《材料科学基础B1》实验指导书

《材料科学基础B》 (《金属学与热处理》)

实验指导书与实验报告

（材成专业）

宁向梅 李 谦 编

河南科技大学工程材料实验教学中心

目录

实验一 金相显微样品的制备及金相显微镜的使用…………………………1 实验二 金属结晶过程及铸锭组织观察………………………………………11 实验三 铁碳合金的平衡组织观察……………………………………………14 实验四 金属的塑性变形与再结晶……………………………………………17 实验五 碳钢的热处理操作及其组织观察……………………………………20 实验六 合金钢组织及钢热加工后显微缺陷的观察…………………………25 实验七 铸铁与有色金属显微组织观察………………………………………29 附录— 硬度计的使用…………………………………………………………33

实验报告……………………………………………………………………… 39 实验一 金相显微镜的构造及使用……………………………………………40 实验二 金相试样的制备………………………………………………………41 实验三 金属结晶过程及铸锭组织观察………………………………………42 实验四 铁碳合金平衡组织观察………………………………………………43 实验五 金属的塑性变形与再结晶……………………………………………45 实验六 碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定…………………………47 实验七 合金钢组织及钢在热加工后显微缺陷观察…………………………49 实验八 铸铁与有色金属显微组织观察………………………………………51

实验一 金相显微样品的制备及金相显微镜的使用

一、实验目的

1、掌握金相显微样品的制备过程和基本方法。

2、了解金相显微镜的基本原理、构造，初步掌握显微镜的正确使用。 3、初步掌握测定金属材料晶粒度的方法。 二、实验内容

1、每个人制备45钢的金相显微样品—块。

2、初步熟悉金相显微镜的基本原理、构造和正确的使用方法，用不同放大倍数观察所制备的45钢的显微组织。

3、用比较法测定工业纯铁的晶粒度。 三、概述

运用金相显微镜观察制备好了的金相试样的组织或缺陷，这种方法称金相显微分析方法。它可以观察、研究金属材料或另件中细小的用粗视分析方法不能观察到的组织及缺陷。进行显微分析的主要工具是金相显微镜。作为金相显微分析用的光学显微镜其放大倍数为几十倍到2000倍，分辨率为2500Å左右。若要观察研究更微小的微观缺陷，则要应用透射电镜、扫描电镜及X光射线技术等分析方法来进行。 (一)金相显微样品的制备 1、取样

①取样部位及磨面(观察面)的选择：根据被检验金属材料或另件的特点、加工工艺及研究目的进行选择。如：

研究另件破裂原因时，应在破裂部位取样，再在离破裂处较远的部位取样，以作比较。

研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表层到中心必须分别截取几个样品。 研究轧材时，如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布，应在垂直轧制方向上截取横向试样；如研究夹杂物的形状、类型、材料的形变程度、晶粒拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧制方向上截取纵向试样。

研究热处理后的另件时，因组织较均匀，可任选—断面试样。若研究氧化、脱碳、表面处理(如渗碳)的情况，则应在横断面上观察。

②试样的截取方法：截取时应保证不使试样观察面的金相组织发生变化；软材料可用锯、车、刨等方法截取；硬材料可用水冷砂轮切片机、电火花切割等方法截取；硬而脆的材料(如白口铸铁)，也可用锤击法获取。

③试样尺寸：以具体情况而定。一般可取高为10～15mm，方形试样边长为15～25m，园柱形试样直径为15～25mm。对于观察表层组织的试样，可采用斜面截取的方法，以扩大表层观察范围。如(图l—1)

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图1—1 斜面截切

2、镶样

一般试样不需要镶样。但试样尺寸过于细小，形状特殊如丝材、薄片、细管等制备样品时非常困难，必须把它镶嵌起来。

镶嵌的方法有低熔点合金镶嵌法、热压镶嵌法的机械镶嵌法等。热压镶嵌法有专门的镶样机，将试样放于电木粉或塑料粒中加热到180℃左右进行热压。由于热压镶嵌时要加一定的温度和压力，这就会使马氏体回火和软金属产生塑性变形等，为避免这种情况，可改用机械镶嵌法，即用夹具夹持试样。 3、磨制

磨制可分为粗磨和细磨两步。

①粗磨：对于软材料可用锉刀锉平，一般材料都用砂轮机磨平。磨砂轮时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平，试样要不断用水冷却，以防温度升高造成内部发生变化。最后倒角，以防细磨时划破砂纸。但对需要观察脱碳、渗碳等表面情况的试样不能倒角，有时还要采用电镀敷盖来防止这些试样边缘倒角。 ②细磨：细磨的方法有手工磨光和机械磨光。 ·

手工磨光是用手拿持试样直接在金相砂纸上进行。金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号几种，细磨时依次从01号磨到05号，一般钢铁试样磨到04号砂纸，软材料如铝、镁等合金可磨到05号砂纸。

磨时必须注意：

A 使磨面与砂纸完全接触，以保证试样磨面平整不产生弧度；

B 每更换一道砂纸，应将试样转90°再磨，使磨制方向与上一道磨痕方向垂直，以便观察前一道磨痕是否被消除。

C 更换砂纸时，应把试样、工作台和手洗擦干净，以免把粗砂粒带到下一道细砂纸上去。

D 磨制软材料时，可在砂纸上涂上一层润滑剂，如机油、汽油、肥皂水等，以免砂粒嵌入软金属内。

由于手工磨制速度慢、效率低，劳动强度比较大，故现在多采用机械磨光的方法。机械磨光在预磨机上进行。预磨机由一个电动机带动一个或两个转盘，转盘分蜡盘和砂纸盘两种，蜡盘就是把混有金刚砂的熔化石蜡浇的转盘上，待凝固车平后装在预磨机上就可使用。可以做成不同粗细的金刚砂的蜡盘，蜡盘磨制的速度快、效率高，在生产检验中大量应用。砂纸盘是把水砂纸剪成园形，然后用水玻璃粘在预磨机转盘上使用。水

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砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号。一般用200号、400号、600号、800号水砂纸依次磨制即可。用蜡盘和砂纸盘磨制时，要不断加水冷却，样品必须掌住，以防飞出伤人。

4、抛光

抛光的目的是去除试样磨面上经细磨后的细致磨痕，使磨面呈光亮无磨痕的镜面。 抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等。 ①机械抛光：

机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。抛光机由—个电动机带动—个或两个抛光盘，转速为200~600转/分。粗抛时转速要高些，精抛或抛软材料时转速要低些。所用抛光材料有抛光布和抛光粉，抛光布蒙在抛光盘上，不同的要求应适当选用不同的抛光布。粗抛时常用帆布、粗呢等，精抛时常用绕布、细呢、丝绸等。抛光粉也称抛光磨料。常用的抛光粉有以下几种： 氧化铝：白色细颗粒，用于粗抛或精抛。

氧化铬：绿色，颗粒极细，用于精抛，硬度很高，常用来抛光淬火后的合金钢等试样，除氧化铬粉外，目前常使用块状的氧化铬抛光膏。。

氧化镁：白色，颗粒极细，用于精抛。由于它本身硬度较低，适合有色金属磨面的抛光。

金刚砂：又称碳化硅，具有较高的硬度，常用于粗抛或做成蜡盘用。

金刚钻粉：具有极高的硬度和良好的磨削作用，抛光软、硬材料都有良好的效果。可用于抛光硬质合金等极硬的材料，价格贵，应用较少。 抛光时注意事项：

A 除抛光膏外，抛光粉都要配成抛光液使用。粗抛用抛光粉的粒度为500～600号(筛目)，精抛用的抛光粉要求选得更细。

B 抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并应使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动。

C 抛光过程中要不断注入适量抛光液。若抛光布上抛光液太多，会使钢中夹杂物及铸铁中的石墨脱落，抛光面质量也不好；若太少，将使抛光面变成晦暗而有黑斑。 D 抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂物产生拖尾现象。 E 为尽量减少抛光面表层金属变形的可能性，整个抛光时间不宜过长，磨痕全部消除出现镜面后，抛光可停止，试样用水冲洗或用酒精洗干净后就要转入浸蚀或直接在显微镜下观察。 ②电解抛光：

由于机械抛光时在试样磨面上将发生“金属流动”，产生表面金属变形层（称拜尔培层），影响金相组织显示的真实性。在光学显微镜下尚能显示出材料接近真实的组织，但在特殊精细的研究中将感到不足，如电子显微镜组织研究与电子衍射结构的研究。 近来电解抛光得到广泛使用。由于电解抛光纯系电化溶解作用，无机械力的影响，不致引起表层金属变形或流动。所以电解抛光的金相试样能显示材料的真实组织。因此硬度低，单相合金，极易加工变形的合金，象奥氏体不锈钢、高锰钢等材料以采用此法

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为宜。电触抛光速度很快，试样对预先磨光操作要求也比较低，效率高。

但电解抛光对于材料化学成分的不均匀性、显微偏析特别敏感，在金属基体与非金属夹杂物处常被剧烈地浸蚀，所以电触抛光现在还不适用于偏析显著的金属材料（铸造偏析、轧制偏析）、铸铁及作夹杂物检验的金相试样，

把试样放人电解液中，接通试样(阳极)与阴极间的电源，在一定条件下，可以使试样磨面产生选择性的溶解，逐渐使磨面变到光滑平整。

电解抛光有专用的电解抛光仪，使用时可按仪器使用说明进行。

化学抛光是靠化学试剂的溶解作用，得到光亮的抛光表面，操作简便，成本低廉。 抛光时将试样浸在合适的抛光液中，进行适当搅动即可。或用棉花沾取化学抛光液，在试样磨面上来回擦动即可。化学抛光兼有化学浸蚀的作用，能显示金相组织，因此试样经化学抛光后可直接在显微镜下观察。化学抛光对试样磨面原来光洁度要求不很高，它只能做到试样表面光滑的、起伏的波形。但在较低放大倍数下并不妨碍金相组织的观察。

5、金相组织的显示：

除观察试样中某些非金属夹杂物及铸铁中的石墨等外，金相试样磨面经抛光后，一般还要用化学、物理等方法进行组织显示才能观察。 ①化学侵蚀

利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织。

纯金属及单相合金的浸蚀系一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列的规律性差，具有较高的自由能，所以晶界处较易侵蚀而呈沟壑。若浸蚀较浅，则在显微镜下可显示出纯金属或固溶体的多面体晶粒。(图1—2)若浸蚀较深，则在显微镜下可显示出明暗不一的晶粒，这是由于各晶粒位向不同，溶解速度不同，侵蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直线照射下，反射光线方向不同，显示出明暗不一。

图1—2 纯金属及单相合金化学浸蚀时各阶段的情况

二相合金的浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组织相是有不同的电位，在浸蚀剂（即电解液）中，形成极多的微小的局部电池。较高负电位的一相成为阳极，被迅速

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溶入电解液中，逐渐凹下去，而较高正电位的另一相成为阴极，保持原光滑平面，在显微镜下可清楚显示出两相。

多相合金的浸蚀，也是一个电化溶解过程。其方法有：

A 选择浸蚀法，即选用几种合适的浸蚀剂，依次浸蚀，使各相均被显示、 B 薄膜浸蚀法，浸蚀剂与磨面各相起化学反应，形成一层厚薄不均匀的氧化膜层(或反应产物的沉积)，在白色光的照射下，由于光的干涉现象，使各相出现不同色彩而显示组织。

各种化学浸蚀剂可在表1—3中查到。

腐蚀的步骤是：将已磨光的样品(样品磨光后不要用手去摸表面，以免沾上油污)， 用水冲除抛光粉，用酒精洗去残余，然后用棉花球沾取腐蚀剂，在样品表面涂抹一定时间，然后用水冲洗干净，用干净毛巾沾干表面上的水．或用电热吹风机吹干，即可用于显微分析。为了长久保存经腐蚀后的显微样品，需在试样表面涂上——层保护膜，常用的有指甲油或纤维漆加香蕉水。 ②电解浸蚀：

与电解抛光类似，只是工作电压与工作电流比电解抛光时要小。由于各相之间和晶粒与晶粒之间的析出电位不一致，在微弱电流的作用下各相的浸蚀深浅不一样，故显示出组织。

除以上显示方法外，还有几种金相组织特殊显示法，如热染、热蚀、阴极真空显示法、磁性组织显示法等等，不一一介绍了。 ．(二)金相显微镜的基本原理、构造及使用 1、金相显微镜的基本原理

显微镜的基本原理如图1—3所示的光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。 物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜组成物镜Ol，对着眼睛的一 组透镜组成目镜O2。物镜、目镜都各由复杂的透镜系统组成。

图1—3 显微镜光学原理图

物镜使物体AB形成放大的倒立实像AB，目镜再把AB放大成仍然倒立虚象A”B”，其位置正好在人眼的明视距离处，即距人眼250mm处。我们在显微镜目镜看

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，

，

，

，

到的就是这个虚象A”B”。 显微镜的主要性能有：

①显微镜的放大倍数：显微镜的放大倍数可由下式决定： M＝M物×M目＝－

Lf物Df目

M――显微镜的放大倍数 M目—目镜的放大倍数 M物——物镜的放大倍数 D——明视距离250mm

f物f目——目镜的焦距 一—物镜的焦距 、

f目 L——显微镜的光学镜筒长度

f物越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。在使用时，显微镜的放大倍数为

物镜和目镜的放大倍数的乘积，有的小型显微镜的放大倍数需要乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短。

②显微镜的鉴别率：显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辩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0.15—0.30mm，即人眼的鉴别率d为0.15—0.30mm，而显微镜当其有效放大倍数为1400倍时其鉴别率d为0.21×103mm，d值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计算出来：

－

d2A

λ——入射光线的波长 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。光源 的波长可通过滤色片来选择。兰光的波长(λ=0.44μ)比黄绿光(λ=0.55μ)短，所以鉴别率较黄绿光大25％，当光源的波长一定时，则通过变化A来调节显微镜的鉴别率。

③景深：即垂直鉴别率，反映显微镜对于高低不同的物体能清晰成象的能力。 景深＝

17Msin12nsin  M——放大倍数 θ一—孔径角 λ——波长 n――折射率

放大倍数或数值孔径越大，景深越小，在进行断口分析时，若景深太小，则对断口上凹凸不平的浮雕难以同时有清晰的图象。

④物镜的数值孔径：数值孑L径表示物镜的集光能力。 A=nsinΨ A——物镜的数值孔径

N――物镜与试样之间介质的折射率 Ψ——物镜孔径角的一半(图l—4)

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n越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大。由于Ψ总是小于90°，所以在空气介质(n＝1)中使用时，数值孔径A—定小于I，这类物镜称干系物镜。当物镜-与试样之间充满松柏油介质（n＝1.52）时，A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）。每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。

⑤放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系，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45倍的物镜乘10倍的目镜或者15倍的物镜乘30倍的目镜都是450倍。对于同一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢?首先确定物镜，根据计算，选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜值孔径的500倍到1000倍之间，即： M=500A～1000A

这个范围称有效放大倍数范围。若M<500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若M>1000A，则形成“虚伪放大”，细微部分将分辩不清，待物镜选定后，再根据所需放大倍数选用目镜。 ⑥透镜形成缺陷

A球面象差，当来自A点的单色光(即—定波长的光线)通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，则使放大后的象模糊不清。此现象称为球面象差。 降低球面象差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外，在使用显微镜时也可采取调节孔径光栏，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积的办法把球面象差降低到最低限度。

B．色象差，白色光是由七种单色光组成的。当一束来自A的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折射率不同，使光线折射也不能交于一点。紫光折射最强，红光折射最弱，结果也使成象模糊不清，此现象称为色象差。

消除色象差的办法，一是制造物镜时进行校正，根据校正程度，物镜可分为消色差物镜和复消色差物镜。消色差物镜常与普通目镜配合，用于低倍、中倍观察，复消色差物镜与补偿目镜配合用于高倍观察。二是使用滤色片得到单色光，常用的黄色或绿色滤色片。

2、金相显微镜的构造

金相显微镜可分为台式、立式和卧式三种类型，各种类型又有许多不同的型号，虽然它们的型式极多，但基本构造大致相同。现以上海光学仪器厂制造的XJB—I型金相显微镜为例来介绍显微镜的构造。 (1)照明系统(图1—5)

由灯泡1发出的一束光线，经聚光镜组2→反光镜7→孔径光阑8→聚光镜组3→物镜6→样品表面，光线经样品表面反射后，经物镜6→补助透镜5→半反射镜4→补助透镜10→棱镜11、12-→物镜13→目镜14，最后进入观察者眼睛内。

其中孔径光栏可以控制入射光束的粗细。当孔径光栏缩小时，进人物镜的光束变细，球面象差降低，成象较清晰。但同时由于进入物镜的光束变细，使物镜的孔径角缩小，

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因而实际使用的数值孔径值下降、鉴别率降低。相反当光栏张大时．鉴别率提高，但球面象差增加以及镜筒内部反射和内弦的增加，将使成象质量降低，，孔径光栏在使用时必须做适当的调节，以观察成象清晰时为适度。注意不要把孔径光栏作用调节视场的亮度使用。

图1-5 显微镜照明及光学系统示意图

视场光栏用来调节观察视场的大小。适当调节视场光栏可以减少镜筒内光线反射的炫光，提高成象的衬度，而对物镜的鉴别率没有影响。

滤色片：在进行金相摄影时，往往使用滤色片，可以增加金相照片上组织的衬度，得到较短波长的单色片．可提高鉴别率。配合消色差物镜，可有效地消除色象差。 （2）光学系统：主要是物镜和目镜。表1-1

表1-1物镜和目镜

光学系统 干燥系统 干燥系统 油浸系统 放大倍数 5× 10× 15× 放大倍数 3× 45× 100×

数值孔径 0.25 0.63 1.25 焦距(mm) 50 25 16.7 焦距(mm) 19.96 4.12 1.93 工作距离(mm) 9.00 0.50 0.18 物镜消色差 目镜惠更斯

视场直径(mm) 20 14 9.5 物镜，物镜有消色差物镜、平面消色差物镜、复消色差物镜等几种。物镜的主要性能包括放大倍数、数值孔径、鉴别率、景深等。物镜的类型、族大倍数(或焦距)，数值

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孔径等通常刻在物镜的金属外壳上，油浸物镜用“01”、“H1”或“oil”等表示，另在黑圈标记。放大倍数有以8×。45×、100×号表示。也有以焦距来表示的，如F=8.16，F=2.77等，焦距越短，放大倍数越高。以焦距表示物镜与目镜配合后的放大倍数可查显微镜的附表。

物镜上刻有45×／0.65“∞”或“0／∞”等符号。其中45×号表示放大倍数，0.65表示数值孔径，“∞”或“0／∞”表示此物镜是按无限镜筒长度设计的，XJB—l型金相显微镜备有8×(干系)，45×(干系)及100×(油系)，三个物镜。

目镜，目镜有普通目镜、补偿目镜、测微目镜、照相目镜等等，目镜的类型、放大倍数等刻在目镜的金属外壳上。普通目镜与消色差物镜配合使用。补偿目镜带“K\"字标记，与复消色差物镜配合使用。补偿目镜不可与消色差物镜配合使用。测微目镜内附有细微标尺，可测量金相组织中如晶粒大小、石墨长短、表面脱碳层厚度以及显微硬度压痕等等，照相目镜在进行金相摄影时使用。XTB—1型金相显微镜备有5×、10×、15×三个目镜。

显微镜在使用时可根据所需要的放大倍数选择合适的物镜和目镜。(表1-2)有显微镜(如蔡司Epinost小型金相显微镜)由于其镜筒长度较一般显微镜短些，在计算放大倍数时要乘上一个系数，即M=KM物M目，，系数K称镜筒系数，刻在镜体上。

表l一2 放大倍数

物镜 目镜 5× 10× 15× (3)机械系统

粗调焦手轮、细调焦手轮：调节物镜与试样表面距离，以得到最清晰的图象。 载物台，载放样品，可以用手在水平面各方向上自由移动，以便观察样品的适当部位。

目镜转换器：可以方便地更换不同倍数的目镜，并保证使视场区域保持在观察范围内。

底座：为整个显微镜的支撑部件，并可安装金相摄影装置。 XJB－1型金相显微镜备有照相装置，需要时可将其装上进行拍摄。 3、金相显微镜使用注意事项：

金相显微镜是贵重的精密的光学仪器，在使用时一定要自觉遵守实验室的制度和必要的规定：

①初次操作显微镜前，应首先了解显微镜的基本原理、构造、各主要附件的作用、位置等，并了解显微镜使用注意事项。

②金相样品要干净，不要残留有酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜的透镜。不能用手摸透镜，擦透镜要用擦镜头纸。

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8× 40× 80× 120× 45× 225× 450× 675× 100× 500× 1000× 1500×

③照明灯炮电压，—般为6V、8V。必须通过降压变压器使用，千万不可将其直接插入220V电源，以免烧毁灯泡及发生触电事故。

④操作要细心，不得有粗暴和剧烈的动作。安装、更换镜头及其它附件时要小心，不得摔在地上或桌上。

⑤调焦距时要避免物镜与样品接触。应先将载物台下降，使样品尽量靠近物镜(不能接触)，然后用眼从目镜中观察，先用双手旋转粗调焦手轮。使载物台慢慢上升，待看到组织后，再调节细调焦手轮，直到图象清晰为止。 ⑥使用中出现故障立即报告老师，不得私自处理。

⑦使用完毕，关闭电源，把镜头与附件放回附件盒，把显微镜恢复成使用前状态。 认真填写使用登记本，经老师检查无误后方可离开实验室。 四、方法指导 1、实验材料及设备：

①45钢试样(Φ10×15)每人一块 ②制备好的纯铁试样 ③各号金相砂纸 ④金相试样预磨机 ⑤抛光机

⑥腐蚀剂，4％酒精 ⑦棉花球、夹子、电热吹风机 ⑧金相显微镜 ⑨标准晶粒度级别 2、实验步骤：

①用机械抛光法及一般化学浸蚀法制备金相显微样品。每人领取由实验室准备的45钢试样一块，认真听老师讲解金相显微样品的制备过程，按照样品制备程序进行操作。要求制备出一块在金相显微镜下观察无磨痕、组织清晰的45钢金相样品。

②认真听取老师讲解金相显微镜的原理、构造和使用注意事项，了解显微镜各部件的位置、作用，熟悉显微镜的操作规程，正确选用物镜和目镜、进行光栏调节，调焦等操作。

③用金相显微镜观察自己制备的45钢试样，画下组织图，标明材料名称，热处理工艺，组织、放大倍数、腐蚀剂等项。本次实验所用的45钢试样为退火状态，组织为珠光体(黑色)+铁素体(白色)。

④用比较法测定由实验室已制备的工业纯铁试样的晶粒度，画下组织图，标明材料名称，热处理工艺，组织、放大倍数、腐蚀剂，晶粒度等项。纯铁试样为退火状态，组织为铁素体+三次渗碳体(极少量，可忽略)，腐蚀剂为4％酒精。 五、实验报告

1、简述实验目的、实验内容。

2、简述金相显微样品的制备过程(仅为机械抛光法及一般化学浸蚀法) 3、按照实验步骤中③、④的要求，画下45钢和工业纯铁的组织图。

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4、回答所列问题。

实验二 金属结晶过程及铸锭组织观察

一、实验目的

l、观察盐类及金属的结晶过程： 2、根据凝固条件分析铸锭组织。 二、实验内容 ·

l、观察氯化铵饱和溶液及银晶体的结晶过程。 2、观察分析不同凝固条件所得的纯铝铸锭的宏观组织 三、概述

结晶过程包括晶核的形成和长大两个过程。其中晶体的长大过程可以观察，而晶核的大小不能用肉眼观察到，所以实验中只能见到正在长大的晶体，而它最后形成一个晶粒。

晶粒的形状及大小，根据冷却条件及其他因素不同可以是各种各样的，金属及盐类最常见到的晶体形状是树枝状晶体，又称枝晶。

用生物显微镜可以直接观察透明盐类(如氯化铵、氯化钠、铅、银等)的结晶过程。

在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，就可以放在生物显微镜下观察它的结晶过程。随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，由于液滴边缘处最薄，因此蒸发得最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。

结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体，这是由于液滴外层较薄，蒸发很快，在短时间内产生了大量晶核之故。

结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里的，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的，带有方向性的柱状晶。

结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中心此时也变得较薄，蒸发出较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的核晶组织。

由以上叙述可以看出，盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程与组织很相似。

金属是不透时的，因此一般不能用显微镜来观察液态金属的结晶过程。但是金属凝固后可以将铸锭沿纵剖面或横剖面切开，经过磨制和浸蚀后就可以分析它的组织和形成过程。另外，我们也可以利用化学中的取代现象来观察金属晶体的生长过程。例如：在银的水溶液中放人一小段细铜丝，铜将开始溶解，而银则沉淀出来，其反应如下：

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Cu+2AgN03＝2Ag+Cu(NO3)2

又如在铅的水溶液中放入一小块锌，则铅将沉淀出来，其反应式为：

Zn+Pb(NO3)2＝Pb＋Zn（NO3)2：

如果在生物显微镜下观察，则可以看到银(或铅)的枝晶的生长过程。需要说明，金属的结晶是在液态金属冷却的过程中进行的，当具有—定的过冷度时，金属就开始结晶。而所观察的氧化铵和金属银的沉淀枝晶都是在室温下进行，它们结晶显然不是依靠过冷度。氧化铵是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶．银则是化学取代反应中被取代出来的金属进行沉聚而得到枝晶。虽然有上述差别，但我们可通过这个实验看到晶体成长的共同特点，即以枝晶的形式长大。

纯金属只在铸锭的表面，特别是缩孔处，可以很清楚地看到枝晶组织，而在铸锭内，只能看到外形不规则的晶粒。在铸造状态的合金中，由于晶内偏析或结晶顺序的不同，在合金的内部可以用显微镜看到金属结晶的枝晶组织。

铸锭的结晶过程及其组织与模子的种类和予热温度，以及浇铸温度，过热温度，变质处理条件等因素有关。改变模子的材料也就改变了金属的冷却条件，例如金属模可以比砂模获得更大的柱状晶区。如果将模子予热，其实质是降低了冷却速度，予热温度越高，等轴晶区也越大。

改变金属的浇铸温度对结晶过程也有影响。当液态金属过热越多时，浇铸后沿铸锭截面的温度差也就越大，使其到达结晶温度所要排除的热量也就越多，因此在足够的时间使柱状晶发展。

通过加入一定的变质剂进行变质处理，能够增加结晶时的核心数。因此在其它条件相同时，可以得到细小的晶粒。不同纯度的金属，由于其非自发核心数．目不同，结晶后的晶粒粗细也不同。但是如果液态金属过热程度越大，将使非自发核心数目减少，因此得到粗大的柱状晶粒。 四、方法指导 (1)实验材料及设备 1、氯化铵、银溶液 2、清洁的玻璃板、玻璃棒 3、铜丝

4、不同铸造条件(表2—1) 下纯铝铸锭的结晶组织一套。 5、生物显微镜或幻灯机 (2)实验步骤

1、观察氯化铵溶液的结晶过程

用玻璃棒或毛笔引一小滴已配好的氯化铵水溶液到玻璃片上，用生物显微镜或将玻璃片放在幻灯机上，对准焦距进行观察。

注意，液滴不应太大，否则蒸发太慢，不容易结晶。另外还要注意清洁，不要让外界物质落人液滴而影响结晶的过程。在使用显微镜时，应注意防止液滴流到试样台或显微镜的其他部分，尤其不能让液滴碰到物镜。

2、将一小滴银溶液放在玻璃片上，并将此玻璃片放在生物显微镜的试样台上，

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调好焦距后，将一小段细铜丝放在液滴上，随即观察银晶体的生长过程。 3、分析比较下列（表2－1)条件铸造后所得的纯铝铸锭的宏观组织。 表2-1 试样号 浇铸温度C 铸 型 其它条件 1 780 － 2 700 － 3 700 － 4 850 砂模 － 5 850 热砂模 － 6 850 铁模 － 7 850 铁模 拌搅 8 850 铁模 加Ti 热砂模 冷砂模 铁模 五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》。

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实验三 铁碳合金的平衡组织观察

一、实验目的

1、识别碳钢和白口铁平衡组织的特征；

2、牢固建立铁碳合金中成分、组织和性能之间的变化规律； 3、应用杠杆定律估算碳钢中的含量。 二、实验内容

观察、分析表3—1所列碳钢的白口铁的组织。然后画下组织示意图 表3—1 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 三、概述

根据铁碳合金状态图，铁碳合金随着含碳量及加热温度的变化，可出现十几种不同的固态组织，其中，奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体是最常遇到的基本组织，它们对确定碳钢和白口铁平衡状态（退火）和*衡状态（正火）的组织和性能具有实际意义。

1、铁碳合金的基本组织及特征

①奥氏体(A)：碳溶解在r-Fe中的间隙固溶体。它的最大溶碳量为2.11％，碳钢中奥氏体仅能在高温下(在于723℃)存在，在高温金相显微镜下可观察到。而在某些高合金钢，也称奥氏体钢中(如高锰钢，18—8不锈钢)，由于含有大量扩大γ相区的元素，才能在室温下观察到，此外碳钢在合金钢的淬火后有时还保留部分奥氏体至室温。 碳钢中的高温奥氏体组织，在光学显微镜下呈多边形晶粒，其晶粒内部往往出现平

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样品名称 工业纯铁 0.20％碳钢 0.45％碳钢 0.80％碳钢 1.2％碳钢 未知碳钢 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 腐蚀剂 4％酒精 4％酒精 热苦味酸钠酒精 4％酒精 显微组织 F F+P F+P P(用两种放大倍数) P+Fe3Cll P+Fe3CⅡ(黑色) P+F P+Fe3CⅡ+LdLd‘ ‘ Fe3CⅠ+Ld

行的孪晶带，由于加热和冷却过程中所产生的热应力使奥氏体发生塑性变形所致， 奥氏体硬度较低，约为HBl70—220，塑性好，所以钢在压力加工时，都要加热到形成奥氏体温度。

②铁素体(F)：碳溶解在o—Fe中的间隙固溶体；它的溶碳量随着温度的改变而变化，其最大的溶碳量在723℃为0.02％。

经3～5％酒精溶液浸蚀后呈白亮的多边形晶粒，黑色网是晶粒边界。重浸蚀后晶粒呈现明暗不同的颜色，这是由于各晶粒的位向不同，显示出各晶粒具有不同的耐腐蚀性。亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体量增加而铁素体量减少，当铁素体量多时，它呈块状分布，而当钢的含碳量接近共析成分时，F在P的边界上呈网状分布。

铁素体硬度低；一般为HB80—120，强度也较低。但塑性和韧性都好，所以低碳钢是适合作为冷冲压材料。

③渗碳体(Fe3C)：是铁和碳的一种化合物，含碳量为6.67％，在铁碳合金中，当碳含量超过其溶解度时，多余的碳就以Fe3C出现。

渗碳体的抗腐蚀能力较强，经3～5％酒精溶液浸蚀后呈白亮色。Fe3CⅠ直接从液体中析出，呈粗大条状分布在莱氏体中，Fe3Cll由奥氏体中析出，由于量少而沿奥氏晶界析出，随后奥氏体变成珠光体，故Fe3Cll呈网状分布在P的边界上。

渗碳体的硬度很高，HB达800，它是一种硬而脆的相，所以强度、塑性都很差。故单纯Fe3C或以Fe3C为基体的铁碳合金没有实用价值，只有在铁素体基体上配合适量渗碳体才可用。

④珠光体（P）：它是铁素体和渗碳体两相的机械混合组织。是由高温奥氏体冷却到723℃发生共析反应所得的F和Fe3C交替形成的层片状组织。经3～5％酒精浸蚀后，在低的倍数下观察，其中铁素体与渗碳体无法分辩，呈现黑色云状，在中等倍数下观察，片状珠光体中铁素体呈白亮色，而渗碳体呈黑色条纹状这是因为在片状珠光体中铁素体片宽。当倍数很高下，铁素体和渗碳体片状形态都能真实地反映出来，如图3—1，渗碳体和铁素体都保持成平面，由于前者不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外，但在两者接界处，由于浸蚀时电化学作用较剧烈产生凹陷在直射下光线被散射而呈黑色。

片状珠光体硬度为HBl90～230，随片层间距的变小而硬度升高。

⑤莱氏体(Ld)：它是一个两相共晶组织。在723℃以

上是奥氏体和渗碳体共晶的机械混合物。在723℃时，莱氏体中奥氏体发生共析反应，而变成珠光体，所以室温下所观察的莱氏体组织是渗碳体+珠光体的机械混合物，渗碳体中包括共晶Fe3C和Fe3Cll，但由于连在一起而分辨不开，经3～5％酒清浸蚀后，Ld的组织特征是在白亮色Fe3C基体上分布着许多黑色点状或条状的P。

莱氏体与珠光体不同在于前者在渗碳体的基体上分布着珠光体，后者是在铁素体基

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体上分布着渗碳体。

莱氏体硬度很高达HB700，性脆，它一般存在含碳量大于2.11％的白口铁中，在某些高碳合金钢的铸造组织中也会出现。 2、铁素体与渗碳体的区别

铁碳合金平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。F和Fe3C经3～5％酒精溶液浸蚀后均呈白亮色，有时为了区别晶界网状铁素体和渗碳体，可选用染色剂着色，通常用碱性苦味酸钠水溶液(2克苦味酸、25克氢氧化钠、100毫升水)煮沸15分钟，渗碳体被染成黑色，铁素体仍为白色。由此可区别F和Fe3C，这说明同一-组织不同的浸蚀剂浸蚀可显示不同的特征。 3、亚共析钢的含碳量估算：

亚共析钢平衡组织为铁素体+珠光体。已知珠光体平均含碳量为0.8％，如果忽略铁素体中的含碳量(723℃0.02％C到室温0.006％的变化)。根据杠杆定律，从显微镜下观察到珠光体面积百分数乘上0.8％即为碳钢的含碳量。如显微组织中珠光体面积百分数约占75％，则该试样含碳量约为75％×0.8＝0.6％。 四、实验程序

1、对表3—1中列举的一系列样品进行细致的观察，研究每一个样品的组织特征，并联系铁碳状态图了解其组织形成过程。注意含碳量与金相组织之间的关系。 2、待认识了各组织之后，抓住特征，描绘每个样品显微组织的示意图。

3、仔细阅览碳钢与白口铁的金相图谱。 4、选择一个亚共析钢样品进行含碳量的估算。 五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》

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实验四 金属的塑性变形与再结晶

一、实验目的：

1、了解显微镜下滑移线，变形与孪晶与退火孪晶特征。 2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化。 3、讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。 二、实验内容

1、观察纯铝片冷变形滑移线，纯锌的变形孪晶、α黄铜的退火孪晶。 2、测量工业纯铁经冷变形(0％、20％、40％、60％)后的硬度，观察其组织。 3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小‘。 三、概述

1、显微镜下的滑移线与变形孪晶

当金属以滑移和孪晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。我们之所以能看到滑移线(叫滑移带更符合实际)是因为晶体滑移时，使试样的抛光表面上产生高低不一的台阶所致。滑移线的形状取决于晶体结构。有直线形的，有波浪形的，有平行的，有相互交叉的，显示了滑移方式的不同。变形量愈大，滑移线愈多，愈密。 在密排六方结构中，常可看到变形孪晶，这是因为此类金属结构难以变形。孪晶可以看到是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的孪生部分相对于晶体的其余部分产生了位向的改变。由于位向不同，孪晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜下孪晶区是一条较浅或较深的带。在不同的金属中，变形孪晶的形状也不同，例如在变形锌中可看到孪晶变形区域，其特征为竹叶状，α—Fe则为细针状。除变形孪晶外，有些金属如α黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的孪晶带，这类孪晶称为退火孪晶。

滑移和孪晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量塑性变形。如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。制备孪晶试样时，是先经过塑性变形，然后再抛光腐蚀。可见，①对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到而孪晶只有在磨光腐蚀后才可看出。②滑移线经再次磨光即消失，而孪晶在样品表面磨光腐蚀后仍然保留着。滑移线和磨痕的区别在于前者是不是会穿过晶界的。 2、冷变形后金属的显微组织与机械性能

冷加工变形后，晶粒的大小，形状及分布都会发生改变。晶粒沿外力方向被拉长(或缩短)，当变形很大时晶界已不明显，这时已分不出一颗颗的晶粒，看到的只是纤维状组织。

在变形过程中，由于滑移面的转动及晶粒的破碎、晶格弯扭造成临界切应力的提高， 均使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象，故随着变形度的增加，金属的强度均增高。

3、冷加工变形后金属在加热时的变化

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金属经变形后其组织处于不稳定状态，因而在随后加热过程中，进行回复，再结晶及晶粒长大三个过程，，冉结晶退火后金属被软化，即加工硬化被消除，再结晶后金属的机械性能取决于晶粒大小，而晶粒大小则受予先冷变形和再结晶退火温度所控制。 变形度对再结晶后晶粒大小的影响，特别显著。当金属的变形度越大时，再结晶后的晶粒越小。金属有一个能进行再结晶的最小变形度，此时可得到最大的晶粒。这个变形度叫临界变形度(铝约为2％)。低于这个变形度，金属不会发生再结晶。

当变形度一定时，加热温度越高，再结晶进行得越快，再结晶后形成的新晶粒也越大。

四、方法指导 1、实验材料及设备

①抛光的纯铝片——观察其滑移线。

②常温下变形度为10％的锌试样——观察变形孪晶。

③变形度为40％的。黄铜经750℃退火30分钟——观察退火孪晶。

④变形度为9％、20％、60％的工业纯铁试样一套，研究冷加工变形后性能的变化(测定硬度)。

⑤尺寸为140×12×0.5mm铝片五根，研究变形度对再结晶后晶粒大小的影响。 ⑥金相显微镜 ⑦手动拉伸机 ⑧加热炉 ⑨布氏硬度计 2、实验程序和步骤

实验前仔细阅读附录四，预习布氏硬度计的原理、构造、操作。

(1)把经抛光的纯铝片，装在手动拉伸机上并置于显微镜下，当缓慢进行拉伸时就可以从显微镜内看到，逐渐出现一些变形痕迹——滑移线；继续拉伸时，滑移线的数量和宽度不断增加，由于滑移线一般不能越过晶界，因而晶界被逐渐显露出来。 (2)观察锌的变形孪晶，α黄铜退火孪晶的特征。

(3)测定工业纯铁冷变形(0％、20％、40％、60％)试样的硬度，并观察其组织。 (4)测定变形度不同的纯铝片经退火后晶粒大小，建立“变形度与再结晶晶粒大小”曲线；

①五人一小组，一人一根纯铝片。

②用软铅笔在试片中部划出l00mm长度的计算距离。 ③试片二端打上编号，编号顺序见表4—1。 表4—1

试样编号 要求变形度％ 变形后的计算长度为（mm） 1 1 101 2 3 103 3 6 106 4 9 109 5 12 112 ④在拉伸机上分别将试样拉到所要求的尺寸。

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⑤变形后的试样，全班集中起来，—起放人550℃的马弗炉内加热，保温30分钟， ⑥试样冷却后(可以水冷)进行宏观腐蚀，以显示晶粒大小。 ⑦数出一平方厘米的晶粒数（n)，并计算晶粒大小(a)。

用l：1的盐酸溶液浸蚀，当能清楚地用肉眼看到晶粒时，即可用水冲洗。 ⑧从所得a即可作出“变形与再结晶晶粒大小”关系曲线。 五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》

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实验五 碳钢的热处理操作及其组织观察

一、实验目的

1、了解碳钢热处理操作。

2、研究淬火温度、淬火冷却速度、回火温度对45和T12钢的和性能（硬度）的影响。

3、观察热处理后钢的组织。 4、学会洛氏硬度计的使用。 二、实验内容

l、45和T12钢试样淬火、回火操作，用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度。工艺规范见表5—1。

2、观察表5—2所列样品的显微组织。

3、观看幻灯片或金相图册，熟悉钢热处理后的典型组织，上贝氏体，下贝氏体、片状马氏体、条状马氏体、回火马氏体等的金相特征。 三、概述

1、淬火、回火工艺参数的确定。

Fe-Fe3C状态图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。热处理工艺参数主要包括加热温度，保温时间和冷却速度。 (1)加热温度的确定： ．

淬火加热温度决定钢的临界点，亚共析钢，适宜的淬火温度为Ac3＋30～50℃，淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。如果加热温度不足(过共析钢，适宜的淬火温度为Acl以上30～50℃，淬火后的组织为马氏体＋二次渗碳体(分布在马氏体基体内呈颗粒状)。二次渗碳体的颗粒存在，会明显增高钢的耐磨性。而且加热温度较Acm为低，这样可以保证马氏体针叶较细，从而减低脆性。

回火温度，均在Ac1以下，其具体温度根据最终要求的性能(通常根据硬度要求)而定。

(1)加热、保温时间的确定： ·

加热、保温的目的是为了使零件内外达到所要求的加热温度，完成应有的组织转变。加热、保温时间主要决定于零件的尺寸、形状、钢的成分、原始组织状态，加热介质、零件的装炉方式和装炉量以及加热温度等。本实验用园形薄片试样，在马福电炉中加热，加热温度在800～900℃之间，按直径每毫米保温一分钟计算。

回火加热保温时间，应与回火温度结合起来考虑，—般来说，低温回火时，由于所得组织并不是稳定的，内应力消除也不充分，为了使组织和内应力稳定，从而使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，所以回火时间要长—些，不少于1.5～2小时。高温回火时间不宜过长，过长会使钢过分软化，有的钢种甚至造成严重的回火脆性，一般在0.5～1小时。本实验淬火后的试样分别不同温度回火(见表5－2)，保温时间均在1小时内。

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(3)冷却介质：

冷却介质是影响钢最终获得组织与性能的重要工艺参数，同一种碳钢，在不同冷却介质中冷却时，由于冷却速度不同，奥氏体在不同温度下发生转变，并得不同的转变产物。淬火介质主要根据所要求的组织和性能来确定。常用的介质有水、盐水、油、空气等。对碳钢而言，退火常采用随炉缓慢冷却，正火为空气中冷却，淬火为在水或盐水中冷却，回火为空气中冷却。 3、基本组织的金相特征

碳钢退火、正火后可得到平衡组织，淬火后则得各式各样的不平衡组织，这样，在研究钢热处理后的组织时，不仅要参考铁碳状态图和C一曲线，而且还要熟悉以下基本组织的金相特征。

①索氏体：是铁素体与片状渗碳体的机械混合物。片层分布比珠光体细密，在高倍(700×左右)显微镜下才能分辩出片层状。

②屈氏体：也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物。片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无法分辩，只能看到黑色组织如墨菊状。当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体。当析出量较多时，则呈大块黑色晶粒状。只有在电子显微镜下观察才能分辩其中的片层状。

层片愈细，则塑性变形的抗力愈大，强度及硬度愈高，另一方面，塑性及韧性则有所下降。

贝氏体，从金相形状看，贝氏体主要有三种形态，即羽毛状上贝氏体和针状下贝氏体、粒状贝氏体。

(a)上贝氏体基本特征：条状铁素体大致平行排列。在铁素体条间分布与铁素体条轴相平行的条状渗碳体。同时铁素体条内有较高的位错密度。

在上贝氏体中，渗碳体条间距决定于铁素体条的宽度，通常经珠光体的片间距大，且渗碳体的分布是断断续续的。

上贝氏体的强度较低，同时由于在铁素体条间存在着狭长的碳化物沉淀，使条间易于断裂，故生产中应尽量避免这一组织产生。

(b)下贝氏体：是黑色针状，有一定取向，比淬火马氏体易腐蚀，极相似于回火马氏体。

下贝氏体组织特征：针状铁素体内沉淀有碳化物，碳化物的取向与铁素体的长轴成55～60°。

(c)粒状贝氏体：在低中碳合金中，特别是连续冷却时(如正火、热扎空冷或焊接热影响区)往往出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。其形成温度在中温转变区的较高温度。是由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。岛状组织刚形成时为富碳奥氏体，随后的转变可以有三种情况：分解为铁素体和碳化物；发生马氏体转变；仍然保持为富碳的奥氏体。

④马氏体：所谓马氏体就是碳在α－Fe中的过饱和固溶体。马氏体组织形成按其碳含量的高低分为两种，即板条状马氏体和片状马氏体。

(a)板条状马氏体：一般低碳钢和低碳合金钢淬火后得到板条状马氏体组织，其组织

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特征：尺寸大致相同的细马氏体定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域。在领域与领域之间位向差较大，一颗原始的奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域。条状马氏体具有较低的硬度，好的韧性。

(b)片状马氏体，含碳量较高的钢中淬火后马氏体呈片状(针状、透镜状、竹叶状)存在。它区别于条状马氏体的主要特征是：条状马氏体中毗邻的一根根马氏体是平行的、长度大致相同的狭条：而在片状马氏体中片间不互相平行，在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到。因此片状马氏体的大小不一，同时有些马氏体有一条中脊面，并在马氏体片周围有残留奥氏体存在。 片状马氏体具有高的硬度，低的韧性。

⑤回火马氏体：片状马氏体经低温回火(150～250℃)后，得到回火马氏体。它仍具有针状特征，由于有极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下，颜色比淬火马氏体深。

⑥回火屈氏体：淬火钢在中温回火(350～500℃)后，得到回火屈氏体组织。其金相特征是：原来条状或片状马氏体的形态仍基本保持，第二相析出在其上。回火屈氏体中的渗碳体颗粒很细小，以致在光学显微镜下难以分辩，用电镜观察时发现渗碳体已明显长大。

⑦回火索氏体：淬火钢在高温回火(500～650℃)回火后得到回火索氏体组织。它的金相特征是：铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体。碳钢调质后回火索氏体中的铁素体已成等轴状．一般已没有针状形态。

必须指出：回火屈氏体、回火索氏体是淬火马氏体回火时的产物，它的渗碳体是颗粒状的，且均匀地分布在α相基体上；而屈氏体、索氏体是奥氏体过冷时直接形成，它的渗碳体是呈片层状。回火组织较淬火组织在相同硬度下具有较高的塑性及韧性。

四、方法指导 1、实验材料及设备

①45、T12钢试样，尺寸分别为Φ10×15mm、Φ10×12mm。 ②按表6-2已制备好金相试样一套。 ③马福电炉；， ④洛氏硬度计。

⑤淬火水槽、油槽各—个。 ． ⑥铁丝、钳子。 ⑦金相显微镜。 1、实验步骤及注意事项

实验前应仔细阅读实验指导书(包括附录一预习洛氏硬度计的原理、构造及操作)，明确实验目的、内容、任务。

全班分两大组，交换进行以下内容： (一)按表5—1内容进行淬火、回火

（1）按组每人领取已编好号码的试样一块，扎好铁丝，按表5－1中规定的条件进行处

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理，

（2）各试样处理的加热炉巳预先开好，注意选用合适的加热温度。试样加热时，应尽量靠近热电偶端点附近，以保证热电偶测出的温度尽量接近试样温度。开炉门放试样时要停电。

表5—1

热处理工艺 材料 编号 加热温度/℃ 1 2 3 4 45 5 6 7 8 9 10 T12 11 12 13 860 860 860 750 900 900 900 780 780 水冷 水冷 水冷 水冷 炉冷 空冷 水冷 水冷 水冷 200 400 600 200 860 860 860 860 冷却方法 炉冷 空冷 油冷 水冷 回火温度/℃ 处理前 处理后 硬度HRC 组织 （3）当试样颜色和炉膛颜色一致时，开始计算保温时间，保温10分钟后，立即取出正火或淬火。淬火槽应尽量靠近炉门，钳子不许直接夹试样，操作要迅速，并搅动试样，否则有可能淬不硬。试样出炉关炉门时也应停电。

（4）试样经处理后，必须用砂布磨去氧化皮，擦净，然后在洛氏硬度计上测硬度值。 （5）进行回火操作的同学，将正常淬火的试样，测定淬火后的硬度值，再按表5-1中所指定的温度回火，保温一小时，回火后再测硬度值。

（6）每位同学把自己测出的硬度数据填人预先画好的表格中(表格画在实验室黑板上)，各钢的退火硬度由实验告知。记下本次实验的全部数据。

(二)观察实验室制的下列金相样品的显微组织，画下组织特征的示意图。

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样品序号 1 2 3 4 5 6 五、实验报告

钢号 45 45 45 T12 T12 T12 热处理工艺 860℃ 水冷 860℃ 油冷 860℃ 水冷 600℃ 回火 780℃ 水冷 200℃ 回火 970℃ 水冷 170℃ 回火 球化退火 腐蚀剂 4％酒精 组织 报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》

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实验六 合金钢组织及钢热加工后显微组织缺陷的观察

一、实验目的

l、分析几种合金钢的显微组织及性质。

2，识别热加工后钢中常见的几种微观缺陷的特征 二、实验内容

l、观察下列合金钢试样的组织：

表6-1

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 钢 号 W18Cr4V W18Cr4V W18Cr4V W18Cr4V 1Crl8Ni9Ti 1Crl8Ni9 Mnl3 Mnl3 处理过程 铸 造 退 火 1280℃ 油淬 1280℃油淬 560℃回火 1100℃固溶处理 1100℃固溶处理 500℃敏化处理 铸 造 1050℃ 水冷 奥氏体+屈氏体+碳化物 奥氏体(有孪晶、滑移线) 注1：用棉花沾浸蚀剂(王水)，滴在样品上，需看到试样表面普遍冒泡为止，此时表面呈灰色，有小的点状物出现，然后用水冲洗，用酒精擦拭。

注2：浸蚀前试样应保持清洁，浸蚀时必须用新配制的浸蚀剂, 浸蚀时观察到表面有晶粒界似的花纹即用水冲洗，用酒精擦干。 2、观察下列热加工的显微缺陷

表6-2

编号 1 2 3 4 钢号 35钢 45钢 45钢 T12钢 处理过程 锻 造 1100℃ 空冷 1000℃ 退火 920℃经4小时

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显微组织 屈氏体+莱氏体 碳化物+索氏体 马氏体+初生碳化物+残余奥氏体 回火马氏体+碳化物 奥氏体(内有孪晶) 有晶界腐蚀 腐蚀剂 4％酒精 王水 注1 未浸蚀 盐酸、及甘油 注2 显微组织 带状组织 魏氏组织 过 热 表面脱碳 腐蚀剂 4％酒精

三、概述

(—)几种合金钢组织 1、高速钢W18Cr4V：

W18Cr4V钢具有良好的红硬性．既使工作温度达到600℃时，仍保持高的硬度和切削性能。经常用它来制造各种刀具。

高速钢W18Cr4V屈于莱氏体类钢，因此铸造钢中出现莱氏体组织。在显微镜下观察到鱼骨状共晶莱氏体、马氏体、残余奥氏体以及δ共析体。显然高速钢在铸态下的组织存在严重的成分和组织不均匀性，从而影响其性能。为此随后必须经过轧制和锻造。破碎莱氏体网络，促使其碳化均匀分布。锻造后高速钢组织通常为马氏体+屈氏体的基体上分布比较均匀的碳化物。此时硬度较高，不利于切削加工，因此随后必须进行退火。 高速钢退火后的组织为索氏体+碳化物。其中粗大的亮色晶粒为初生共晶碳化物，较小的为次生碳化物．以及索氏体基体内的极细共析碳化物，退火后的硬度为HB207～255。

对于高速钢来说，淬火加热不仅是为了形成奥氏体，更重要的是为了使更多的碳化物溶解于奥氏体，使淬火后，马氏体中合金元素含量越高，从而得到更高的红硬性和耐磨性，这样就需要加热至较高的温度，所以W18Cr4V钢的淬火加热温度一般为1260℃～1280℃。油冷或空冷。淬火组织为马氏体+未溶的碳化物+残余奥氏体(尚有20～30％)。马氏体呈隐针状，很难显出，但可看到明显的奥氏体及分布的未溶解碳化物，淬火温度愈低则晶粒愈细，而未溶解的碳化物的量愈多。淬火后的硬度约为HRC61～62。 W18Cr4V钢淬火后需经560℃三次回火，其组织为回火马氏体，碳化物和少量残余奥氏体(约2～3％)。回火后硬度为HBC63～65。 2、不锈钢：1Crl8Ni9，1Crl8Ni9Ti。

铬镍不锈钢中应用最广的为含18％Cr、8％Ni、≤0.14％C的奥氏体不锈钢，这种钢缓冷到室温时，在奥氏体晶界处常会出现碳化物和铁素体，产生晶间腐蚀现象，所以必须加热到1100℃左右迅速水冷(固溶处理)，使其组织上得到全奥氏体组织(内有孪晶)，才具有良好的耐腐蚀性能。但若使用温度较高(450～850℃)时，从奥氏体晶界处又会有碳化铬(Cr23C6)析出，产生晶间腐蚀。为防止晶间腐蚀的产生，钢中的含碳量应降低至o．06％以下，或是加入少量的钛或铌，经加热到1100～1150℃水冷，获得全奥氏体组织，才具有良好的抗腐蚀性能产生。 3、耐磨钢Mnl3：

含有0.9～l.3％C与11.0～14.0％Mn的Mnl3耐磨钢目前广泛应用制造耐磨零件，如拖拉机履带、铁路道岔、碎石机鄂板、掘土机铲斗等。

高锰钢由于有强烈的加工硬化现象，难于切削加工，因此常以铸造形式进行使用。铸造高锰钢的组织为奥氏体与碳化物，由于碳化物沿界分布，使钢呈现相当大的脆性，为了得到单相奥氏体组织，需进行水韧处理，即自1000~1050℃水冷。此钢在承受塑性变形时，强化和硬化的倾向很大，因此能很好的抵抗磨损。 (二：)钢在热加工过程中常见的显微缺陷

1、带状组织

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带状组织的特征，是亚共析钢中先共析铁素体。分别沿着压力加工的方向呈带状交替分布，显微镜下形成黑白交替的带状组织。以亚共析钢为例产生带状组织的原因可能是：

①钢内有较大的成分偏析或含有较高的磷，热加工时，偏析、杂质部位沿压力加工方向伸长，当钢冷却至Ar3以下时，这些偏析或杂质可能成为铁素体的核心，使铁素体呈带状析出，随着珠光体则也呈带状分布，这种组织很难用热处理方法去消除。 ②热加工停锻温度于二相区(Ar1与Ar3之间)时，铁素体沿着金属流动的方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体也被分割成带状。当达到Ar1点时，带状的奥氏体转为带状珠光体，这种组织，可以用退火或正火除消。

带状组织使钢的力学性能具有明显的方向性，钢材横向(垂直于轧制方向)的塑性及韧性降低，但在某些零件中，带状组织不仅不是缺陷，而且成为某些专门用途的材料。 2、魏氏组织

魏氏组织的特征是先共析铁素体或渗碳体，冷却时不仅沿奥氏体晶界析出，同时在奥氏体晶粒内部以一定的位向关系呈片状析出(在显微镜下呈针状形貌)，片状铁素体与母相奥氏体的位向关系为[110]α∥[111]γ，[111]α∥[110]γ。片状互成60°、90°、120°夹角。

在铸钢件中，停轧温度过高的轧制件中和热处理时的过热件中常会出现魏氏组织。具有这种组织的钢，其冲击韧性质(ak)很低。这主要是由于粗大的晶粒及魏氏组织本身的针状结构所致。它可用正确的正火或退火方法消除。 3、过热、过烧：

钢在加热时形成粗大的奥氏体晶粒现象称为过热。过热的钢性能变坏，特别是冲击韧性，将明显下降。过热的钢淬火得到粗大的马氏体组织，不仅冲击韧性低，淬火也容易造成工件的变形甚至开裂。

过热的钢一般可以用重新加热的方法来补救。

过烧是指加热温度高，致使不仅形成粗大的奥氏体晶粒，并且在奥氏体晶界处产生氧化甚至局部熔化的现象，导致钢材变脆。过烧的钢是没办法补救的，是永久性缺陷，故热处理中应严格控制加热温度。 4、脱碳

在氧化介质中，钢进行长时间加热，表面就会脱碳，表面上几乎全由单一的铁素体组成，工件在热处理过程中脱碳是重要缺陷之一，特别是工具，弹簧或重要机件。具有脱碳层的工件是不能淬硬的，其表面较软，具有较低的弹性。一般的脱碳层在技术条件许可的情况下，可以从工件上将其去掉，如果不能去掉(例如外形复杂的工具淬火后不能精磨)，就只得作为废品，这种缺陷是不能用热处理方法来补救。 四、方法指导 实验所用材料及设备 ①金相显微镜

②合金钢金相试样(表6—1)一套

③碳钢热加工显微缺陷(表6—2)样品—套

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④合金组织、钢的显微缺陷图谱。 2、实验步骤

①对已准备好的试样进行观察，并分析其组织和性能的关系。 ②描绘出几种合金钢的组织示意图。

③描绘亚共析钢的魏氏组织、带状组织、过热钢淬火组织的示意图，分析该缺陷产生的原因，对性能的影响， 五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》

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实验七 铸铁与有色金属显微组织观察

一、实验目的

1、观察和分析各种灰口铸铁的显微组织。

2、熟悉常用的铝合金，铜合金及轴承合金的显微组织。 二、实验内容

观察、分析下列金相组织 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 灰口铸铁(P基) 可锻铸铁(F基) 球墨铸铁(F+P基) 球墨铸铁 硅铝明(ZLl02) 硅铝明(ZLl02) 硬铝(ZYl2) 单相黄铜(H70) 两相黄铜(H63) 锡青铜(QSnl0) 锡基巴氏合金ZChSnSbll---6 铅基巴氏合金ZChPbSnl6-16-2 三、概述

(一)灰口铸铁的组织分析 l、普通灰口铸铁

灰口铸铁显微组织与白口铸铁的显微组织不同，白口铸铁中碳全部以化合物渗碳体的形式存在，在组织中有共晶莱氏体，其断口白亮。性质硬而脆。故工业上很少应用，主要作炼钢原料，普通灰口铸铁中碳全部或部分以自由碳——片状石墨形式存在，断口呈现灰色。其显微组织根据石墨化程度不同为铁素体或珠光体或铁素体+珠光体基体上

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样品名称 处理状态 铸造 可锻化退火 铸造 等温淬火 铸造未变质 铸造变质 淬火自然时效 冷加工退火 铸造退火 铸 造 铸 造 铸 造 腐蚀剂 4％酒精 4％酒精 4％酒精 4％酒精 0.5HF水溶液 0.5HF水溶液 混合酸水溶液HNO3·HCI·HF 3％FeCl3+10％HCl 水溶液 3％FeCl3+10％HCl 水溶液 3％FeCl3+10％HCI水溶液 4％酒精 4％酒精 金相组织 P+片状石墨 F＋团絮石墨 牛眼睛 M+B下+A残＋球状石墨 (Si粗针+α基体)共晶 α技晶+(Si细小+α) 单相α固溶体 单相α(孪晶带) α+β， Α枝晶+(α+δ)共析体 α(黑基体)+ β(白方块)+Cu3Sn白星状 (α+β)基+白方块SnSb+Cu2Sb针状 ，

分布片状石墨，由于片状石墨无反应能力，故试样未经腐蚀即可看出呈灰黑色。石墨性脆，在磨削时容易脱落，此时在显微镜下只能见到空洞。为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的试片。灰口铸铁的基体上未经腐蚀的试片上呈白亮色，经过酒精腐蚀后和碳钢一样。在铁素体基体的灰口铸件中看到晶界清晰的等轴铁素体晶粒，在珠光体基体的灰口铸铁中，珠光体片的大小随冷却速度而异。

由于石墨的强度、塑性几乎等于零，这样可以把铸铁看成是布满裂纹和空洞的钢，因此铸铁的抗拉强度与塑性远比钢低，且石墨数量越多，尺寸越大，石墨对基体的削弱作用也愈大。

在铸铁中由于含磷较高，在实际铸造条件下磷常以Fe3P的形式与铁素体和Fe3C形成硬而脆的磷共晶，因此在灰铸铁的显微组织中，除基体和石墨外，还可以见具有菱角状沿奥氏体晶界连续或不连续分布的磷共晶(又叫斯氏体)。磷共晶主要有三种类型，即二元磷共晶(在Fe3P的基体上分布着粒状的奥氏体分解产物——铁素体或珠光体)、三元磷共晶(在Fe2P的基体上分布着呈规则排列的奥氏体分解产物的颗粒及细针状的渗碳体／和复合磷共晶(二元或三元磷共晶基体上嵌有条块状渗碳体)。用酒精或苦味酸腐蚀时Fe3P不受腐蚀，呈白亮色，铁素体光泽较暗，在磷共晶周围通常总是珠光体。由于磷共晶硬度很高，故当二元或三元磷共晶以少量均匀孤立分布时，有利于提高耐磨性，而并不影响强度。磷共晶如形成连续网状，则会使铸铁强度和韧性显著降低。 2、可锻铸铁

可锻铸铁又叫马铁或展性铸铁，它是白口铸铁退火处理而得到的一种铸铁，其中石墨呈团絮体，因而大大减弱了对基体的割裂作用，与普通灰铸铁相比，具有较高的机械性能，尤其是较高的塑性和韧性。根据基体不同，可锻铸件可分铁素体基体可锻铸铁及珠光体基体可锻铸铁。 3、球墨铸铁

它是用镁、钙及稀土元素(铈族元素)球化剂进行球化处理，使石墨变为球状。由于石墨呈球状对基体的削弱作用最小，使球墨铸铁的金属基体强度利用率高达70～90％(灰铸铁只达30％左右)，因而其机械性能远远优于普通灰铸铁和可锻铸铁。球墨铸铁的基体也有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三种，在后一种基体中球状石墨的周围总是铁素体，其外层才是珠光体，有如牛眼形状。这是由于共晶转变中形成的石墨是优良的石墨化中心，所以铁素体总是包围着石墨球。目前应用最广泛的是前面两种基体。 如上所述，铸铁的基体既然是铁素体和珠光体所组成，很显然和钢一样可以通过热处理来改变基体组织，从而改善铸铁的机械性能，特别是球墨铸铁常常通过正火、调质和等温淬火来提高机械性能，球墨铸铁正火的目的主要是为了增加基体中珠光体数量从而提高球铁的强度和耐磨性。球铁调质处理后得回火索氏体，从而有更高的综合机械性能。球铁经等温淬火后的组织为下贝氏体，部分马氏体和少量残余奥氏体，这种组织不仅具有较高的综合机械性能，而且具有很好的耐磨性，内应力也小。 (二)有色金属组织分析 1、铝合金

①铸造铝合金，应用最广泛的铸造铝合金为含有大量硅的铝合金，即所谓硅铝明，

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典型的硅铝明牌号为ZLl02。含硅11～13％，成分在共晶成分附近，因而具有优良的铸造性能——流动性好，铸件致密，不容易产生铸造裂纹。铸造后几乎全部得到共晶组织即灰色的粗大针状的共晶硅分布在发亮的铝的α固溶体的基体上，这种粗大的针状硅晶体严重降低合金的塑性。

为提高硅铝明的力学性能，通常进行变质处理，即在浇注以前向合金溶液中加入占合金重量2～3％的变质剂(常用2／3NaF+1／3NaCl)。处理后使共晶点从11.6％Si右移，故使原来的合金变为亚共晶组织，其组织为初生α固溶体枝晶(亮底)及细的共晶体(α+Si)(黑底)，由于共晶中的硅呈细小园形颗粒，因而使合金的强度与塑性提高。 ②形变铝合金：硬铝是AI-Cu-Mg系时效合金，是重要的形变铝合金。由于它的强度大和硬度高；故称为硬铝。在国外又称为杜拉铝。近代机器制造和飞机制造业中得到广泛应用。在合金中形成了CuAl2（θ相）和CuMgAl2（S相）。这两个相在加热时均能溶人合金的固溶体内，并在随后的时效热处理过程中通过形成“富集区”、“过渡相”而使合金达到强化。而以后者（S相）在合金强化过程中的作用更大，因之，常把它称为强化。

硬铝的自然时效组织与淬火组织毫无区别。由不同方位的固溶体晶粒组成(在光学显微镜下G、P区是无法辨认的)；只能通过X-光结构分析及电子衍射来证实。 2、黄铜

①α单相黄铜，含锌在36％以下的黄铜属单相α固溶体，典型牌号有H70(即三七黄铜)。铸态组织：α固溶体呈树枝状(用氯化铁溶液腐蚀后，枝晶主轴富铜，呈亮色，而枝间富呈暗色)，经变形和再结晶退火其组织为多边形晶粒，有退火孪晶。由于各个晶粒方位不同，所以具有不同的颜色。退火处理后的α黄铜能承受极大的塑性变形，可以进行冷加工。

②α+β两相黄铜，含锌量为36～45％的黄铜为α+β两相黄铜，典型牌号有H62(即四六黄铜)。在室温下β相较α相硬得多，因而只能承受微量的冷态变形，但β相在600℃以上迅速软化，因此可以进行热加工。

用3％FeCl3+10％HCI水溶液腐蚀时，β相呈暗黑色，C相为白亮色。 3、锡青铜

铜与锡所组成的合金称为锡青铜，工业上大部分用于铸造。常用的锡青铜含锡量为3～4％，从Cu-Sn相图可知，铜锡合金结晶温度间隔很宽，故易于产生偏析，且锡在铜中扩散困难，因此锡青铜的实际组织与平衡状态相差很大。例如常用的QSnl0，含10％Sn(应为单相α固溶体组织)由于铸造时冷却较快，锡扩散困难，产生严重树枝偏析，最后凝固的树枝间含锡量高，形成了(α+δ)共析体。所以铸态下的组织为树枝状固溶体及(α+δ)共析体。

用3％FeCl3+10HCI水溶液浸蚀时，亮白色树干为富铜的α固溶体，外围较里部分为含锡较高的δ固溶体，树枝间隔处白亮部分(其中有很细小的点)是(α+δ)共析体。 4、巴氏合金

以锡、铅等为基的抗磨轴承合金称为巴氏合金。此合金为易熔轴承合金，通常直接浇于轴承套上，分锡基、铅基轴承合金。

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，

，

，

，

①锡基巴氏合金：主要有ZChSnSbll—6，含11％Sb，6％Cu。合金含11％Sb可以SnSb为基的固溶体)两相组织，铜加入可形成CuSn，避免比重偏析产生。黑色基体α(软基)和具有方形和三角形的白色粗晶为β固溶体(硬质点)，白色针状和星状的是化合物Cu3Sn的晶体．也是硬质夹杂。这种轴承合金摩擦系数小，硬度适中，疲劳抗力高。是一优良的轴承合金。但价格较贵，只用于最重要的轴承上。

②铅基巴氏合金：ZChPbSnl6－16－2是最常用的铅基轴承合金，属于过共晶合金，其组织：白色方块为初生β相(SnSb)，花纹状软基体是α(Pb)+β共晶体，白色针状晶体是化合物Cu2Sb。化合物Cu2Sb，SnSb是合金中的硬度质点。这种轴承合金含锡量少，成本较低，铸造性能及耐磨性较好。一般用于中、低载荷的轴瓦。 四、方法指导 1、实验材料及设备 ①金相显微镜

②铸铁、有色金属金相样品(表7－1)一套。 ③相应金相图册。 2、实验步骤

①全班同学分两组进行，每次2小时，2～3人—台金相显微镜，轮流对每个试样进行观察。

②观察几种铸铁中石墨的形状，基体的特征。分析其组织的形成。 ③比较黄铜(单相、两相黄铜)及锡青铜的显微组织的特征。 ④比较变质处理与未变质处理的硅铝明的显微组织。 ⑤比较锡基及铅基轴承合金的特征。 ⑥将所观察到的金相组织，用示意图画出。 五、实验报告

报告内容与要求见《金属学及热处理实验报告》。

，

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附录一 硬度计的使用

一、硬度的概念

硬度实验是工业生产和科学研究中不可缺少的标准实验方法之一。他是将一个硬的压头压入欲检查零件（或试样）的待测表面时，材料抵抗这种压入的能力称为“硬度”。由于硬度实验与其他力学性能实验（如拉伸、弯曲等）相比，具有实验方法简单、操作方便、测量迅速、不破坏工件（或试样）等优点，并且与其他力学性能（如强度）具有一定的关系，因此一般用硬度作为热处理技术条件之一，并通过检查产品的硬度鉴定其热处理质量。最常用的硬度实验方法有；布氏硬度和洛氏硬度。 二、布氏硬度试验 （一）基本原理

如附图1所示，用载荷为P的力把直径为D的钢球压入试样表面并保持一定的时间，而后去除载荷，测量钢球在试样面上所压

出的圆形凹陷压痕的直径d，椐以计算压痕球 面积F及其每单位面积所受的力P/F，用以作 为试样的硬度值，称为布氏硬度值，并以符号 HBS表示。即：

22DdHBS=P/F=2P/πD（D-）（Kgf/mm2）

附图1 布氏硬度试验原理示意图

在P和D一定时，HBS值的大小取决于压痕直径d，d值越大表明金属材料的变形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。由于金属材料有硬有软，工件有厚有薄、有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的压头有φ2.5mm、φ5mm、φ10mm三种。载荷有15.6Kg、62.5Kg、187.5Kg、250Kg、750Kg、1000Kg、3000Kg七种。当采用不同的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度实验时，只要能满足K=P/D2（式中K为常数，国家标准规定：K值为30、10、2.5三种），则对同一种材料来说，布氏硬度值是相同的，而对不同材料所得布氏硬度值是可进行比较的。

根据金属材料种类、工件（或试样）硬度范围和厚度不同，按照附表1的规范选择钢球直径D和载荷P及载荷保持时间。试验所得压痕直径应在0.25D布氏硬度计的压头是淬火的高碳工具钢制的钢球，为避免钢球压裂或变形，不能测太硬的材料，常用于测试各种退火状态下的钢材、铸铁和有色金属等，也适应于试验经调质处理及硬度小于450HBS的工件。 （二）操作要点

布氏硬度计的外形见附图2所示，其操作要点如下：

1、根据试样的硬度，按附表1的硬度试验规范选择载荷、压头直径及载荷保持时间。 2、欲测试试样的表面需用砂轮或砂布（纸）磨光，且上下端面要求平行。

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3、试样置于载物台上后，即可按照布氏硬度计的操作规程进行试验。

4、试验结束后取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，从相互垂直方向各测一次（附图3），取其平均值，用该直径值去查“压痕直径与布氏硬度对照表”即可得试样硬度值。

附表1 布氏硬度试验规范

金属 类型 黑 色 金 属 有 色 金 属

三．洛氏硬度试验

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附图2

附图3 布氏硬度压痕测量图

布氏硬度 范 围 （HBS）

140～450 <140 >130 36～130 3～35

试件 厚度 6～3 4～2 <2 >6 6～3 <3 6～3 4～2 <2 9～6 6～3 <3 >6 6～3 <3

载荷P与 压头直径 P=30D2 P=10D2 P=30D2 P=10D2 P=2.5D2

钢球 直径D （mm） 10.0 5.0 2.5 10.0 5.0 2.5 10.0 5.0 2.5 10.0 5.0 2.5 10.0 5.0 2.5

载荷P （Kgf） 3000 750 187.5 1000 250 62.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 250 62.5 15.6

载荷保 持时间 （S） 10 10 30 30 60

（mm） D的关系

三、洛氏硬度计 （一）基本原理

洛氏硬度试验是目前应用最广泛的试验方法。和布氏硬度试验一样，也是压痕试验法之一。所不同的是：他不是测定压痕的大小而是测量压痕的深度。其试验原理可用附图4来扼要的加以说明。

图中0-0为金刚石圆锥（锥角为1200） 压头在没有和试样接触时的位置；1-1为压 头与试样接触并受到初载荷P0（规定为 10Kgf）后压入试样深度为h0的位置；2-2 为加上主载荷P1后压头压入试样的位置； 3-3为取去主载荷后，压头由于试样弹性 变形的恢复而略行提高的位置，此时压头 实际压入试样的深度为h1。如此，则压头由 于受主载荷而压入试样的深度为（h1-h0）， 此（h1-h0）的数值越大，表示试样越软，反之，越小则表示试样越硬。

如果直接以压痕深度大小作计量指标，则会出现硬金属的硬度值小，而软金属的硬度值反而大现象，这和布氏硬度所标志的硬度大小的概念相反，也不合人们的习惯。因此，用一个选定的常数K来减去所得压痕深度值（h1-h0）来表示硬度的高低，并用每0.002mm为一硬度单位，则得洛氏硬度值为[K-（h1-h0）]/0.002。此值为一无名数，用HR表示之，并可从固定在试验机上的表盘指示器上直接读出。这个表盘指示器上有红、黑两种刻度，当K为0.2（采用金刚石圆锥压头）时，读黑色刻度；K为0.26（采用φ1.588mm的钢球）时，读红色刻度。红色刻度的30和黑色刻度的0重合。

为了可以用同一试验机测定从极软到极硬的材料的硬度，可采用不同的压头和总载荷（P=P0+P1），可共组合成15种不同的洛氏硬度标度，为了避免混淆起见，每种标度用一个知字母附在洛氏硬度符号HR之后加以说明，如HRA、HRB、HRC、等。常用洛氏硬度值的符号、试验条件和应用见附表2。

附表2 常用洛氏硬度值的符号、试验条件和应用

硬度 符号

HRA 金刚石圆锥

压头

总试验力 N/Kgf 588.4/60

表 盘 上 刻度颜色 黑色 红色 黑色

70～85 25～100

HRC 金刚石圆锥

（二）HRD－150型电动洛氏硬度计使用方法

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附图4 洛氏硬度试验过程中 金刚石圆锥压头在各阶段的位置

常用 范围

应 用 举 例

碳化物,硬质合金,表面淬火钢等

软钢,退火钢,铜合金等 淬火钢,调质钢等

HRB 1.588m钢球 980.7/100

1471/150

20～67

HRD—150型电动洛氏硬度计外形见附图5，其原理结构见附图6。操作使用方法如下： 1．试验前的准备：

(1)试样的厚度应大于压痕深度的10倍，被试面应平坦光滑，不得有油污； (2)试台应根据试样的形状和尺寸进行选择(大平、小平、V形试台)； (3)压头及试验力的选择按照上述表1进行选择。 2．正式试验：

（1）打开电源开关(39)，灯泡(21)亮； （2）根据需要挂好砝码，镶好压头；

（3）总试验力保持时间的调整，可通过拔码开关(40)进行选择，总试验力的保持时间为施加主试验力后，主指针基本停止转动，到电机再次启动，主指针开始顺时针方向转动为止的时间。

(a)对于加试验力后，不随时间继续变形的试样，保持时间小于或等于2秒； (b)对于加试验力后，随时间缓慢变形的试样，保持时间为6—8秒； (c)对于加试验力后，随时间明显变形的试样，保持时间为20～25秒。 （4）将试件放在试台上，顺时针转动升降手柄(4)，使试台与压头接触；

（5）继续转动手柄，当主指针(直指针)沿顺时针方向旋转2.5圈至零点不动，付指针(弯指针)逆时针旋转到调试标记“▌”范围内时，停止转动升降手柄，这时，初试验力施加完毕；

（6）按下启动板(3)硬度计即可自动完成施加主试验力(指示灯灭)、保持、卸除主试验力(指示灯亮)的过程，主试验力卸除后，主指针所示的值即为所测硬度值。如果用金刚石圆锥压头进行试验，则按指示表盘外圈的黑字读数；当用钢球压头进行试验时，则按指示表盘里圈的红字读数。

（7）转动升降手柄，使试台下降，移动试样，选择新的试验点进行试验，每种试样的试验点不得少于3个，两压痕中心及任一压痕离试样边缘的距离均不得小于3毫米。 3．使用注意事项：

（1）试验时，硬度计不得受冲击和震动，施加初试验力时，必须缓慢无冲击，直至试样上升到主指针转2．5圈对准C标尺的“0”刻线不动，付指针指到调节标记“▌”范围内，此时，初试验力施加完毕，如果付指针超过调节标记，达到标记的左侧，则试验作废，需重新更换测量位置进行试验，每次更换压头或试台后的最初两次试验结果不予记录试验点数，加卸试验力时间及试验力保持时间允许按试样技术条件规定进行试验，但仲载试验则必须按照《GB230——33》的规定；

（2）更换试台或放置试件时，请注意不要碰到压头，以免损坏压头及主轴部件； （3）应注意不要使丝杆保护套(6)的上端面与试台(38)的下端面接触，否则试验结果无效。

注：1．布氏硬度值和洛氏硬度值之间的关系大致为10HBS=1HRC； 2．试验时不同试样的放置方式如附图7。

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图5 HRD—150型电动洛氏硬度计

附图6 HRD—150型电动洛氏硬度计结构示意图

1- 机身 2-微动开关 3-启动板 4-升降手柄 5-螺母 6-丝杠保护套 7-丝杠 8-保护垫块

9-压头 10-压头轴 11-接触螺钉 12-六角螺柱 13-调节螺钉 14-防震垫 15-小杠杆 16-银球螺钉 17-初负荷弹簧 18-负荷轴 19-负荷螺栓 20-前盖 21-灯泡 22-电机 23-大杠杆 24-上盖 25-防震垫块 26-吊轴 27-滚轮 28-推动轴 29-偏心轮 30-砝码轴 31-示值用表 32-50kgf砝码 33-微动开关 34-主指针 35-40kgf砝码 36-付指针 37-60kgf砝码 38-试台 39-电源开关 40-拨码开关 41-熔断器 42-油杯 43-小型继电器 44-时间继电器 45-电源插头 46-接地标志

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附图7 试验时不同试样的放置方式

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B1》实验报告39

《材料科学基础

金属学与热处理实验报告

实验日期________年____月_____日 组 别________________________

姓 名_______________ 教师评定______________

实验一 金相显微镜的构造及使用

一、实验目的

二、显微镜的原理、结构

三、显微镜的使用方法及注意事项

四、画出你所看到的显微组织示意图

材 料______________ 工 艺______________ 组 织______________ 放大倍数______________ 腐蚀剂______________

五、问题：

1、什么是金相显微镜的有效放大倍数?如何合理选用物镜和目镜?

2、什么是显微镜的鉴别率?如何提高鉴别率?

3、透镜成像会产生哪几种主要缺陷?是如何形成的?

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实验二 金相试样的制备

一、实验目的

二、简述试样制备过程的操作要点

三、绘制所制试样的显微组织

1、浸蚀前 2、浸蚀后

材 料__________________ 材 料___________________ 工 艺__________________ 工 艺___________________ 放大倍数__________________ 放大倍数___________________ 组 织__________________ 组 织___________________ 试样质量__________________ 腐 蚀 剂___________________

四、回答下列问题：

1、为什么晶界腐蚀后是黑的?怎样鉴别浸蚀后观察时发现的直线型映象是金属本身的 特征还是磨痕或划痕?

2、总结试验中存在的问题。

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实验三 金属结晶过程及铸锭组织观察

一、实验目的

二、画出从显微镜中观察到的氯化铵液滴的结晶组织示意图 1、简述其结晶过程

2、分析晶体按树枝晶方式长大的原因

三、画出纯铝铸锭的宏观组织示意图注明浇注条件并进行比较：

材 料_______________ 材 料__________________ 浇注条件_______________ 浇注条件__________________

材 料________________ 材 料_______________________ 浇注条件________________ 浇注条件_______________________

1、说明如何控制柱状晶区相等轴晶区的大小?控制的意义?

2、为什么纯金属内只看到不规则的晶粒，而看不到枝晶?你在什么地方看到了枝晶，为什么？

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实验四 铁碳合金平衡组织观察

一、实验目的

二、画出下列样品的组织示意图 工业纯铁 处理 组织 腐蚀 倍数 0.2％C钢 0.45％C钢 0.0％C钢 1.2％C钢 处理 组织 腐蚀 倍数 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁 43

三、分析讨论

1、说明合金的组织特征与成分和性能之间的关系

2、画出Fc—Fc3C相图，在相图上标出所观察各种合金的位置，简要说明各合金结晶 过程中组织的变化。

3、实验后的感想和体会

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实验五 金属的塑性变形与再结晶

一、实验目的

二、画出下列样品的组织示意图 材料工业纯铁 处理 组织 腐蚀 放大倍数 工业纯铁 锌 黄 铜

三、根据记录，建立纯铝片“形变度与再结晶后晶粒大小”的关系曲线，并给以简要的解释。

变形度％

晶粒数目

n

晶粒大小l／n

45

变形度％

晶粒大小

五、回答问题：

1、变形度对金属再结晶晶粒大小的影响?

2、为什么在显微镜下能看到滑移线?

3、滑移线和变形孪晶如何区别?为什么?

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实验六 碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定

一、实验目的

二、画出下列样品的组织示意图(标出组织组成物或相组成物) 材 料：45 处理 组织 腐蚀剂 放大倍数 45 45 材 料：T12 处理 组织 腐蚀剂 放大倍数

T12 47

三、实验结果 热处理工艺 材料 编号 加热温度℃ 1 2 3 4 45 5 6 7 8 9 10 T12 11 12 13 860 860 860 750 900 900 900 780 780 水冷 水冷 水冷 水冷 炉冷 空冷 水冷 水冷 水冷 200 400 600 200 860 860 860 860 冷却方法 炉冷 空冷 油冷 水冷 回火温度℃ 处理前 处理后 硬度HRC 组织 四、根据实验结果分析： 1、试分析T12钢780℃水淬与T12钢900℃水淬的组织和性能上的差别。说明过共析钢淬火温度应如何选择。

2、分析45钢760℃水淬、45钢860℃油淬及45钢860℃水淬后组织的差别。若45钢淬火后硬度不足，如何根据组织分析其原因是淬火加热温度不足还是冷却速度不够?

五、回答问题

1、T12钢经完全退火、球化退火、正火、淬火各应得到什么组织？T12钢正火处理的实际意义?淬火后经低温回火的目的?

２、硬度试验有何特点？试述布氏硬度和洛氏硬度的使用范围？

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实验七 合金钢组织及钢在热加工后显微缺陷观察

一、实验目的

二、画出下列样品的组织示意图(标出组织组成物) 材 料：W18Cr4V 处理 组织 腐蚀剂 放大倍数 W18Cr4V 材 料 处理 组织 腐蚀剂 放大倍数

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三、实验结果分析

１、分析高速钢的组织与热处理的关系，说明高速钢热处理的特点。

2、简述带状组丝和魏氏组织的特点，形成原因及对钢的性能的影响。

四、你对实验教学的建议和体会。

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实验八·．铸铁与有色金属显微组织观察

一、实验目的

二、画出下列样品的组织示意图(标出组织组成物) 材 料 处理 组织 腐蚀剂 放大倍数 材 料 处理 组织 腐蚀剂 放大倍数

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三、分析石墨形态对铸铁的性能的影响

四、硅铝明在变质处理前后组织及性能有何变化

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