工程材料及成型技术基础。
实验指导书。
郑蓓蓉编。温州大学机电工程学院实验中心。
二零一一年九月。
目录。实验一金相显微镜及平衡组织观察。
实验二热处理、硬度。
实验三冷变形强化及再结晶。
实验一金相显微镜及平衡组织观察。
一、实验目的。
1、了解普通金相显微镜的构造，掌握金相显微镜的使用方法；
2、观察与分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织，了解铁碳合金中的金相及组织组成物的本质、形态及分布特征；
3、学会试样组织示意图的描绘技能。
二、设备和材料。
1、 4xb型台式金相显微镜。
2、 金相放大挂图。
3、 金相试样。
三、概述。利用金相显微镜将专门制备的试样放大100~1500倍来观察研究金属材料的微观组织或缺陷的方法称为金相显微分析法或金相检验。利用显微分析法可以观察和分析金属的微观组织及其特征；测定金属的晶粒大小；测定金属表面镀层和化学热处理渗层的深度；鉴定金属内部非金属夹杂物和其它缺陷的分布情况。
还可以研究材料的化学成分与微观组织的关系等。在许多情况下还能找到金属零件破损失效的原因。因此，显微分析法是研究金属材料中最常用、最重要的一种方法，一般工厂和研究单位均将金相检验作为一项重要技术工作和基本手段。
在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。下面仅对常用光学显微镜作一般介绍。
金相显微镜种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。现以国产4ⅹb型台式金相显微镜为例来说明普通金相显微镜的结构（见图1-1所示）。
图1-1 4ⅹb型金相显微镜外型结构图。
1、金相显微镜主要由三部分构成：
1）光学系统：由物镜、目镜和一些棱镜等光学元件组成。
2）照明系统：由光源、聚光透镜、滤光片、光栏等。
3）机械系统：由支承装置（底座、升降臂、载物台）、镜件部件（物镜转换器、目镜筒等）和调焦装置（粗调、微调手轮、传动箱等）组成。
ⅹb型显微镜的光线行程图：
4ⅹb型金相显微镜的光学系统如图（1-2所示）由灯泡1发出的光线经聚光透镜组2及反光镜8聚集到孔径光栏9，再经过聚光镜3聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样7的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组6和辅助透镜5，由半反射镜4转向，经辅助透镜以及棱镜造成一个试样表面组织的倒立的放大实像，该像再经目镜15的放大，就成为目镜视场中能见到放大映像。
1—灯泡2— 聚光镜组。
3— 聚光镜组； 4— 半反射镜；
5— 辅助透镜； 6— 物镜组；
7— 试样8— 反光镜；
9— 孔径光栏； 10— 视场光栏；
11— 辅助透镜； 12— 棱镜；
13— 棱镜； 14— 场镜；
15— 接目镜；
图1—2 显微镜光学系统图。
3、金相显微镜上主要零部件的作用：
1）物镜：显微镜成像放大的主要部件。它的好坏直接影响显微镜的成像质量。其性能参数有放大倍数，数值孔径、鉴别能力和垂直鉴别能力（也叫景深度）。
2）目镜：作用是将物镜已放大的实像再次放大，从而得到很高的放大倍数，成为可供观察的映像。
3）孔径光栏：作用是控制照明光束的粗细，适当缩小孔径光栏，进入物镜的光束也跟着缩小，可以消除物镜边缘部分引起的球面象差，物象显得清晰；但孔径光栏也不能缩得太小，否则使物镜的孔径角减少，使物镜鉴别率降低，引起组织中微细部分鉴别不清。一般调到试样显微组织映像清晰，光的强度弱以人的眼睛舒适为宜。
4）视场光栏：其作用是改变观察视场的大小，减少镜筒内的反射光与炫光，以提高映像的衬度（黑白差别），它不影响物镜的鉴别能力。
5）滤光片：其作用是使光源发出的白光变为单色光，以降低色差使成像清晰。选用适当颜色的滤光片能得到较短波长的单色光，可提高鉴别能力。常用兰色黄绿色滤光片。
6）垂直照明器（图2—2）中反射镜4和8其作用是将来自显微镜底部的照明光束垂直转向，以照射试样表面；或者将经物镜成像放大后的光束反射至目镜筒内。
7）载物台：用于放置试样，可以前后左右移动，以选择试样的观察位置。
8）物镜转换器：用于安装物镜。一般有三个螺孔，可同时安装三只物镜。观察时旋转物镜转换器，即可方便地更换不同放大倍数的物镜。
9）调焦装置：用来改变试样表面与物镜之间的距离，以获得清晰的图象，这种操作称为调焦。调焦装置分粗调和微调两个手轮，两者都安装在同一根轴上，便于操作。
随粗手轮的转动，支承载物台的弯臂作上下迅速升降，微调作精密调焦，旋转微调手轮，可使物镜缓慢升降。
10）变压器：4ⅹ型金相显微镜的照明光源是6v、15w的低压灯泡，故不能直接接入220v，必须经变压器降压；每台显微镜都配有一只降压变压器，5—6—8v三档电压输出，供显微镜选用，一般宜用6v档。
4、金相显微镜的使用。
1）安装镜头：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，并使转换器转至定位线上固定。以使用物镜对准主光轴。
2）接通电源：显微镜使用的是6v低压灯安装镜头：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，并使转换器转至定位线上固定。
以使物镜对准泡，光源插头插在变压器上。一般观察宜用6v档。
3）放置试样：将观察的试样磨光面朝向物镜，轻轻放在载物台当中圆孔之上。
4）调焦：转动粗调手轮先使载物台下降，同时用眼睛观察，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与试样相碰），然后相反转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再微调手轮调节，直到物像调整到最清晰程度为止。
5）调节孔径光栏：使映像的清晰度最好。
6）调节视场光栏：使其光栏恰好消失于目镜视场之外。
7）选择最佳视场：为了观察试样磨面各个区域的组织情况，或者避开由于试样制备过程中所造成的局部视域的某些缺陷（如磨痕、划伤、腐蚀斑点、水迹等），应左右前后移动载物台，选取试样中最清晰、最有代表性的视场进行观察分析和描绘。
5、维护及注意事项：
1）金相显微镜是贵重和精密的光学仪器，必须严格遵守操作规程，使用前必须仔细熟悉结构及操作规程，方可动手工作。
2）金相室要求干燥、清洁、洗手后方可入内。操作显微镜时，不准口对目镜说话或呵气，以免镜头受潮发霉。不允许在室内削笔或抛纸头。
3）如发现镜头有灰尘、污物时，不得用口吹及用手、手帕、普通纸张去擦，只能用专用的软毛刷或镜头纸轻轻掸去或擦去灰尘等。
4）显微镜的照明灯寿命较短，不观察时应随手拨掉插在变压器上的插头。
5）装卸和调换物镜时，应先转动粗调手轮，拉开载物台与物镜之间的距离，动作要轻稳防止镜头与试样及其其它部件相碰撞。
6）使用完毕，拨掉电源，并盖好显微镜的防尘罩，放好试样方能离开。
四、实验内容。
碳钢和铸铁是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与组织有密切的联系。因此，熟悉并掌握它们的组织的对钢铁材料使用者最基本的要求。
1、碳钢和白口铸铁的平衡组织。
平衡组织一般是指合金在极为缓慢冷却的条件下（如退火状态）所得到的组织。铁碳合金在平衡状态下的显微组织可以根据fe—fe3c相图来分析。从相图可知，所有碳钢和白口铸铁在室温时的显微组织均由铁素体（f）和渗碳体（c）组成。
但是，由于碳质量分数的不同、结晶条件的差别，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均不一样，因而呈现各种不同特征的组织组成物。碳钢和白口铸铁在室温下的显微组织见表2-1。
表1-1 各种铁碳合金在室温下的显微组织。
2、各种相组分或组织的特征。
碳钢和白口铸铁的金相试样经浸蚀后，其组织中各相组分和组织组分的形态和性能如下：
铁素体：铁素体经ω（hno3）=3%~5%酒精溶液浸蚀后，在显微镜下观察呈白亮色多边形晶粒，。随着钢中碳质量分数的增加，铁素体质量分数减少，当其质量分数较多时呈块状分布，碳质量分数接近共析成分时往往呈断续的网状分布在珠光体的周围。
铁素体具有良好的塑性和韧性，但硬度较低，一般为80~120hbs，强度也较低。
渗碳体：渗碳体经ω（hno3）=3%~5%酒精溶液浸蚀后，也呈白亮色。一次渗碳体呈长条状分布在莱氏体之间；二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上；三次渗碳体分布在铁素体晶界处；珠光体中的渗碳体一般呈片状。
铁素体和渗碳体经ω（hno3）=3%~5%酒精溶液浸蚀后都呈白亮色，若用苦味酸钠溶液热浸蚀，则渗碳体被染成黑褐色，而铁素体仍为白色。用此方法可以别铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度为800 hbw，强度、塑体、韧体都很差，它是一个硬、脆相。
珠光体：珠光体是由铁素体片和渗碳体片相互交替排列形成的层片状组织。它经ω（hno3）=3%~5%酒精溶液浸蚀后，其组织中的铁素体和渗碳体都呈白亮色，而铁素体和渗碳体的相界被浸蚀后呈黑色线条。
在600倍以上的显微镜下观察时，珠光体中的片状渗碳体呈白亮色分布在白亮色铁素体的基体上，而其相界是黑色线条。
在200倍以下的显微镜下观察时，由于放大倍数低，难以分辨出哪是铁素体，此时珠光体是一片黑暗，成为黑块的组织。珠光体硬度为190~230hbs，随片层间距的变小，硬度升高。
莱氏体：莱氏体在室温时是珠光体和渗碳体的机械混合物。渗碳体中包括共晶渗碳体和二次渗碳体，两种渗碳体相连在一起，没有边界线，无法分辨开。
莱氏体经ω（hno3）=3%~5%酒精溶液浸蚀后，其组织特征是在白亮色渗碳体基体上分布着许多黑色点（块）状或条状珠光体。莱氏体硬度为700hbs，性脆。它一般在ω（c）>2.
11%的白口铸铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也常出现。
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