金属材料工程 实验指导书

目录

实验一金相试样的制备、显微镜的构造与操作

实验二铁碳合金平衡组织的显微分析

实验三金属的塑性变形与再结晶

实验四钢的端淬试验

实验五钢的淬火工艺

实验六热处理后的组织观察

实验七二组分合金相图的绘制

实验八酸碱试样浓度的测定

实验九光度法测定镀锌镍合金溶液（碱性）中镍离子的含量实验十镀液中铁锰离子浓度的光度法分析

实验十一失重法测定金属腐蚀速度

实验十二阳极极化曲线的测定

实验十三极化曲线评选缓蚀剂

实验十四临界孔蚀电位的测定

实验十五材料硬度测定

实验十六金属材料冲击性能测定

实验十七金属材料疲劳性能测定

的测试

实验十八平面应变断裂韧度K

Ⅰc

实验十九溶液表面张力的测定

实验二十静电粉末涂装工艺

实验二十一电泳涂装工艺

实验二十二镀锌液阴极极化曲线的测定

实验二十三碱性锌酸盐镀锌液阴极电流效率的测定

实验二十四碱性锌酸盐镀锌工艺及镀液分散能力测定

实验二十五光亮镀镍赫尔槽实验及镀层孔隙率测定

实验二十六远近阴极法碱性锌酸盐镀锌液分散能力的测定实验二十七钢铁零件的碱性氧化处理(发蓝)

实验二十八电位－时间曲线的测量

实验二十九 PLC基本操作

实验三十 PLC控制电动机的正反转

实验三十一测温仪表的现场成套校验

实验三十二利用X射线衍射仪进行多相物质的相分析

实验三十三透射电子显微镜的结构、样品制备及观察

实验三十四扫描电镜的制样及组织观察

实验三十五电子探针仪结构及样品分析

6+的测定与处理

实验三十六含铬废水中C

r

实验三十七超声波仪器探头的组合性能

实验三十八X射线检测底片观察

实验三十九表面检测技术—磁粉检测、渗透检测

实验四十溅射镀膜(1)金属膜

实验四十一溅射镀膜(2)化合物膜

实验四十二合金结构钢、工具钢的热处理和显微组织分析实验四十三不锈钢、耐热钢的显微组织分析

实验四十四铸铁、有色金属显微组织观察

实验四十五动量传输

实验一金相试样的制备、显微镜的构造与操作(综合性)

一、实验内容

1. 试样的取样、镶嵌、磨制；

2. 浸蚀剂的选取，试样的浸蚀；

3. 试样制备质量检验。

二、实验目的

1．了解金相试样的制备过程。

2．初步掌握金相试样制备、浸蚀的基本方法，同时熟悉显微镜的构造与操作。

三、实验条件及要求

1.设备：金相切割机、砂轮机、镶嵌机、预磨机、抛光机、吹风机、显微镜。

2.材料：金相砂纸、抛光粉、抛光布、浸蚀剂、棉球、酒精。

3.试样：20，45，T8，T12，白口铁若干

要求：独立制备试样，试样无明显划痕、扰乱层等缺陷。

四、实验相关知识

在科研和实验中，人们经常借助于金相显微镜对金属材料进行显微分析和检测，以控制金属材料的组织和性能。在进行显微分析前，首先必须制备金相试样，若试样制备不当，就不能看到真实的组织，也就得不到准确的结论。

金相试样制备过程包括：取样（镶嵌）、磨制、抛光和浸蚀。

1.取样

取样部位的选择应根据检验的目的选择有代表性的区域。一般进行如下几方面的取样。

原材料及锻件的取样：原材料及锻件的取样主要应根据所要检验的内容进行纵向取样和横向取样。

纵向取样检验的内容包括：非金属夹杂物的类型、大小、形状；金属变形后晶粒被拉长的程度；带状组织等。

横向取样检验的内容包括：检验材料自表面到中心的组织变化情况；表面缺陷；夹杂物分布；金属表面渗层与覆盖层等。

事故分析取样：当零件在使用或加工过程中被损坏，应在零件损坏处取样然后再在没有损坏的地方取样，以便于对比分析。

取样的方法：取样的方法因为材料的性能不一样，有硬有软，所以取样的方法也不一样。软材料可用锯、车、铣、刨等来截取；对于硬的材料则用金相切割机或线切割机床截取，切割时要用水冷却，以免试样受热引起组织变化；对硬而脆的材料，可用锤击碎，选取合适的试样。

试样的大小以便于拿在手里磨制为宜，通常一般为φ12×15mm圆柱体或12×12×15mm正方体。取样的数量应根据工件的大小和检验的内容取2-5个为宜。

镶嵌：截取好的试样有的过于细小或是薄片、碎片，不宜磨制或要求精确分析边缘组织的试样就需要镶嵌成一定的形状和大小。常用的镶嵌方法有机械镶嵌、塑料镶嵌或环氧树脂冷嵌。如图1-1所示。

机械镶嵌：用不同的夹具将不同外形的试样夹持。夹持时，夹具与试样之间、试样和试样之间应放上填片，填片应采用硬度相近且电位高的金属片，以免浸蚀试样时填片发生反应，

影响组织显示。

塑料镶嵌：是在专用镶嵌机上进行，常用材料是电木粉，电木粉是一种酚醛树脂，不透

明，有各种不同的颜色。镶嵌时在压模内加热加压，保温一定时间后取出。优点是操作简单，

成型后即可脱模，不会发生变形。缺点是不适合淬火件。

对于一些不能加热和加压的试样可采用环氧树脂冷嵌。

2.磨光

目的是得到一个平整光滑的表面。磨光分粗磨和细磨。

粗磨：一般材料可用砂轮机将试样磨面磨平；软材料可用锉锉平，磨时要用水冷却，以

防止试样受热改变组织。不需要检查表层组织的试样要倒角倒边。

细磨：目的是消除粗磨留下的划痕，为下一步的抛光作准备，细磨又分为手工细磨和机

械细磨。

手工细磨：选用不同粒度的金相砂纸（180、240、400、600、800），由粗到细进行磨制。

磨时将砂纸放在玻璃板上，手持试样单方向向前推磨，切不可来回磨制，用力均匀，不宜过

重。每换一号砂纸时，试样磨面需转90°，与旧划痕垂直，以此类推，直到旧划痕消失为

止。试样细磨结束后，用水将试样冲洗干净待抛。

机械细磨：是在专用的机械予磨机上进行。将不同号的水砂纸剪成圆形，置于予磨机圆

盘上，并不断注入水，就可进行磨光，其方法与手工细磨一样，即磨好一号砂纸后，再换另

一号砂纸，试样同样转90°，直到800号为止。

3.抛光

目的是去除试样磨面上经细磨留下的细微划痕，使试样磨面成为光亮无痕的镜面。

抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光。最常用的是机械抛光。机械抛光在金相抛光机

上进行。抛光时，试样磨面应均匀的轻压在抛光盘上。并将试样由中心至边缘移动。并做轻

微移动。在抛光过程中要以量少次数多和由中心向外扩展的原则不断加入抛光微粉乳液，抛

光应保持适当的湿度，因为太湿降低磨削力，使试样中的硬质相呈现浮雕。湿度太小，由于

摩擦生热会使试样生温，使试样产生晦暗现象，其合适的抛光湿度是以提起试样后磨面上的

水膜在3～5秒钟内蒸发完为准。抛光压力不宜太大，时间不宜太长，否则会增加磨面的扰

乱层。粗抛光可选用帆布、海军呢做抛光织物，精抛光可选用丝绒、天鹅绒、丝绸做抛光织

物。抛光前期抛光液的浓度应大些，后期使用较稀的，最后用清水抛，直至试样成为光亮无

痕的镜面，即停止抛光。用清水冲洗干净后即可进行浸蚀。

常用的抛光微粉见表1-1

4.金相试样的显示

a 机械镶嵌法

b 环氧树脂冷嵌

c 塑料镶嵌法

图 1-1 金相试样镶嵌方法

试样 垫片 环氧树脂 试样

金属套管

塑料或电木 a b c

抛光后的金相试样置于金相显微镜下观察仅能看到铸铁中的石墨、非金属夹杂物。金相组织只有显示后才能看到，金相组织显示的方法有化学浸蚀法，电解浸蚀法，物理浸蚀法。常用的是化学浸蚀法。

化学浸蚀法就是利用化学试剂对试样表面进行溶解或电化学作用来显示金属的组织。纯金属及单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程，因为晶界原子排列较乱，不稳定，在晶界上的原子具有较高的自由能，晶界处就容易浸蚀而下凹，来自显微镜的光线在凹处就产生漫反射回不到目镜中，晶界呈现黑色，见图1-2a。二相合金的浸蚀与纯金属截然不同，它主要是一个电化学过程。因为不同的相具有不同的电位，当试样浸蚀时，就形成许多微小的局部电池，具有较高负电位的一相为阳极被迅速溶解，而逐渐凹洼，具有较高正电位的一相为阴极，不被浸蚀，保持原有的平面，两相形成的电位差越大，浸蚀速度越快，在光线的照射下，两个相就形成了不同的颜色，凹洼的部分呈黑色，凸出的一相发亮呈白色，见图1-2b。

铁素体(阳极) 渗碳体(阴极)

浸蚀平面晶界被浸蚀

a b

a 铁素体

b 珠光体

图1--2 单相合金和双相合金浸蚀示意图

表1-2 常用的化学浸蚀剂

5. 化学操作注意事项

(1) 试样进行化学浸蚀时应在专用的实验台上进行，对有毒的试剂应在抽风橱内进行。

(2) 试样浸蚀前应清洗干净，磨面上不允许有任何赃物以免影响浸蚀效果。

(3)根据材料和检验要求正确选择浸蚀剂见表1-2。

(4)注意掌握浸蚀时间，一般是磨面由光亮逐渐失去光泽而变成银灰色或灰黑色。主要根

据经验确定。通常高倍观察时浸蚀宜浅，低倍观察可深些。

(5)试样浸蚀适度后，应立即用清水冲洗干净，滴上乙醇吹干，即可进行显微分析。

五、实验步骤

1.每个学生实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务。

2.

认真了解所使用的仪器型号，操作方法及注意事项。 3.

按实验内容制备一个合格的金相试样。 4. 认真观察制备的试样，并画出组织示意图。

六、思考题

根据自己的实践体会，在制备金相试样时应注意哪些事项？

七、实验成绩评定办法

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、

实验结果、实验效果等。

附件1：为完成上述实验，方便学生掌握金相显微镜的使用，本指导书给出了有关显微

镜的使用说明，如下：

金相显微镜及使用

人们用来观察金属内部组织结构的光学显微镜称为金相显微镜，它是目前研究金属显微

组织最常用的重要工具。金相显微镜是根据几何光学的基本原理，由许多光学元件按一定的

要求组合而成的精密光学仪器。随着科学技术的进步和发展，金相显微镜在构造、性能等方

面也在不断的改进和提高。偏振光、相衬、光的干涉、高低温等特殊光学分析技术在显微镜

上的应用，更加扩大了金相显微镜的应用范围。

一、显微镜的基本原理

一般正常人看物体时，明视距离为250mm 左右，在这个距离正常视力的人可以分辨的

两点最小距离约为0.15~0.3mm ，大于或小于这个距离虽然能看见，但不易分辨物体的细微

部分，而且眼睛容易疲劳。金属显微组织中的相和各组织组成物之间的距离均小于这个数值，

因此必须利用金相显微镜加以放大才能看清。

利用单个凸透镜可以将物体的实像放大，利用一组透镜可以使放大倍数进一步提高，

但这些还满足不了对金属显微组织观察的要求，因此，金相显微镜设计时考虑用另一透镜组

将第一次放大的像再次进行放大，以得到更高放大倍数的像。根据这一设计，金相显微镜中

装有两组放大透镜，靠近物体的一组透镜称为物镜，靠近眼睛进行观察的一组透镜称为目镜。

金相显微镜的成像原理示意图如图1所示。 物体AB 置于物镜的一倍焦距(F 1) 以外，

两倍焦距之内的位置上，通过物镜后可形成一个倒立、放大的实像A 1B 1，当实像A 1B 1位于

目镜的一倍焦距F 2以内时，则目镜又使A 1B 1放大，在目镜的物方两倍焦距以外，得到A 1B 1

的正立放大的虚像A 2B 2。这最后映像A 2B 2是经过物镜、目镜两次放大后得到的。A 2B 2

又通

过眼睛这一光学系统成像于视网膜上(A 3B 3)，因而可观察到相对于物体是倒立的放大图像。

显微镜在设计时，让目镜的焦点位置与物镜放大所成的实像位置接近，并使最终的倒

立虚像在人的明视距离处(约250mm)成像，这样就可以使人的观察效果最为清晰。

二、显微镜的放大倍数

从显微镜的成像原理可知，显微镜的放大倍数应当是物镜的放大倍数与目镜放大倍数

的乘积。物体AB 经物镜放大后的放大倍数为：

1

1111f f f AB B A M ?≈'+?==物 式中ｆ1’、ｆ1 分别为物镜的前焦距和后焦距，Δ为显微镜的光学镜筒长。

物像A 1B 1经目镜放大后的放大倍数为：

2

1122f S B A B A M ≈=目 式中，f 2 为目镜的前焦距；S 为人眼的明视距离，一般S=250mm 左右。所以显微镜的总的

放大倍数应当是：

显微镜物镜的放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍，通长显微镜设计的最

高放大倍数为1600~2000倍，但因受物镜分辨能力的限制，一般可放大1000~1500倍。

放大倍数用符号“×”表示，分别标注在物镜与目镜的镜筒金属外壳上。

三、透镜的像差

透镜在成像过程中，许多原因都会使得形成的像与理想像之间存在一定的差异，甚至

变形或模糊不清，这种现象称为光学系统的像差。

像差按产生的原因和影响成像质量的性质分为单色像差和色像差。单色像差是单色光

成像时产生的像差，如球差、像散、场曲、慧差和畸变等。色像差是多色光成像时，由于介

质折射率随光的波长不同而变化所引起的像差，包括轴向色差和垂轴色差两种。

由于像差的存在从不同角度影响了显微镜的成像质量，因此在设计制造中应尽量使之

减少，但完全削除像差是不可能的，还需要使用者在使用过程中通过适当的操作把像差进一

步减小到最小程度。

三、金相显微镜的主要性能

1．鉴别率

显微镜的鉴别率是指显微镜视场中能够清晰分辨试样上相邻两点之间最小距离的能

力，它主要决定于显微镜物镜的鉴别率。鉴别率通常用两个物点之间能清晰分辨的最小距离

d 的倒数来表示，d 越小，鉴别率越高。

显微镜的鉴别率主要取决于入射光的波长和数值孔

径，可用下式表示：

2NA d λ

=

式中，λ为入射光的波长；NA 为数值孔径。从公式中可

以看出NA 越大或λ越小，鉴别率就越高。

数值孔径是金相显微镜的一个重要参数，其大小表征

了物镜的聚光能力，值越大聚光能力越强，从试样上反射

进入物镜的光线越多，从而使显微镜的鉴别能力提高。数

值孔径的数学表达示为

2

1f 250f M M M ??==目

物

αnsin NA =

式中n 为物镜与试样间介质的折射率，α为物镜的孔径半角，如图2所示。从公式中可以看

出，增加孔径角和介质的折射率都可使数值孔径增大。增加孔径角α的途径一是增加透镜的

直径，二是缩短物镜的焦距。增加透镜的直径会给像差的校正带来困难，因此不实用。增大

物镜与试样之间介质的折射率主要是通过选择不同的介质来实现的。例如，空气的折射率为

1，而松柏油的折射率为1.515。因此，以油为介质的物镜有较大的数值孔径。

物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头的外壳上。

2．有效放大倍数

有效放大倍数是保证物镜充分利用时所对应的显微镜的放大倍数，推导后的公式为：

λNA )

6.0~3.0(M =有效 通长显微镜采用黄绿光，则λ=5.5×10-4mm ，有效放大倍数近似为

在使用显微镜时，应该根据有效放大倍数来选择物镜与目镜的配合。如果显微镜的放

大倍数低于500NA ，则没有充分发挥物镜的分辨能力，由于目镜放大倍数不足，物镜可分

辨的细节不能为人眼所分辨。若放大倍数超过1000NA ，称为虑伪放大，这时在有效放大倍

数内不能分辨的细节仍然看不清楚。

3．景深

景深反映显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力，又称垂直鉴别率，可用如下

公式表示：

)NA

1000~500(M =有效

)(mm)3.0~15.0((NA)M

n h ?= 由公式可知，选用数值孔径小的物镜可得到较大的景深，但要降低显微镜的分辨率，因

此，在使用中要根据情况进行选择。景深太小，组织高低的细微差别就难以呈现清晰的

图像。

四、金相显微镜的结构

随着科学技术的发展，金相显微镜的种类越来越多，技术水平越来越高，但从构造形式

上主要分为台式、立式和卧式三种，从组成上一般都由光学系统、照明系统和机械系统三部

分组成。

金相显微镜典型的光学系统如图3所示。显微镜工作时，灯泡作为光源发出的一束光线，经

过聚光透镜组1和反光镜被聚集到孔径光栏上，然后经过聚光镜组2再聚焦在物镜的后焦面

上，最后光线通过物镜以平行光束照射到试样的表面。从试样表面反射和散射回来的成像光

线 ，又经物镜、辅助物镜1、半透反光镜、辅助物镜片2、棱镜及半五角棱镜形成一个放大

的实像，该像再次经目镜放大，就成为在目镜视场中能看到的放大的映像。

显微镜的照明系统是利用装在底座内的低压灯泡作为光源，灯前有聚光镜组1

、反光镜

和孔径光栏组等组成的部件以及安装在支架上的视场光栏和另一聚光镜。孔径光栏和视场光

栏的作用主要是用来改变成像光束的孔径和视场的大小，调节过程中，孔径光栏以调到成像

清晰为准，视场光栏根据观察的需要调到能看到所需视场大小即可。

常用的普通显微镜的结构如图4所示。其主要机械结构包括以下几个部分。

载物台：载物台是放置金相试样的装置。为了防止试样移动还可设置压片组，用来压

紧试样。载物台可以用手动方式进行移动。观察试样时，通过水平方向前后、左右的移动，

可以对观察部位进行选择。

物镜转换器：物镜转换器一般呈球面形，其上可同时安装三个不同放大倍数的物镜，

转动转换器就可使不同放大倍数的物镜与目镜配合，从而获得需要的放大倍数。

目镜管：目镜管用来放置目镜，呈45°安装在半球形座上，如要拍摄金相照片时还可

将目镜管转向水平状态以配合照相装置进行金相摄影。

调焦机构：观察金相试样时，为了获得清晰的物像，必须对物镜与试样之间的距离进

行调整，这个过程就是调焦。调焦是通过操作调焦手轮使载物台上升或下降来完成的。调焦

机构分为粗动调焦和微动调焦两部分，分别通过粗动调焦手轮和微动调焦手轮进行操作。旋

转粗动调焦手轮，载物台以较快的速度上升和下降，旋转微动手轮，载物台缓慢上下移动。

由于微动调焦要求较高，因此微动手轮上刻有刻度值，以便准确调焦。

五、金相显微镜的使用及注意事项

金相显微镜属于精密的光学仪器，因此在使用时必须细心谨慎，使用前应当熟悉金相

显微镜的原理和结构，使用过程中严格按照有关操作规程进行操作。

金相显微镜的一般操作规程主要包括：

1．根据观察要求选配物镜和目镜，并安装到相应位置。

2．将显微镜照明系统的电源插头插入低压变压器插孔中，接通电源。

3．将金相试样放在载物台中心，如需要固定应当用载物台上的固定装置进行固定。

4．进行调焦。调焦过程是先通过粗动调焦机构使试样与物镜之间达到一定成像的距离(物镜不能与试样相接触)，然后通过微动调焦机构进一步精确调焦，使成像达到最佳。

5．根据所观察试样的要求，适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最好的物像效果。

使用金相显微镜时的注意事项主要包括：

1．相显微镜的照明电源用的是低压灯泡，必须通过降压变压器使用，千万不可将显微镜的照明电源插头直接插入220V电源插座，以免造成事故。

2．不能用手擦拭物镜和目镜的玻璃部分，如有灰尘可用镜头纸或专用毛刷进行清理。

3．不能用手抚摸金相试样的观察面，也不要随意的挪动试样，以免划伤观察面，影响观察效果。

4．使用过程中必须细心操作，不能有粗暴和剧烈的动作，要避免振动。特别是调焦时，动作一定要慢，如遇阻碍时应当立即停止操作，待查明原因后再进行。

5．不允许随便拆卸显微镜部件，特别是光学系统，以免损坏显微镜或影响显微镜的使用精度。

实验二 铁碳合金平衡组织的显微分析（验证性）

一、 实验目的

1.

观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。 2. 掌握铁碳合金成分，组织性能之间的变化规律。

二、 概述

铁和碳组成的合金称为铁碳合金，铁碳合金的平衡组织，可根据铁碳相图来分析，由相图可知所有铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体二个相组成，随着钢中碳的质量分数的增加，铁素体和渗碳体的相对数量不同，分布形态不同造成了组织和性能差异很大。

（一） 铁碳合金室温下基本相和组织组成物的基本特征

1.铁素体（F ） 是碳溶入α-Fe 中的间隙固溶体，晶体结构为体心立方晶格，具有良好的塑韧性，但强度硬度低，经4%硝酸酒精浸蚀呈白色多边形晶粒，在不同成分的碳钢中其形态为块状和断续网状。

2.渗碳体（Fe 3C ） 是铁与碳形成的化合物，含碳量为6.69%。

晶格为复杂的八面体结构，硬度高，脆性大，用4%的硝酸酒精浸蚀后呈白色，用碱性苦味酸钠热蚀后呈黑色，用此法可以区分铁碳合金中的渗碳体和铁素体。由铁碳相图知，随着碳的质量分数的不同，渗碳体有不同的形态，一次渗碳体是由液态直接析出的渗碳体，呈白色长条状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状分布，三次渗碳体是从铁素体中析出的渗碳体，沿晶界呈小片状，共晶渗碳体在莱氏体中为连续基体，共析渗碳体是同铁素体交替形成呈交替片状。

3.珠光体（P ） 是铁素体与渗碳体的机械混合物，在平衡状态下，铁素体和渗碳体是片层相间的层状组织。在高倍下观察时铁素体和渗碳体都呈白色，渗碳体周围有圈黑线包围着，在低倍下当物镜的鉴别能力小于渗碳体厚度的时候，渗碳体就成为一条黑线。见图3-1。

（二）铁碳合金相图的分析

在铁碳状态图上，根据碳的质量分数

的不同，铁碳合金分为工业纯铁，碳钢及白

a （15000×）

b （400×）

图2-1 不同放大倍数下珠光体的显微组织

口铸铁。

1.工业纯铁 碳的质量分数小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。室温下的组织为单相的铁素体晶粒。用4%的硝酸酒精浸蚀后，铁素体呈白色。当碳的质量分数偏高时，在少数铁素体晶界上析出微量的三次渗碳体小薄片，见图 3-2。

2.碳钢 碳的质量分数在0.0218～2.11%范围内的铁碳合金称为碳钢，根据钢中含碳量的不同，其组织也不同，钢又分为亚共析钢，共析钢，过共析钢三种。

1）亚共析钢 碳的质量分数在0.0218～0.77%范围内，室温下的组织为铁素体和珠光体，随着碳的质量分数的增加，先共析铁素体逐渐减少，珠光体数量增加。见图 3-3 。白色有晶界的为铁素体，黑色层片状的组织为珠光体。

在显微镜下，可根据珠光体所占面积的百分数估计出亚共析钢的碳的质量分数：

Wc ≈Wp%×0.77%

Wc –碳的质量分数

Wp –珠光体所占面积的百分数

2) 过共析钢 碳的质量分数在0.77～2.11%范围的碳钢为过共析钢。室温下的组织为层片状珠光体和二次渗碳体，见图 3-4。 用4%硝酸酒精浸蚀，二次渗碳体呈白色网状分

布在珠光体周围。用碱性苦味酸钠溶液热蚀

后，渗碳体呈黑色。

3、白口铸铁 含碳量在2.11～6.69%

范围内的铁碳合金为白口铸铁。根据含碳量

的不同又分为亚共晶白口铸铁，共晶白口铸

铁，过共晶白口铸铁三类。

a 用4%硝酸酒精浸蚀

b 用碱性苦味酸钠热蚀

图 3-4 T12钢显微组织

20钢 45钢 70钢

图 3-3 亚共析钢的显微组织

1）亚共晶白口铸铁 碳的质量数为2.11～4.3%，室温组织为珠光体二次渗碳体和低温莱氏体，见图 3-5 。黑色树枝状为初生奥氏体转变的珠光体，其周围白色网状物为二次渗碳体。其余为莱氏体，莱氏体中的黑色粒状或短杆状物为共晶珠光体。

2) 共晶白口铸铁 碳的质量分数为4.3%。室温组织为单一的莱氏体，见图 3-6。图中黑色的粒状短杆状为珠光体，白色基体为渗碳体。

3) 过共晶白口铸铁 碳的质量分数为4.3～6.6%之间。室温组织为一次渗碳体和莱氏体，见图 3-7。一次渗碳体呈白色长条状，贯穿在莱氏体基体上，其余为共晶莱氏体。

三、实验设备及材料

1、金相显微镜

2、金相试样，见表3-1

四、实验步骤

1、观察表3-1中的各种材料的显微组织。注意不同成分合金的组织形态特征。

2、绘制不同合金的显微组织示意图并注明材料状态、组织。

3、观察未知试样，根据亚共析钢组织的相对量估算出钢的大致含碳量。

五、实验报告要求

1. 实验目的

2. 简述金相试样的制备过程

3. 画组织示意图

4. 分析未知试样，利用杠杆定律估算出该钢的大致含碳量

六、思考题

1、渗碳体有几种；它们的形态有什么不同？

2、说明碳的质量分数对铁碳合金组织和性能的影响？

表 3-1 铁碳合金典型试样

图 3-6共晶白口铸铁组织 图 3-7过共晶白口铸铁组织

实验三金属的塑性变形与再结晶（验证性）一、实验目的

1．了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响。

2．了解冷变形度对金属再结晶后晶粒大小的影响。

图3-1 05钢冷塑性变形后组织(200×)

a)未变形，940℃正火b)变形程度40% c)变形程度70% d)变形程度80%

二、实验概述

（一）金属塑性变形后的组织、性能变化

金属的重要特性之一就是具有塑性。当金属受的外力（切应力）超过其屈服点（σs）时，除继续发生弹性变形外，同时还发生永久变形，又称塑性变形。它主要通过滑移和孪生方式进行。塑性变形的结果不仅使金属的外形、尺寸改变，而且使金属内部的组织和性能也发生变化。现将这些变化分述于下。

1．滑移带滑移是金属塑性变形的基本方式。晶体滑移时沿滑移面、滑移方向产生相

对滑动，在自由表面处产生台阶，大量滑移台阶的积累就构成了宏观塑性变形。通过光学显微镜观察已变形的抛光试样，就能见到许多平行线条，即为滑移带。

2．孪晶孪生通常是晶体难以滑移时而进行的另一种塑性变形方式。孪生变形就是晶体的一部分沿一定晶面和晶向进行剪切变形，从而使已变形部分与未变形部分的原子排列构成镜面对称，此称孪晶。由于晶体两部分位向不同，受浸蚀程度有异，对光的反射能力也明显不同，故在显微镜下能看到形变孪晶。

3．纤维组织金属在变形前内部组织为等轴晶粒，随着变形量的增加，晶粒逐渐沿变形方向伸长，并最后被显著地拉成纤维状。这种组织称之冷加工纤维组织。05钢不同变形度下的显微组织如图3-1所示。

4．加工硬化由于金属冷塑性变形，亚结构进一步细化，位错密度增大，导致其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，该现象即称加工硬化。

（二）塑性变形后的回复与再结晶

金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，必有力求恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进行，加热会提高原子的活动能力，也就促进了这一恢复过程的进行。加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。图3-2a即为经70％变形度的05钢，625℃退火后，发生了不完全再结晶，图3-2b为670C退火后，再结晶已完成。由图3-3可知，在回复阶段，显微组织不变，仅是内应力获得很大松弛，所示其性能几乎不变。但经再结晶后，显微组织已恢复到变形前的等轴晶，故各种性能也都复原，即加工硬化完全消除。

图3-2 05钢再结晶过程的显微组织(200×)

a) 625℃再结晶b) 670℃再结晶

（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系

冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加热温度、保温时间有关外，还与金属的预先变形量有关。图3-4表示金属再结晶后的晶粒度与预变形度间的关系。由图可知，当变形度很小时，金属不发生再结晶。这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以进行再结晶而保持原来状态（图3-5a），当达到某一变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大（图3-5b），该变形度称之临界变形度。一般金属的临界变形度在2％～10％范围内。此后，随着变形度的增加，再结

晶后的晶粒度逐渐变细，（图3-5c～h）。

图3-5 纯Al再结晶后晶粒大小与变形度的关系

变形度：a) 1%; b)2.5%; c)4%; d)6%; e)8%; f) 10%; g) 12%; h) 16%

三、实验设备及试样

1．金相显微镜。

2．布氏硬度计。

3．铝片拉伸机（附测量工具）。

4．实验用箱式电阻炉。

5．显微试样一套（见表3-1）。

表3-1 供观察的显微试样