材料工程基础实验指导书

班级：学号： 姓名：实验一金相试样制备与组织观察综合实验实验学时：6h 实验性质：综合性一、实验目的1了解金相显微镜的结构及主要零部件的作用；学会正确使用显微镜，提高物像的质量；了解显微镜的维护方法。

2学习金相试样的制备方法；了解金相试样质量对金相分析的影响。

3掌握二元铸态合金的固溶体，共晶（包括亚共晶和过共晶）和包晶组织的特征，能识别这些组织；掌握Fe—C合金平衡和非平衡组织的特征。

二、实验内容本次实验为综合实验，要求综合运用金相显微镜和各种金相制样设备学会各种不同试样的金相制样要点，并能分析合金尤其是铁碳合金的典型组织。

实验分三阶段进行，首先熟悉金相显微镜的结构、操作方法和维护要求，再进行具体试样的金相试样制备，第三步观察分析常见二元合金和铁碳合金的组织。

实验中各阶段每位同学独立完成。

通过预习了解显微镜结构、维护要求以及金相制样方法和不同合金的组织特征，写出实验步骤，然后到实验室通过自己的操作体会各个过程。

三、实验仪器、设备及材料3.1实验仪器、设备砂轮机、预磨机、抛光机、电吹风、金相显微镜3.2实验材料试样：铁碳合金试样及有色金属合金试样（用于组织观察）；制备试样材料选用碳钢。

制样材料：砂纸、抛光剂、抛光布、3-4%硝酸酒精、滤纸四实验原理4.1 金相显微镜结构与使用4.1.1成像原理简单地说，成像原理就是将物像两级放大。

如图1—1 所示。

物AB 经物镜放大成一倒立的实像A ′ B′，再经目镜放大成虚像A ″B″。

1）显微镜的放大倍数显微镜的放大倍数等于物镜与目镜放大倍数的乘积：1 250M M物?M目f 物f目f 物，f 目——物镜和目镜的焦距；l——显微镜的光镜筒长度放大倍数的选择决定于组织的粗细和观察的目的。

放大倍数大，则组织清晰，但视域小，不能观察全貌，代表性受局限，放大倍数低，则效果完全相反，如图1-2 所示。

在金相分析时，根据需要，往往高、低倍变换使用。

图 1— 2 不同放大倍数下的带状组织2 ) 显微镜的像差 像差就是物点经透镜后不能聚焦于一点，而使像模糊不清的现象。

像差越小，则物越清晰。

像差 的大小，不仅与显微镜的设计制造有关，而且与使用是否正确有关。

主要的像差有色差、球差和像域 弯曲。

球差：透镜是球面，通过透镜边缘与中心的光线不聚焦于一点，使像模糊不清的现象叫球差 — 3)。

使用显微镜时缩小孔径光栏，可减轻球差，提高像的清晰度。

色差：不同波长的色光经透镜后，不能聚焦于一点，使像不清晰的现象叫色差(图 1— 4)。

显微镜时减轻色差的方法有二：一是采用单色光，二是根据物镜的类型选用相应的滤色片。

像域弯曲：由于各种像差共同作用的结果，使垂直于光轴的物平面的像不是一平面，这种现象叫 像域弯曲 (图 1—5)。

像域弯曲对显微摄影不利，所以摄影时，应选择经过像域弯曲校正的平面消色差 物镜或平面复消色差物镜。

图 1— 3 球差示图 3) 显微镜的分辨率显微镜能区分开的两点间的最小距离叫分辨率，所以分辨率又可表示为d 或 d2N A 2 sin——光源波长——物镜的孔径角的 1/2，如图 1—6 所示； sin 叫物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力， 显微镜的分辨率。

英语缩写 N.A 表示显微镜的分辨能力或鉴别率。

由上式可知提高分辨率的方法是： (1)用波长短的光源； (2) 增大孔径光栏以增加有效的孔径角； 用折射率大的光介 ——物镜与试样间的介质对光的折射率。

4.1.2照明方式(图1图 1— 4 色差示图(3)图 1— 1 光学成像原理示意图 (a) 低倍 (b)高倍图 1— 5 像域弯曲示图图 1— 6 孔径1）明场照明明场照明是最常用的一种照明方式，其光程如图 1— 7 所示。

这种照明方式，光线基本上是垂直 地射入试样表面。

因此，只要试样表面平滑，其像就是明亮的，故叫明场照明。

试面上的划痕，孔洞 则是暗黑的。

2）暗场照明由明场变为暗场的方法是：用环形光栏代替孔径光栏，再在物镜外套一弧形反射聚光器。

暗场 的照明效果同明场相反。

平滑磨面的像是暗黑的，而划痕、凹坑则是明亮的。

与明场相比，暗场的衬度好，分辨率高，能判断非金属类杂物的透明度和颜色。

所以暗场是鉴别 非金属夹杂物的一种不可缺少的照明方式。

4.1.3 金相显微镜的结构及主要零部件 金相显微镜由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成（图 1-8），主要部件作用如下：1）物镜物镜是决定物像质量的主要部件。

因为像的校正情况不同， 有不同类型的物镜。

各类物镜的用途不同， 并要与不同的目镜和滤色片配合，才能得到较好的物像质量。

为了提高分辨率，在物镜与试样之间加 松柏油等作介质，这种物镜叫油浸物镜。

油镜一般是高倍物镜。

物镜上标有放大倍数，数值孔径和物镜类型，油镜上还标有“ oil ”字样。

2）目镜 目镜的作用是将物镜成的像再次放大成虚像或实像。

3）光栏 孔径光栏：其位置在光源聚光器之后。

其作用是提高物像质量。

增大孔径光栏，可提高分辨率， 但球差也增大，像的清晰度下降、衬度下降，所以不能过大，也不能过小。

可根据像的清晰度、衬度 和分辨率适当调节。

视场光栏：其位置在孔径光栏之后。

视场光栏不影响像的清晰度和分辨率，只能改变视场大小， 提高衬度。

4）滤色片滤色片作用主要有三： （1） 减少色差，提高像的清晰度； （2）提高分辨率； （3）制成彩色金相试样， 而采用黑白底片摄影时，选用适当的滤色片，可提高照片的衬度。

4.2 金相试样的制备金相试样质量，直接关系着金相检查的结论的可靠性。

因此，必须十分重视制样，金相试样磨面 必须平整、光滑、组织真实清晰。

4.2.1 金相试样观察原理显示金属组织的基本原理是：由于金属内部原子结构有着一定的排列规则，晶粒内和晶界之间、 不同位向的晶粒之间、不同的相之间的物理或化学性质不同，经一定物理或化学作用后，对光线的反 射能力不同或干涉色不同，因而在显微镜下观察时，明暗度不同或颜色不同。

制样时首先把金属表面 磨平，再选用适当的腐蚀剂进行腐蚀，在晶界、相界等原子排列较紊乱的地方会容易被腐蚀，使晶粒 或各相得以显示出来。

而单相组织较难被腐蚀，此外由于在同一平面不同晶粒表现出的位向不同，在 显微镜下可以观察出不同的形貌特征，根据这项特征可以观察和分析金属晶粒的大小、组织分布的特 征等。

图 1— 7 显微镜光学系统图 图 1— 8 显微镜结构4.2.2金相试样制备过程1)取样取样的方法有砂轮片切割、锯、线切割等等。

取样必须有代表性，能反映真实的组织，能说明需要说明的问题。

因此，取样必须注意以下问题：部位和方向应根据金相分析的目的合理选择。

如检查轧制的钢材有无带状组织。

必须纵向切取，才能说明有无带状，如图2—1所示。

检查高速钢锻造后的碳化物级别，必须取半径的1/2 处。

总之，检查内容各不相同，取样部位和方向就灵活多样。

切取时严防试样温度升得过高。

以免组织变化，所以必须水冷。

试样尺寸不能过大或过小，以利制样操作。

图2— 1 同一试样不同方向的组织2)试样的镶夹试样一般不需要镶嵌。

但试样太小或太薄如细丝、薄片细管等，或检查表层组织不允许倒角，制样时比较困难，则必须将它夹持或镶嵌在另一材料中。

镶嵌材料可以是塑料，也可以是低熔点金属。

方法有热压法和浇注法。

目前一般用电木粉镶嵌，采用专门的金相镶嵌机。

3)磨平磨平是用磨料将试样表面凸出的部分磨削去除，使其平整。

磨的步骤是先用砂轮磨，后用砂纸由粗到细地磨。

用砂轮磨时用力要小，并经常用水冷却；用砂纸磨时由粗到细逐次磨制，可将砂纸铺于平板玻璃上，进行手工磨制，也可将砂纸铺在预磨机的盘上，当盘旋转时，就可进行机械磨制，采用水砂纸时要不断地加水冷却。

磨制应注意以下问题：(1)试样必须拿平，试样磨面必须均匀地与砂轮或砂纸接触，使试样磨成一个平面，而不能磨成曲面。

(2)用力不能太大，以防试样温度升得过高引起组织变化。

(3)必须待前道砂纸的磨痕完全去除后，才能换更细的砂纸。

换砂纸时，应将试样和手上的砂粒除净，同时将试样旋转约90°角度。

(4)试样的边缘的棱角如没有保留的必要应在抛光前磨圆(倒角)，以免抛光时划破抛光布。

4)抛光抛光的目的是去除砂纸的磨痕。

得到光滑的平面。

抛光的方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光、机械电解抛光、机械化学抛光。

本实验采用最常用的机械抛光法。

机械抛光是在专用抛光机上进行，抛光盘上铺以抛光织物。

如帆布、丝绸、呢绒等，再浇以抛光粉（Cr2O3或Al 2O3）的悬浊液，即可进行抛光，抛光过程中，将试样均匀平整地压在抛光盘上，压力不宜过大，并沿盘中心到边沿不断作径向往复运动。

抛光时间一般是3～5 分钟，当磨痕消失而呈现光亮的镜面时，即可停止抛光，并将试样清洗干净。

5）组织的显示经抛光后的试样，只能观察到石墨、非金属夹杂物、孔洞、裂缝等。

若要观察组织，必须用一定方法将其显示出来。

显示组织的方法有化学浸蚀法、电解浸蚀法、气相沉积法、热蚀法、恒电位法等等，本实验用最常用的化学浸蚀法。

显示组织的化学试剂有酸、碱、盐类及某些溶剂（水或有机溶剂作缓蚀剂）。

将上述试剂适当配合，即成金相试剂。

金相试剂成分的选择决定于试样的成分，组织状态和检查的目的。

具体选用时，可查阅有关手册。

应用最广泛的是3～5% 硝酸酒精溶液和苦味酸酒精溶液。

化学浸蚀时，将磨面浸入试剂中，或用脱脂棉蘸试剂涂擦试样磨面，浸蚀深浅根据组织特点和观察倍数来确定。

一般是磨面变灰即可，试样经浸蚀后必须经水冲洗、再用吸水纸吸水电吹风吹干后才能在显微镜下观察。

若组织完全清晰可见，浸蚀就合适。

若组织未完全显示出来，应再加浸蚀，若浸蚀过度，则应重新抛光后再浸蚀。

4.3 合金组织观察与分析4.3.1二元合金铸态组织特征1）单相固溶体组织的特征单相固溶体平衡组织就是一个个的晶粒，如图3—1（左）所示。

而非平衡组织存在枝晶偏析的特点：由于成分偏析枝晶轴与轴间成分不同，因而浸蚀程度不同，在显微下观察明暗度也不同，如图3—1（右）所示，很易误认为是两相组织，应特别注意与两相组织区分开。

图3— 1 单相固溶体组织示意图2）共晶型组织特征（a）层片状（b）短棒状（c）针状图3— 2 共晶组织形态示意图（2）亚共晶和过共晶组织特征：亚共晶和过共晶组织是由初生晶和共晶体组成，初生晶粗大，而且具有树枝状形态或直边多边形，如三角形、四边形、长直条状，⋯⋯。

共晶体分布于初生晶之间。

当共晶体量很少时，呈连续或断续网状，甚至呈离异共晶（图3—3）。

以上组织特征是二元合金铸态组织形态，除非平衡组织外，平衡铸态组织特征是不能用热处理方 法改变的，但可用锻轧等压力加工方法改变组织。

4.3.2 铁碳合金平衡组织特征概述 不同成分的 Fe-C 合金的平衡组织都是由铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体组成，其区别仅在于分 布形态和数量不同。