机械工程材料实验报告

实验一金属材料的显微镜分析

一、实验目的：

1、了解金相显微镜的一般构造和使用方法。

2、熟悉显微镜的试样制备方法。

二、理论概述：

1、金相显微镜试样的制备

用金相显微镜来研究金属的显微组织和缺陷的方法称为显微镜分析，显微镜分析能测定金属的晶粒度大小，显露金属的显微组织特征，测定金属的镀层（镀锌、镀铜等）和化学热处理（渗碳、氮化等）扩散层的深度，鉴定金属中非金属夹杂物（氧化物、硫化物等）和各种缺陷。此外，显微镜分析还能确定金属进行热加工（锻、轧、铸、热处理等）工艺是否正确，判断金属的机械性能。在许多情况下，还能找到零件破损的原因。

在利用显微镜检验以上这些情况时，必须先制备金相试样。由于金属对一般光线的不透明性，金属试样表面既要平整如镜，又要界限分明，以便在显微视场中不同程度地反射光源，而显示出清晰的图像。

显微镜试样的制备过程如下：

（1）试样的截取和磨平

金相试样是用手锯车床来截切的。若金属很脆（如白口铁），可用锤下小快样品，若合金很硬则用细的人工刚玉（氧化铝）或金刚砂轮片切截样品。

截下的试样表面要用砂轮磨平或锉刀挫平。

截切及磨平样品时应用水冷却，避免样品的温度升高而影响合金组织的变化，所以试样的尺寸最好如图一所示。但试样尺寸往往受到被研究的

制件尺寸的限制，而不能按标准尺寸截取，例如丝状件、薄片件及小快破损件等。这时，试样的尺寸则取决于丝的直径，薄片的厚度。

如果试样尺寸过于细小，如丝、带、片、管及形状极不规则，不能稳定装在显微镜的载物盒上，这是则需要采用镶嵌的方法---镶样，镶嵌的方法很多，常用的有胶木粉镶样、易熔合金镶样、塑料镶样及机械嵌镶法等，下图为机械嵌镶和低熔点镶样法的示意图。（2）磨光

试样的磨光是将磨平的试样表面用砂纸磨光，以消除粗大的磨痕，磨光可在磨片机进行（机械磨光），也可用手工磨光，手工磨光是在金相砂纸上进行，金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号、06号等6种，磨光时依次从01号磨到06号，但一般钢铁试样磨到04号已经足够细了。

手工磨光的操作方法：先在厚玻璃板上铺上01号砂纸，用手将试样需磨表面压在砂纸上，然后沿与粗磨后磨痕方向垂直方向进行磨削，直到消除前一道磨痕为止。用同样的方法从粗到细依次换上各重砂纸进行磨制。磨好的试样表面具有很细的摸痕且呈银白色。

手工磨光操作要领：

①压在试样上的力要均衡，试样表面与砂纸完全接触并向前推动（不

要往后拖）。

②每换一种号数的砂纸磨制时，磨制方向都应与上一道磨痕方向垂直，并注意勿使前一道磨制的砂粒掉在细砂纸上，磨片和手都要洗净。

（3）抛光

抛光的目的在于保持不变形地消除表面遗痕，而获得无疵的镜面。抛光法有三种：机械法、电解法和化学机械法。本次实验采用机械抛光法。

机械抛光法是在转动的圆盘抛光机上进行。圆盘上敷以尼绒抛光布，并用抛光剂润滑抛光济为金刚砂、氧化铬粉等，和水调成悬浊液)。抛光时，将式样麻面平整地压在已有的抛光机的圆盘表面上，并随时转动试样和适当添加抛光济，抛光铁和钢时，一盘不超过3分钟，待麻痕消除，磨面具有光亮的镜面为止，然后用水冲洗，并继续以酒精洗涤，再用棉花、滤纸有干或用冷风吹干，对于比较精密的不能擦干，不能擦干或烘干。（4）浸蚀

抛光后的试样，除观察钢中的非金属夹杂物或铸铁中的石墨可以不经浸蚀外，一般均应浸蚀才能观察到显微组织。例如纯铁试样经磨平、磨光和抛光后，这是在显微镜下只观察到一个亮的表面，经浸蚀后，由于晶界易浸蚀而凹陷，光线在晶界产生漫射作用，在显微镜下呈现暗黑色线条，因而显示出晶界的形状，如图3，图4所示，晶粒的不同染色或呈现明暗的区别是由于晶粒的方向性或不同的截面上晶粒性质的不同，使我们不但观察到晶界，而且观察到各种不同光彩不同亮度的晶粒。

浸蚀的方法有浸入擦蚀法，浸入法是把抛光洗涤干净后的试样表面直接浸入腐蚀剂中数秒中，擦蚀法是用夹钳将棉花蘸药剂后，在试样表面轻轻擦拭。在一般情况下，试样表面微微发暗和失去金属光泽是蚀透的标志。

对于不同的金属和合金，以及研究的目的不同，所用浸蚀剂和浸蚀程度是不同的，这都要根据具体情况而定。通常对钢铁试样采用4%的硝酸酒精溶液浸蚀就可达到一般所需要的目的。

2、金相显微镜的构造和使用方法

金相显微镜是用于分析金属及合金的显微组织的一种光学仪器，金相显微镜按光学行程和机械系统的不同，可分为台式、立式和卧式三大类。现就我们实验课中所使用到的小型台式金相显微镜为例，简要地介绍金相显微镜的构造。

由于金属不是透明体，因此金相显微镜用照明方法的反射法，不同于一般生物显微镜（透射法），普通台式金相显微镜的外行结构如图5所示。

金相显微镜主要由三部分组成：（注：见图1、2）

（1）机械系统：其作用在于通过转动粗动手轮和微调手轮以调节焦距，在观察者眼中造成一清晰的象，另一方面通过移动载物台，以观察试样上不同部位的组织。

（2）光学系统：主要由目镜和物镜所组成，显微镜放大倍数为目镜和物镜单独放大倍数的乘机，物镜是由许多不同形状的透镜所组成，目镜是由两个平凸透镜组成。

（3）照明系统：由于金属不是透明的，为供给试样照明需要，一般使用垂直照明，其光线行程如图6所示。

金相显微镜的使用步骤：

（1）首先将降压器接通电源（220伏）

（2）将显微镜照明装置与降压变压器接通，使灯泡点亮。

（3）将备好的试样装在载物台上，并用压片压好。

（4）对时转动粗动手轮2，使物镜6渐渐与试样接近（注意不要相碰）。这时从目镜7观察，当看到显微镜的内圆圈0由暗渐渐变亮时，表示快看

到图象，此时应更为缓慢旋动手轮2，在发现图像后，若不够清楚，则需慢慢转动微动手轮3进行调节。

（5）光源亮度不合适，可调节孔径光标栏来达到要求。

（6）显微镜用毕后，先切断电源，然后将插销自变压降压器取下，并把试样拿下，将一切按原样整理好。

三、实验器材

1、台式金相显微镜

2、抛光机

3、吹风机（用冷风吹干试样）

4、各种钢及铸铁试样

5、各号金相砂纸及玻璃板

6、装有酒精及浸蚀剂的小玻璃皿

7、棉花球、夹子、抛光液等

四、实验方法

学生分为两组，一组制作试样，一组了解金相显微镜的构造原理和使用方法，然后轮换。

1、每人领一块试样，按前述方式制作，但暂不浸蚀。

2、用显微镜观察本人所磨制的未经浸蚀的试样表面特征，包括夹杂物，缺陷石墨等。

3、本人所制的试样浸蚀后，再进行观察其显微镜组织。

4、观察立式和卧式显微镜，重点了解主要结构和使用调整。

实验二铁碳合金平衡组织的观察

一、实验目的

1、认识铁碳合金平衡组织的特征。

2、了解含碳量对碳钢组织的影响。

二、理论概述

Fe-Fe3相图的的平衡组织是指碳和白口铸铁冷却后的显微组织，也就是指在一定温度一定成分和压力下，合金处于最稳定状态的组织，要得到这些组织，只有在极缓慢的冷却条件下才可能，一般将碳钢经退火后的组织近似地视为平衡组织。

从Fe-Fe3C相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁在室温时人组织都是由铁素体（F）与渗碳体（Fe3C）这两个基本相组成，但是由于含碳量的不同，Ｆ与Fe3C的数量，释出条件、形状、分布和混合情况也不同，因而便显现出各种不同特征。

1、工业纯铁工业纯铁中实际上有微量的碳（<0.02%）,室温下其显微组织为100%的铁素体单相组织。浸蚀后的纯铁式样，在显微镜下可观察到呈亮白色的铁素体晶粒，含碳量稍高时，可观察到从晶界上析出的三次渗碳体。

2、亚共析钢含碳量＝0.0218～0.77%的铁碳合金，其常温组织为铁素和珠光体，在显微镜下铁素体呈白色，珠光体呈黑色（在低放大倍数下观察时，珠光体的层片组织分辩不出随着含碳量增加，F量会减少而P量增加。

3、共析钢含碳量=0.77%的铁碳合金，其室温组织为100%珠光体，在较大放大倍数下观察时（比如500×），可清晰地看出珠光体的层片组织（形若指纹），当放大倍数更高时（比如850×），可以看到在白亮色的铁素体基体上分布着白亮的条状渗碳体。晶体呈黑暗色，在电子显微镜下，（2500×）此种形状的结构看得最清楚。

4、过共析钢含碳量=0.77%~2.11%的铁碳合金，其室温组织为珠光体和二次渗碳体，二次渗碳体的特征非常明显，在显微镜下呈白色沿晶界网状分布，珠光体的鉴别同前。随着含碳量增加，Fe3C网更粗连接更完整。

5、亚共晶白口铸铁含碳量2.11~4.3%的铁碳合金，其室温组织织比较复杂，由莱氏体、珠光体和二次渗碳体组成，显微镜下，大块暗色为珠光体（呈骨骼状分布），点状组织为莱氏体中的珠光体，白亮基体为渗碳体。

6、共晶白口铸铁含碳量=4.3%的铁碳合金，其室温组织全部为斑点状的莱氏体（在亮白色渗碳体基体上分布着珠光体）。

7、过共晶白口铸铁含碳量=4.3~6.69%的铁碳合金，其室温组织为莱氏体与一次渗碳体。显微镜下可明显的看到在斑点状莱氏体基体上，分布着白亮粗大、条状的一次渗碳体。

三、实验器材

1、金相显微镜

2、标准试样：亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。

四、实验方法

每台显微镜固定放置一种合金相试样，每位实验学生需逐一轮流仔细观察所有试样，并抓住组织特点，尽可能近似地把组织图描绘出来，实验后要整理好实验仪器。