩大部分組成(見圖3-5)主機由機身、主軸部件、負荷杠桿部件、加卸荷機構、變荷機構、試臺升降裝置及以單片機為核心的電氣控制系統等組成。主機與微型打印機由一根灰纜線來連接。主機結構功能簡圖中機身2為一封閉的殼體。除試臺、升降裝置和變荷機構外，其它部件均置于殼體內，因此外形美觀，便于保持清潔。主軸部件由負荷軸34、壓頭軸40、小杠桿39、初負荷彈簧33、位移傳感器37等組成：98.07N(10Kgf)的初試驗力是由壓頭軸等零件的自重及位移傳感器通過小杠桿對壓頭的作用力加上初負荷彈簧的變形力等構成。其中以初負荷彈簧的作用力為主。主試驗力則由吊桿16上的砝碼19、20、21通過大杠桿31、負荷螺桿35等組成并施加到壓頭上。壓痕深度的測量由小杠桿39、位移傳感器37及機身中的計數電路來實現。加卸荷機構由偏心輪15、推動軸14、加卸荷電機30等組成。加荷時由電機帶動偏心輪轉動，促使推動軸、大杠桿緩慢下降，主試驗力就逐漸施加到壓頭上。卸荷時電機帶動偏心輪繼續轉動，將推動軸、大杠桿頂起，使之回到初始位置，主試驗力就被卸除。變荷機構由變荷柄22、托叉18等組成。通過轉動變荷手柄，使托叉托住相應的砝碼銷17，從而達到變荷的目的。試臺升降裝置由試臺8、絲杠7、升降手輪4、電磁制動器3等組成。試驗時，轉動升降手輪，通過絲杠帶動試臺及試樣達到上升或下降的目的。主機的前面板上設有二個按鍵，一個鍵盤和二個顯示窗口，用來實現予置、標尺轉換、復位等功能，面板上的四位數碼管用于顯示予置輸入情況及硬度試驗時的工作狀態，面板上的五位數碼管用于顯示洛氏硬度值、打印機用于打印有關的予置信息、硬度值及數據處理結果。

1.打印機2.機身3.電磁制動器4.升降手輪5.油杯6.絲杠保護套7.絲杠8.小平試臺9.螺釘10.絲杠墊塊11.前蓋12.薄膜面板13.吊軸14.推動軸15.偏心輪16.吊桿17.砝碼銷18.托叉19、20、21.砝碼22.變荷手柄23.側面板24.保險絲盒25.電源插頭蓋26.后27.接地螺釘28.打印機插頭座29.杠桿墊塊30.加卸荷電機31.大杠桿32.上蓋33.初負荷彈簧34.負荷軸35.負荷螺釘36.螺釘37.位移傳感器38.墊片39.小杠桿40.壓頭軸41.防松銷2.壓頭43.指示燈圖3-5HRS－150型數顯硬度計結構簡圖在主機側面板上設有四個按鍵和一個接口，包括電源、打印、自動半自動轉換、手動加荷和一個外接打印機接口，用來實現測力、打印等有關功能。七個按鍵的功能是：POWER鍵——電源開關鍵。按下為開，同時燈泡點亮，抬起為關，同時燈泡熄滅。PRINT鍵——打印機開關鍵。按下為開，同時燈泡點亮，抬起為關，同時燈泡熄滅。當它被按下時打印機上的紅色指示燈亮。SET鍵——予置鍵。按下此鍵再按復位鍵電氣系統進入予置狀態，抬起時電氣系統進入工作狀態，可進行硬度試驗及測力等。AUTO/MAN鍵——“自動／手動”選擇鍵。抬起時為“自動”，用于硬度試驗，按下時為“手動”用于試驗力的測定(詳見后述)。LOAD鍵——手動加荷鍵。它與“手動”功能配合使用，用于測力。當硬度計處于“手動”狀態且將壓頭主軸頂起到規定位置時，按一下該鍵，硬度計自動完成一次加荷——保荷——卸荷工作。鍵——硬度標尺選擇鍵。抬起時為A或C標尺，按下時為B標尺。RST鍵——復位鍵。用于計算機系統的復位，按下它，硬度值顯示板顯示100.0，同時電控箱中原來用鍵盤予置的數據全部清零。控制鍵盤的功能是：A鍵——(1)用于予置試驗日期。(2)在前面板的顯示板上出現“HC—”后可用于予置A、C標尺和B標尺，此時若按A或C則為A或C標尺，按B則為B標尺，不按默認C標尺。B鍵一一(1)用于予置零件批號。(2)在前面板顯示窗上出現“HC—”后也可用于予置B標尺。C鍵——(1)用于予置每個零件的有效打印點數。(2)在前面板的顯示窗上出現“HC—”后也可用于予置C標尺。D鍵——用于予置試驗力保持時間。E鍵——用于予置硬度上限。F鍵——用于予置硬度下限。0~9鍵——用于予置數字。2.HRS－150型數顯洛氏硬度計的測試原理洛氏硬度試驗是以錐角為120°的金剛石圓錐體或者直徑為1.588mm的淬火鋼球為壓頭，在規定的初載荷和主載荷作用下壓入被測金屬的表面，然后卸除主載荷。在保留初載荷的情況下，測出由主載荷所引起的殘余壓入深度h值，如圖1-1-20所示。再由h值確定洛氏硬度值HR的大小，其計算公式如下：HR=K-式中h的單位為mm。K為常數，當采用金剛石圓錐壓頭時，K=100；當采用淬火鋼球壓頭時，K=130。為了能用同一硬度計測定從極軟到極硬材料的硬度，可以通過采用不同的壓頭和載荷，組成15種不同的洛氏硬度標尺，其中最常用的有HRA、HRB、HRC三種。其試驗規范如表3-3所示。圖3-6洛氏硬度實驗原理示意圖

表3-3三種常用洛氏硬度的試驗規范符號壓頭類型載荷/kgf硬度值有效范圍使用范圍HRA120°金剛石圓錐體60（600N）70～85適用于測量硬質合金、表面淬火層或滲碳層HRB直徑為1.588㎜的淬火鋼球100（1000N）25～100適用于測量有色金屬、退火鋼、正火鋼等HRC120°金剛石圓錐體150（1500N）20～67適用于測量調質鋼、淬火鋼等3.HRS－150型數顯洛氏硬度計的操作方法試驗前的準備工作：(1)清理試樣表面，使被測表面無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕跡以及其它外來污物等。(2)根據被測材料的種類，選擇壓頭及載荷。再根據試樣的形狀和大小選擇合適的工作臺。(3)在硬度試驗前應根據是否使用打印機，將主機上的七個按鍵設置到需要的狀態。正式試驗：通過上述準備工作后，當工作過程顯示窗口顯示“OP”，表示硬度計已進入硬度試驗狀態，即可進行硬度試驗，其步驟是：(1)將試樣放在試臺上，順時針轉動升降手輪4，使試樣緩慢地接觸壓頭。(2)繼續轉動升降手輪，使硬度值顯示窗口顯示的數值由“100.0”逐漸增加，當顯示數大于或等于“365.0”時，電磁制動器3自動鎖緊升降手輪4，初試驗力即施加完畢，隨之硬度計自動地完成下列工作：a.硬度值顯示窗口12顯示“100.0”或“130.0”(有時會有±0.1的誤差，這是正常的)。b.約0.5秒鐘后，加卸荷電機30轉動，施加主試驗力，指示燈43滅，同時工作過程顯示窗口顯示“AP”。c.當主試驗力施加完畢后，加卸荷電機30停轉，進入保荷階段，工作過程顯示窗口顯示“H—XX”，“XX”為保荷時間。d.保荷完畢后，電機30再次轉動卸除主試驗力，工作過程顯示窗口顯示“DO”。e.當電機停止轉動時，主試驗力已卸除完畢，指示燈43亮，此時硬度值顯示窗口顯示出被測試件的硬度值。同時，工作過程顯示窗口顯示“OP”，如果打印機已打開，打印機會打出該點的硬度值(第一試驗點不打印，第二試驗點打印)。(3)讀取硬度值后，逆時針轉動升降手輪4，降下試臺。主機顯示窗恢復100.0到此一個試驗循環結束。(4)移動試件選擇新的試驗點進行試驗，一般情況下每個試樣的第一點應刪除，而且每個試樣的有效點數應不小于3個，兩壓痕中心及任一壓痕離邊緣的距離均不得小于3毫米，移動試件重復上述的操作步驟。進行第二、三……點的試驗，(5)在打印機工作時，當每個試樣的試驗點數在達到設定點數時，打印機會打出該組數據的平均值(AVE)，如果已予置硬度上、下限，則會打印出該組數據中有幾點超上限(PULDX)，有幾點超下限(PDLD)(6)當接著進行第二、三……個零件試驗時，如果試驗條件相同，不用重新予置，可接著進行試驗。3．淬火用水槽和油槽；夾鉗、砂氏等用品。4．退火狀態的熱處理試樣（45、T8、T12鋼等）若干。5．金相顯微鏡；相應熱處理工藝的非平衡狀態組織試樣；金相組織照片。4實驗任務及要求要求1．記錄各試樣熱處理后的硬度數據，分析其性能變化的原因。2．對照各試樣的熱處理工藝，認真觀察相應的金相顯微組織，將其組織組成物填入數據表格內。3．分析含碳量、淬火溫度、冷卻方式及回火溫度對碳鋼硬度的影響，根據實驗數據，畫出它們同硬度的關系曲線，并說明硬度變化的原因。

實驗四常用金屬材料的組織與性能分析1實驗目的1．觀察各種常用金屬材料的顯微組織，畫出部分典型金屬材料的顯微組織示意圖，標出各組織組成物的名稱。2．測定常用鋼和鑄鐵材料的沖擊韌度、有色金屬材料的硬度，分析常用金屬材料的組織和性能之間的關系與應用。2實驗內容1．典型合金鋼的顯微組織40Cr鋼：是典型的調質鋼，經調質（淬火+高溫回火）處理后，獲得回火索氏體組織，如圖4-1所示。40Cr鋼具有良好的綜合力學性能，常用來制造軸、齒輪、連桿等較重要的機械零件。圖4-140Cr鋼調質處理后的顯微組織圖4-2GCr15鋼熱處理后的顯微組織GCr15鋼：是常用的鉻滾動軸承鋼，一般的熱處理工藝為球化退火+淬火+低溫回火，處理后獲得回火馬氏體+少量的殘余奧氏體+碳化物組織，如圖4-2所示。GCr15鋼經熱處理后，具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性，除了作滾動軸承以外，還可以用于制作模具材料使用。W18Cr4V鋼：是典型的高速鋼，鑄態下存在有較大的魚骨型碳化物，如圖4-3所示。這些粗大的碳化物無法用熱處理的方法消除，只能用鍛造的方法將其打碎。最終熱處理工藝為較高溫度的淬火（1260～1280℃）+550～570℃三次回火，熱處理后獲得回火馬氏體+少量的殘余奧氏體+碳化物組織，如圖4-4所示。具有高的硬度、耐磨性和熱硬性，適合制作刨刀、鉆頭等高速切削刃具，以及承載較大、形狀復雜、尺寸較大的模具。圖4-3W18Cr4V鋼的退火組織圖4-4W18Cr4V鋼淬火、回火的顯微組織Cr12MoV鋼：是一種典型的冷作模具鋼，其熱處理工藝為球化退火+淬火+低溫回火，熱處理后獲得回火馬氏體+少量的殘余奧氏體+碳化物組織，如圖4-5所示。這些組織具有高的硬度、耐磨性和抗冷熱疲勞性，適合制作承載較大、形狀復雜、尺寸較大的冷作模具。圖4-5Cr12MoV鋼熱處理后的顯微組織2．鑄鐵的顯微組織鑄鐵的組織由鋼的基體組織和石墨兩部分組成，根據石墨的形態不同，可將鑄鐵分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵四類。灰鑄鐵：灰鑄鐵中石墨呈片狀分布，對基體的割裂作用較大。如在鑄鐵澆注前往鐵水中加入少量的孕育劑，可增加石墨的結晶核心，細化石墨片，獲得珠光體加細小石墨片的孕育鑄鐵。常用的灰鑄鐵由于化學成分和冷卻速度的不同，有鐵素體灰鑄鐵、鐵素體-珠光體灰鑄鐵和珠光體灰鑄鐵三種，其顯微組織如圖4-6所示。a)鐵素體灰鑄鐵b)鐵素體-珠光體灰鑄鐵c)珠光體灰鑄鐵圖4-6灰鑄鐵的顯微組織球墨鑄鐵：是將普通灰鑄鐵原料配料熔化成鐵水后，經過球化處理和孕育處理而得到的灰口鑄鐵。在鐵水中加入球化劑和孕育劑，澆注后石墨呈球狀析出，因而大大削弱了石墨對基體的割裂作用，使鑄鐵的性能顯著提高。球墨鑄鐵根據基體組織不同有鐵素體球墨鑄鐵、鐵素體-珠光體球墨鑄鐵和珠光體球墨鑄鐵三種，其顯微組織如圖4-7所示。a)鐵素體球墨鑄鐵b)鐵素體-珠光體球墨鑄鐵c)珠光體球墨鑄鐵圖4-7球墨鑄鐵的顯微組織可鍛鑄鐵：又稱展性鑄鐵，是由白口鑄鐵在固態下經長時間石墨化退火而得到的灰口鑄鐵，由于石墨呈團絮狀，顯著削弱了對基體的割裂作用，因而使可鍛鑄鐵的力學性能比灰鑄鐵有明顯提高。根據基體組織不同，常用的可鍛鑄鐵有黑心(鐵素體)可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵兩種，其顯微組織如圖4-8所示。a)黑心可鍛鑄鐵b)珠光體可鍛鑄鐵圖4-8可鍛鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵：是具有蠕蟲狀石墨的灰口鑄鐵，石墨形狀短而厚，頭部較圓，形如蠕蟲狀。其顯微組織如圖4-9所示。圖4-9蠕墨鑄鐵的顯微組織2．有色金屬材料的顯微組織鋁合金：分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，其中鋁硅合金是一種應用最廣泛的鑄造鋁合金，常稱硅鋁明，典型牌號為ZAlSi12（ZL102），硅的質量分數為10%～13%。由于合金處于Al-Si合金相圖共晶成分附近，故具有優良的鑄造性能。但鑄造后得到粗大針狀的硅晶體和α固溶體所組成的共晶體(α+Si)，有時還有少量呈多面體狀的初生硅晶體，如圖3-4-10a)所示。由于粗大的硅晶體性極脆，因而嚴重地降低了合金的塑性和韌性，為了改善合金的力學性能，可進行變質處理。經變質處理，可使硅晶體顯著細化，同時還可使相圖中共晶點向右下方移動，使原合金成分變為亞共晶成分，所以變質處理后組織由初生的α固溶體和細密的(α+Si)共晶體組成，如圖4-10b)所示。由于共晶體中的硅顯著細化，加之組織類型的變化，使合金的性能顯著提高。a)變質前b）變質后圖4-10ZL102合金的顯微組織銅合金：工業上常用的銅合金有黃銅和青銅兩類，現以黃銅為例加以說明。鋅的質量分數小于39%的黃銅，其室溫下的平衡組織為單相α固溶體，故稱為單相黃銅。這類黃銅退火后，其晶粒呈多邊形，并有大量的退火變晶，其顯微組織如圖4-11所示。由于各晶粒間位向的差別，使其受浸蝕的程度不同，所以看到的晶粒顏色明暗不同。鋅的質量分散為39%～45%的黃銅，在室溫下的平衡組織為α+β兩相，故稱雙相黃銅。其顯微組織如圖4-12所示，其中白亮色為α相，暗黑色為β相。圖4-11單相黃銅的顯微組織圖4-12雙相黃銅的顯微組織軸承合金：軸承合金中，以錫基軸承合金與鉛基軸承合金應用最廣，其組織都是由軟基體和硬質點組成的。錫基軸承合金是以Sn為基體元素，加入Sb、Cu等元素所組成的合金，其顯微組織如圖4-13所示。顯微組織中，軟基體是α固溶體，呈暗黑色，硬質點是白色方塊狀的β相和白色星狀或針狀的化合物Cu3Sn。鉛基軸承合金是以Pb、Sb為基體元素，加入Sn、Cu等元素所組成的合金，其顯微組織如圖4-14所示。顯微組織中，軟基體為(α+β)共晶體；硬質點是白色方塊狀的β相和白色針狀的化合物Cu2Sb。

圖4-13錫基軸承合金的顯微組織4-14鉛基軸承合金的顯微組織3實驗設備及試樣1．HB－3000型布氏硬度計1.

HB－3000型布氏硬度計的組成與結構HB-3000型布氏硬度計的結構如圖4-15所示。試驗時將試樣放在工作臺6上，按順時針方向轉動手輪9，使工作臺上升至試樣與壓頭5相接觸，并在手輪打滑后，開動電動機12，經二級蝸輪蝸桿減速器13減速后，驅動軸柄15沿逆時針方向轉動，此時壓頭即可以由砝碼18通過大杠桿19、小杠桿1及壓軸3的作用，以一定大小的載荷壓入試樣。停留一定時間后，電動機自動反轉，曲柄連桿帶動搖桿上升而卸除載荷。在關閉電動機后，反時針方向轉動手輪，使工作臺下降并取下試樣。最后用讀數顯微鏡測出壓痕直徑d值，根據d值的大小查表即可求得布氏硬度值。1—小杠桿2—彈簧3—壓軸4—主軸襯套5—壓頭6—工作臺7—工作臺立柱8—螺桿9—升降手輪10—螺母11—套筒12—電機13—減速器14—壓緊螺釘15—軸柄16—按鈕開關17—換向開關18—砝碼19—大杠桿20—吊環21—加荷指示燈22—機體23—電源開關圖4-15HB-3000型布氏硬度計簡圖2.HB－3000型布氏硬度計的測試原理布氏硬度試驗是將一直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球，在規定的試驗力F作用下壓入被測金屬表面，保持一定時間t后卸除試驗力，并測量出試樣表面的壓痕直徑d，根據所選擇的試驗力F、球體直徑D及所測得的壓痕直徑d的數值，求出被測金屬的布氏硬度值HBS或HBW，布氏硬度的測試原理如圖4-16所示。在實驗測量時，可由測出的壓痕直徑d直接查壓痕直徑與布氏硬度對照表而得到所測的布氏硬度值。圖4-16布氏硬度的測試原理圖在進行布氏硬度試驗時，球體直徑D、施加的試驗力F和試驗力的保持時間t都應根據被測金屬的種類、硬度范圍和試樣的厚度范圍進行選擇。布氏硬度試驗規范如表3-4所示。布氏硬度試驗測出的硬度值比較準確，但它不宜測定成品件或薄片金屬的硬度。同時，也不能測定硬度高于450HBS或650HBW的金屬材料，否則壓頭(淬火鋼球或硬質合金球)會產生塑性變形或破裂，而降低測量的精度。表3-4布氏硬度試驗規范金屬類型布氏硬度值范圍(HBS)試樣厚度/㎜載荷F與鋼球直徑D的相互關系鋼球直徑D/㎜載荷F/kgf載荷保持時間t/s黑色金屬140～4506～3F=30D103000104～25750＜22.5187.5＜140﹥6F=10D101000106～352503＜2.562.5有色金屬﹥1306～3F=30D103000304～25750＜22.5187.536～1309～6F=10D101000306～3525032.562.58～35﹥6F=2.5D10250606～3562.532.515.63.HB－3000型布氏硬度計的操作方法(1)清理試樣表面，被測表面應是無氧化皮等污物的光潔平面，以便于準確測量壓痕直徑d的值。(2)根據試驗材料類別、硬度范圍及試樣厚度，按照布氏硬度試驗規范選擇試驗力F、F/D值和試驗力保持時間t。(3)將試樣平穩地放在工作臺上，順時針轉動工作臺升降手輪9，使試樣和球體壓頭相接觸，直到手輪和升降螺母10產生相對運動時為止(4)打開電源開關23，待電源指示燈亮后，再啟動按鈕開關16，當加荷指示燈21明亮時，表示試驗力開始加上，此時立即擰緊定時壓緊螺釘14，即開始自動定時，達到預定的試驗力保持時間后，加荷指示燈熄滅，試驗力自動卸除。(5)關閉電源，反時針方向轉動手輪9，使工作臺下降，取下試樣，用讀數顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑d(在兩個相互垂直的方向上各測一次，取其平均值)。(6)根據壓痕直徑d，查布氏硬度表求得各試樣的布氏硬度值。(7)為了使試樣結果精確化，可進行多次測量，并且相鄰兩壓痕的中心距離應不小于壓痕直徑的2.5倍；當布氏硬度小于35HBS時，上述距離應不小于壓痕直徑的6倍和3倍；壓痕直徑d的大小應在0.25D～0.60D范圍內。2．JC-10型讀數顯微鏡⒈JC-10型讀數顯微鏡的組成與結構JC-10型讀數顯微鏡的結構如圖4-17所示。圖4-17JC-10型讀數顯微鏡的結構讀數顯微鏡由測微目鏡組、物鏡筒1、長鏡筒2、鏡筒底座3所組成。長鏡筒靠鏡筒鎖緊螺絲20與鏡筒套合座19連接。在測微目鏡組中，在目鏡的焦面上固定不動地裝著刻有從0到6毫米標尺的分劃板4，一格的分劃值為1毫米。分劃板的刻線面朝下，就在這個下平面上，在允許的間隙內，裝著第二塊玻璃分劃板5，在其朝向目鏡的上平面上刻有互為直角的二根長絲。分劃板5堅實地與分劃板座6連接，下分劃板座6可以沿讀數鼓輪的測微螺絲7的軸心移動。下分劃板6的移動平滑性由精致的滑板8、滑板槽9、拉力彈簧10、測微螺絲7與固定的讀數指示套11內的開口螺帽12的良好配合來保證。當以順時針方向旋轉讀數鼓輪時，測微螺絲7使下分劃板座6帶動下分劃板5向前移動；當以逆時針方向旋動讀數鼓輪時，拉力彈簧10則向后拉回下分劃板座6連同下分劃板5。讀數鼓輪的測微螺絲的螺距為1mm，而不動的上分劃板4的分劃值也等于1毫米，所以讀數鼓輪轉動一周，下分劃板5上的長線就相對上分劃板移動一格。這樣根據不動的上分劃板便可以讀出讀數鼓輪的整轉來。讀數鼓輪分成100個格，而測微螺絲的螺距等于1mm，因而，讀數鼓輪轉動一格便為0.01mm，全部讀數等于上分劃板上的讀數加上讀數鼓輪上的讀數。⒉JC-10型讀數顯微鏡的使用方法將儀器置于被測物體上，使被測物件的被測部分用自然光或用燈光照明，然后調節目鏡螺旋，使視場中同時看清分劃板和物體象。進行測量時，先旋動讀數鼓輪，使刻有長絲的玻璃分劃板移動，同時稍微轉動讀數顯微鏡，使豎直長絲與被測圓孔壓痕的一邊相切，得到一個讀數，然后再旋動讀數鼓輪，使豎直長絲與被測圓孔壓痕的另一邊相切，又得到一個讀數，二者之差即為被測圓孔壓痕的直徑。3．沖擊試驗機1.擺錘式沖擊試驗機的組成與結構電動擺錘式沖擊試驗機如圖4-18所示。基本構造由機座2、擺錘7和指示系統(刻度盤5、指針4)三個部分組成。擺錘的上揚、下擊和制動等動作均采用按鈕操縱電動機來完成。圖4-18電動擺錘式沖擊試驗機2．沖擊試驗的原理一次沖擊彎曲試驗是測定金屬材料沖擊韌度的常用方法。擺錘式沖擊試驗的原理如圖4-19所示，它是將具有一定形狀和尺寸的金屬試樣放在沖擊試驗機的支座上，再將具有一定重量的擺錘提升到一定高度，使其具有一定的性能，然后讓擺錘自由下落將試樣沖斷。擺錘沖斷試樣時所消耗的能量即為沖擊吸收功AKU，AKU值的大小則代表了金屬材料韌性的高低。但習慣上仍采用沖擊韌度值aKU來代表金屬材料的韌性。沖擊韌度aKU是用沖擊吸收功AKU除以試樣缺口處的橫截面積S來表示的。a)試樣安放位置b)擺錘式沖擊試驗機圖4-19擺錘式沖擊試驗原理示意圖3.沖擊試驗機的操作方法(1)檢查設備是否動轉正常。檢查擺錘空打時被動指針是否指零位，其偏離不應超過最小刻度的四分之一，出現問題應及時排除。(2)檢查試樣有無缺陷，用游標卡尺測量試樣缺口處的斷面尺寸，并記錄下測量數據。(3)揚起擺錘，扳緊操縱手柄(或放好控制器)，將指針撥至該機最大刻度位置(即刻度的左邊極限位置)，使擺錘處于沖擊前的預備狀態。(4)將沖擊試樣放在兩個鉗口支架上，緊靠鉗口，并使試樣上帶缺口的一面背對著擺錘的刃口。(5)撥動操縱手柄(或按電鈕)進行沖擊。(6)試樣沖斷后，立即制動擺錘，待擺錘停止擺動后，從刻度盤上讀取該試樣沖擊吸收功值AKU,并作好記錄。4．金相顯微鏡5．各類金屬材料的金相試樣若干：實驗用各種材料的顯微樣品如表3-5所列。表3-5實驗用各種材料的顯微樣品序號材料名稱處理方法顯微組織浸蝕劑140Cr調質S回4%硝酸酒精溶液2GCr15淬火、回火M回+A＇+碳化物4%硝酸酒精溶液3W18Cr4V鑄態粗大的魚骨狀碳化物王水甘油溶液4W18Cr4V淬火、回火M回+A＇+碳化物王水甘油溶液5Cr12MoV淬火、回火M回+A＇+碳化物王水甘油溶液6鐵素體灰鑄鐵鑄態F+G（片狀）4%硝酸酒精溶液7鐵素體-珠光體灰鑄鐵鑄態F+P+G（片狀）4%硝酸酒精溶液8珠光體灰鑄鐵鑄態P+G（片狀）4%硝酸酒精溶液9鐵素體球墨鑄鐵鑄態F+G（球狀）4%硝酸酒精溶液10鐵素體-珠光體球墨鑄鐵鑄態F+P+G（球狀）4%硝酸酒精溶液11珠光體球墨鑄鐵鑄態P+G（球狀）4%硝酸酒精溶液12鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵退火F+G（團絮狀）4%硝酸酒精溶液13珠光體可鍛鑄鐵退火P+G（團絮狀）4%硝酸酒精溶液14鐵素體蠕墨鑄鐵鑄態F+G（蠕蟲狀）4%硝酸酒精溶液15鋁硅合金（變質前）鑄態（α+Si）0.5%氫氟酸水溶液16鋁硅合金（變質后）鑄態α+（α+Si）0.5%氫氟酸水溶液17單相黃銅退火α3%FeCl3+10%HCl水溶液18雙相黃銅退火α+β＇3%FeCl3+10%HCl水溶液19錫基軸承合金鑄態α+β＇+Cu3Sn4%硝酸酒精溶液20鉛基軸承合金鑄態（α+β＇）+β＇+Cu2Sb4%硝酸酒精溶液6．常用金屬材料的金相照片：表3-4-2中所列各種材料樣品的顯微組織放大照片一套。4實驗任務及要求1．測定相關金屬材料的硬度、沖擊韌度，并進行相應的數據處理，得出最終結果。2．觀察各樣品的顯微組織，區別其組織特征，并分析其組織與力學性能之間的關系。3．在金相顯微鏡下選擇各試樣顯微組織中的典型區域，并根據其組織特征描繪出其顯微組織示意圖，記錄所觀察的各試樣名稱、顯微組織、浸蝕劑、放大倍數及組織特征，并用引線標出各顯微組織示意圖中組織組成物的名稱，具體格式如圖3-4-15所示。材料名稱金相組織處理方法放大倍數浸蝕劑圖3-4-15顯微組織記錄格式4.簡述塑性材料和脆性材料的斷口特征。5．分析各種合金鋼、鑄鐵及有色合金材料的組織特點及其對性能的影響。

實驗五金相綜合分析實驗1實驗目的1．熟悉金相分析領域的一般工作流程，以及金相分析技術的基本思路和常用儀器設備的使用方法等。2．一步熟悉金相試樣的制備過程和金相顯微鏡的使用與維護，并通過具體的應用真正掌握金相分析技術，提高金相分析技能。3．熟悉金相顯微攝影和金相暗室技術的基本操作。2實驗內容1．金相顯微攝影金相顯微攝影是在顯微鏡和攝影裝置上進行的，能夠具體記載金屬材料的內部組織和缺陷，是金相檢驗工作的一個重要組成部分。金相顯微攝影的過程包括：攝影用物鏡和目鏡的選擇、攝影裝置的安裝、金相顯微鏡光源的調整、濾色片的選擇、孔徑光欄和視場光欄的調節、選擇膠片、攝影對焦和攝影曝光等。要進行金相顯微攝影的試樣需要特別精制，要求在被拍攝的視場內無劃痕、顯微組織清晰、層次分明、無金屬擾亂層和假相，材料中的石墨和夾雜物等不得被磨掉或存在曳尾現象。同時，要正確調試用于攝影的金相顯微鏡，選用適當的放大倍數、濾色片、孔徑光欄和視場光欄，并用金相顯微鏡上的專用附件放大鏡在呈像毛玻璃上觀察攝影圖像的清晰程度。金相顯微攝影可以采取兩種方式進行，一種是采用數碼攝影目鏡拍攝金相顯微組織圖片，以電子圖片的格式直接存入電腦中，通過打印機進行圖片輸出；另一種是采用顯微攝影裝置在金相顯微鏡上采用照相底片進行攝影，而后洗印成金相照片的方法。下面主要闡述后一種方法。當金相顯微鏡調好以后，就可以將膠卷裝入相機或將散片裝入暗盒內，并裝在金相攝影裝置上，做好拍攝的準備工作。顯微攝影時將物象投射到攝影膠片上的過程稱為曝光；攝影快門持續張開的時間稱為曝光時間。曝光是金相顯微攝影過程中的重要環節，曝光正確與否，直接決定底片的質量。影響曝光時間的因素很多，一般采用試攝法進行確定。在顯微鏡的物鏡和目鏡組合、照明條件、拍攝對象等均相同，而曝光時間不同的情況下，拍出五條不同的影象，用反復試驗法，求出準確的曝光時間。例如，估計1min左右的曝光時間為宜，則把暗盒的擋光板拉出1/5曝光2min，再把擋光板拉出1/5曝光1min，以后每拉出1/5曝光一次，再拉出三次，各次的順序曝光時間分別為30s、15s、15s。這樣在同一張底片上便能得到4min、2min、1min、30s、15s五個不同的曝光時間。顯影后，如認為2min和1min之間的曝光時間最合適，就可以在此時間段內再分五級，作同樣的曝光試驗，直至求出最合適的曝光時間為止。進行試攝時，首次試攝曝光時間應按幾何級數增加，即1、2、4、8、32、……的曝光倍數。這樣才能迅速而準確地測定曝光時間。在無把握的情況下，可采用1、3、9、27、81、……的等倍數曝光。不要用算術級數1、2、3、4、……的曝光倍數，否則只會浪費時間和底片。用試攝法確定曝光時間后，就可以進行攝影操作。若在攝影過程中某些條件發生變化，如更換物鏡、攝影目鏡或調整暗箱長度時，則需適當增減曝光時間。對于帶有曝光表附件的金相顯微鏡，可把攝影裝置上的毛玻璃取下，把曝光表的感受部分安裝在底片暗盒的位置，把金相顯微鏡調節到攝影狀態，根據曝光表上的讀數，確定曝光時間。2．暗室操作技術經攝影曝光后，只能得到一張感光了的膠片，尚需進行沖洗、印相、放大等一系列暗室操作，才能最后得到一張金相組織照片。暗室操作的正確與否，也將會直接影響金相照片的質量。（1）底片沖洗：膠片曝光后，便在感光乳劑層上形成了由銀組成的“潛影”，顯影過程就是利用顯影劑將感光乳劑中曝光過的鹵化銀顆粒還原成金屬銀，其中“潛影”在顯影過程中起著發動顯影和加速顯影劑還原鹵化銀的催化作用。底片經過曝光后，就要在暗室里進行顯影、停影、定影等操作，才能得到效果良好的金相底片。顯影：是底片上的感光銀鹽（潛影）在顯影劑的作用下還原成細小的黑色銀鹽的過程，曝光時間越長，感光量越大，還原出的銀粒也就越多、越黑。常用的顯影液有以下幾種：①

普通顯影液（中性顯影液D-72）水（～50℃）750ml米吐爾3.1g無水亞硫酸鈉45g幾奴尼12g無水碳酸鈉67.5g溴化鉀1.9g加水至1000mlD-72配方為通用顯影液，適用于一般影調的底片和相紙，配制時按上述順序依次溶化，待第一種藥品全部溶化后才加入第二種藥品，不可顛倒。暗室內所用溶液均按此規則配制。此種顯影液配好后裝在棕色瓶內，存放在暗室的固定位置處，稱為儲藏液。底片顯影用水1∶1沖淡，在18～20℃時顯影4～6min；相紙顯影用水1∶2沖淡，在18～20℃時顯影2～4min。②微粒顯影液（D-76）水（～50℃）750ml米吐爾2g無水亞硫酸鈉100g幾奴尼5g硼砂2g加水至1000mlD-76微粒顯影液，適用于要高倍放大的小型底片。這種顯影液的堿性弱，顯影時間長，顯影后銀鹽顆粒細密，故稱微粒顯影液。此配方只適合于膠片沖洗，不能用作印相和放大。顯影溫度在17～20℃時，顯影時間約為10～16min。③高反差顯影液（D-154硬性顯影液）水（～50℃）750ml米吐爾1.25g無水亞硫酸鈉22.5g幾奴尼6g無水碳酸鈉30g溴化鉀0.5g加水至1000ml顯影溫度在18～20℃時，顯影時間為2～4min。適用于底片和相紙的沖洗，在金相顯微攝影中常用此種顯影液。高反差顯影液的顯影能力充足，顯影時間可大為縮短。當膠片曝光不足時，可采用高反差顯影液進行顯影，以增加顯影速度，彌補曝光不足。其缺點是易造成底片密度的增加，銀粒變粗，反差增大。除D-154顯影液以外，還有D-11和D-19均屬于高反差顯影液。④柔性顯影液（A-12軟性顯影液）水（～50℃）