船舶工程材料实验指导书

实验一 金属硬度实验
1 实验目的
（1）了解硬度测定基本原理及硬度计构造和使用方法
（2）初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值测定方法
2 实验概述
硬度是表示金属材料软硬程度的一种性能指标．通常是用压入硬度法测定的，它表征了材料抵抗外物压入的能力，也可以说是材料对局部塑性变形的抗力。

材料对塑性变形的抗力愈大，就愈不易产生局部塑性变形，其硬度愈高。

硬度实验的设备简单、操作迅速简便，可直接在零件表面进行非破坏性检验。

所以，硬度作为一项主要的性能指标，在生产实践与科学研究中得到了广泛的应用。

常用的硬度实验法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度实验法，其中应用最多的是洛氏硬度实验法。

2.1 布氏硬度
布氏硬度的测定原理是用规定的载荷P ，将直径为D 的钢球垂直压入被测的金属表面(图1)，保持一定时间后再卸掉裁荷，然后测量钢球在金属表面上所形
成的圆形压痕直径d ，用载荷P 除以压痕面积F ，所得到
的单位表面积上所受的力P ／F 即为布氏硬度值，以符号
HB 来表示。

P P HB F Dh π=== 若P 以N 、D 与d 以mm 计，则HB 单位为10MPa ，
习惯上一般不标单位，只标硬度数值。

实际测试时也不需
要用上式计算，只要测出压痕直径d ，即可根据尸、D 和
d 的数值，直接从布氏硬度表中查出HB 值。

由上式可知，
当载荷P 与钢球直径D 一定时，HB 值只与压痕直径d 有
关，d 值愈大，对表示材料对局部塑性变形的抗力愈小，
布氏硬度HB 值愈小；反之，布氏硬度HB 值就愈大。

由于被测金属材料软硬程度不一样，工件大小、厚度又不相同，因而在实际进行布氏硬度实验时，应根据工件的具体情况，按规定选用不同大小的载荷P 和钢球直径D 。

为了使同一材料在不同P 和D 作用下测下的硬度值相同，则要求P/D 2必须保持常数。

我国国这标准中规定，布氏硬度实验时，P/D 2的比值分别为30、10、2.5三种。

根据金属材料的种类、试样硬度范围和厚度的不同，按表1-1选择钢球直径D 、载荷P 及载荷保持时间。

实验所测得的压痕直径d 的大小应在0.25D<d<0.6D 范围内。

若d<0.25D ，则灵敏度和准确性随之降低；若d>0.6D ，则钢球直径的压下量太大，压痕的几何形状不能保持相似的几何关系，也影响结果的准确性。

此时应考虑用其它的P 与D 再进行实验。

布氏硬度值的表示方法：用D=10mm ，P=30kN ，载荷保持时间为10s 所测得硬义值为200时， 则用HB200表示之。

在其它实验条件下，应在符号HB 的右下角注明相应的钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。

例如HB 5/250/30100，表示用D=5mm ，P=2.5kN ，载荷保持时间为30s 的条件下测得的布氏硬度值为100.
布氏硬度实验法因压痕面积较大，能反映较大范围内被测试金属的平均硬度，故测量误差小，实验数据比较稳定。

它适用于测定退火、正火、调质钢以及铸铁、有色金属的硬度。

被测试材料的硬度一级不超过HB450，若试样过硬，可能引起淬硬钢球变形而影响测试数据的准确性。

对于薄片金属或不允许有较大压痕的零件，也不宜采用布氏硬度法。

在一定条件下可利用布氏硬度值近似计算出材料的抗拉强度σb，二者之间存在着下述近似关系：退火状态的低、中碳钢：HB≈120~175，σb≈0.36HB。

调质状态的低中碳钢：HB＞175，σb≈0.34HB 。

2.2 洛氏硬度
2.2.1 实验原理
洛氏硬度的实验原理与布氏硬度实验基本相同，如图2所示。

但它不是测量压痕的面积，而是测量
压痕的深度，并以深度的大小表示材料的硬度值。

材料对塑性变形的抗力愈小，其硬度值也愈小。

图2 洛氏硬度实验原理图
洛氏硬度实验是用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为 1.588mm(1/16英寸)的钢球作为压
头，载荷分为初载荷P0和主载荷P1，先施加初载荷，以消除试样表面轻微不平度对实验精确性的影响。

再施加主载荷P1，其总载荷P=P0+P1。

图2中0-0为初始位置；1-l为压头在初载P0作用下压入试样深度为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为卸除主载荷后，由于试样弹性变形的恢复使压头略微升高后的位置。

洛氏硬度值的计量就是以卸除主载荷后的压痕深度差 (h -h 0)作为基础的。

差值愈大，说明试样愈软；反之，则实验愈硬。

为了和习惯上的数值愈大硬度愈高的概念相一致，故规定自一个常数K 减去(h -h 0)来表示硬度的高低，并规定每0.002mm 为一个洛氏硬度单位。

洛氏硬度值用符号HR 表示，即
0()0.002
K h h HR --= 式中K 为常数，使用金刚石压头时，K ＝0.2mm ；使用钢球压头时，K ＝0. 26mm 。

实际上，洛氏硬度值是刻在硬度计的表盘上，测量时，可从表盘上直接读出被测试样的硬度值。

为了测定软硬不同的金属材料的硬度，通常用不同的压头与载荷组成不同的洛氏硬度标度。

常用标度有三种：HRA 、HRB 、HRC ，其实验规范见表1-2。

其中，HRC 用于测量淬火钢等较硬材料的硬度，HRB 用于测量退火钢、铸铁及有色金属等效软材料的硬度；HRA 用于测量浅层表面硬化钢、硬质合金等硬而薄的工件硬度。

由于洛氏硬度实验所用载荷较大，不宜用来测定极薄工件及表面硬化材料的硬度。

为了解决表面硬度的测量。

在洛氏硬度实验原理的基础上，制造出一种表面洛氏硬度计。

其初载荷为30N ，总载荷为150、300、450N ；并以每0.001mm 压痕深度为一个硬度单位，常数K 为0.1 mm 。

实验时硬度位可以直接从表盘读出。

表面洛氏硬度的表示法：例如使用1／16``钢球压头、300N 总载荷实验时，测得硬度值为60，则以HR 30T 60表示。

表l-3给出了表面洛氏硬度的标度及相应实验条件。

洛氏硬度实验的优点是：操作简单而迅速，可以从表盘上直接读出硬度值，压痕小不损伤工件表面，并可测定软硬不同材料的硬度；缺点是：因为压痕小，当材料内部组织不均匀时，测量的硬度不准确、重复性差。

2.2.2 洛氏硬度计结构及操作
图3为洛氏硬度实验机（硬度计）结构图。

它由机体、工作台、加载机构和千分表指示盘等主要部分组成。

实验时先将试样4置于工作台5上，顺时针转动手轮7，使试样与压头3接触，直至表盘2中小指针指到“0”为止，此时即已施加初载荷100N ，然后将表盘大指针调至零点。

按下按钮9释放转盘16，在重锤12重力作用下，齿杆13便在缓冲器14的控制下匀缓下降，使主载荷通过杠杆10和压头3作用于试样上。

停留数秒钟后再顺时针转动摇柄，使转盘16再转动至原来被销住位置。

由于转盘上小齿轮17使扇齿轮18、齿杆13同时运动，将重锤顶起，卸除了主载荷。

此时大指针退回若干格，说明
弹性变形得到恢复，指针所指读数为所测硬度值。

图3 洛氏硬度实验机结构图
1支点 2 指示器 3 压头 4 试样 5 试样台 6 螺杆7 手轮8 弹簧9 按纽10 杠杆11 纵杆12 重锤13 齿杆14 油压缓冲器15 插销16 转盘17 小齿轮18 扇齿轮
3 实验步骤
（1）清理试样使表面无油脂、氧化皮及其它污物；
（2）根据材料选择硬度计、压头和载荷；
（3）将试样置于工作台上，按硬度计操作规程进行实验，读出数值并作好记录；
（4）移动试样重复实验（布氏硬度重复一次、洛氏硬度共测三次）得出的平均值为硬度值。

4 实验报告要求
(1) 实验目的
(2) 实验设备及仪器
(3) 实验记录及结果
实验二铁碳合金相图实验
1 实验目的
(1) 观察并识别铁碳合金平衡态下的显微组织特征；
(2) 了解铁碳合金含碳量与其平衡组织间的关系；
(3) 了解金相显微镜的构造和使用方法。

图1 铁碳合金的成分、组织、性能的数量变化规律2 实验概述
利用金相显微镜观察金属组织和缺陷的方法，称为显微分析。

在显微镜下所观察到的组织称显微组织。

合金在极其缓慢冷却条件下所得到的组织为平衡组织。

铁碳合金平衡组织是指碳钢和白口铸铁在退火状态下的组织。

2.1 铁碳合金室温下基本组织组成物的显微特征
从Fe －Fe 3C 合金状态图可知，铁碳合金室温下的
平衡组织均由铁素体和渗碳体组成。

但由于含碳量不
同，结晶条件的差别、铁素体和渗碳体的相对数量、形
态、分布和混合情况不同，将组成各种不同特征的组成
部分(称组织组成物)和组织，见图1。

其基本特征如下：
(1) 铁素体(F)是碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，有良
好塑性，硬度较低(HB80~120)，经3~5％硝酸酒精浸蚀
后，在显微镜下呈白色多边形晶粒。

随含碳量的增加接
近共析成分时，往往呈断续的网状分布在珠光体的周
围。

(2) 渗碳体(Fe 3C)是铁与碳的化合物，含碳量
6.69％，抗侵蚀能力较强，经3~5％硝酸酒精溶液浸蚀
后呈白亮色，用碱性苦味酸钠溶液热浸蚀后呈暗黑色，
故可用此法区别碳钢中铁素体与渗碳体。

渗碳体在碳钢
和铸铁中与其他相共存时，可呈现层片状、粒状、网状、
针状或板条状。

(3) 珠光体(P)是铁素体和渗碳体的共析混合物，含
碳量0.77％，平衡态下呈层片状。

经过3~5%硝酸酒精
溶液浸蚀后，在高倍（600倍以上）镜下观察时，珠光
体中平行相间的宽片状铁素体和细片状渗碳体都呈白
亮色，而其边界呈黑色。

若在中倍(400倍左右)镜下观察
时，白亮色渗碳体被黑色边界所“吞食”，而成为细黑色层片状。

此时珠光体是白色宽片状铁素体和细黑色片状渗碳体的相间混合物。

在低倍(200倍以下)镜下观察时，则片状难于分辨，此时珠光体呈黑色多边形块状组织。

(4) 低温莱氏体(L`d)是珠光体和渗碳体的机械混合物。

含碳量为4.3%，其特征为白亮色渗碳体基体上均匀分布着许多黑色颗粒状或条状珠光体。

2.2 铁碳合金平衡组织显微分析
Fe —Fe 3C 合金状态图上的各种合金，按其含碳量与平衡组织的不同分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁。

其中，碳钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；白口铸铁又可分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。

其含碳量、显微组织特征见下表1。

3 实验设备及试样
(1) 设备金相显微镜。

(2) 试样铁碳合金平衡状态金相试样一套。

见表2。

表2 铁碳合金平衡状态试样
4 实验步骤
(1) 了解金相显微镜构造及操作方法；
(2) 认真观察表2所列各试样的显微组织；识别各显微组织的特征：
(3) 在显微镜下选择典型区域并绘出各样品显微组织示意图；
(4) 分析未知试样，指出其合金名称、组织，估算其大致含碳量。

5 实验报告
(1) 实验目的
(2) 实验设备及试样
(3) 绘出所有试样显微组织示意图(用箭头或示意线标明各组织组成物，并标明材料、放大倍数、浸蚀剂)。

以1～3、9～11号试样为例。

(4) 说明未知试样名称、含碳量、组织组成物。

(5) 问答题：
(a) 珠光体组织在低倍镜下观察和高倍镜下观察时有何不同?为什么?
(b) 在铁碳合金显微组织中，铁素体和渗碳体有哪几种形态?它们分别在什么情况下出现？
附录一金相显微镜的基本原理、构造及使用
观察分析金相显微组织的光学显微镜称金相显微镜。

金相显微镜与生物显微镜不同，生物显微镜是利用透射光来观察透明的物体；金相显微镜则是利用反射光将不透明物体放大后进行观察。

1 金相显微镜成像原理
正常人眼看物体时，最适宜的距离大约是250mm左右。

此时可以很好地区分物体细微部分眼睛又不致疲劳，此距离称为明视距离。

人眼在明视距离处能分辨的两点间最小距离为0.15~0.30mm，因此在观察金属材料细微组织时，需借助金相显微镜放大。

最简单的显微镜可由两个透镜组成。

图2为显微镜光学成像原理示意图。

对着被观察物体AB的透
镜叫物镜，对着人眼的透镜目镜。

物镜使物体AB 形成放大的倒立实像A`B`，目镜再将A`B`放大成仍然倒立的虚像A``B``，其倒立位置正好在人眼的明视距离处，于是在显微镜目镜中看到消晰的图像A``B``。

1.1 放大倍数(M )
o a o a
L D M M M f f == 式中：M —显微镜总放大倍数
M a —目镜放大倍数
M o —物镜放大倍数
f o —物镜的焦距
f a —目镜的焦距
L —显微镜的光学镜筒长度
D —明视距离(250mm)
由上式可知，f o 、f a 越短或L 越长，则显微
镜放大倍数越大。

使用时显微镜总的放大倍数就
是物镜和目镜放大倍数的乘积。

1.2 物镜的鉴别率
物镜的鉴别率是指物镜既能清晰分辨试样上两点间最小中离(d )的能力。

其数学公式为
2d NA λ
=
式中：λ—光源波长 NA —数值孔径，表征物镜的聚光能力
由上式可知．物镜的数值孔径NA 愈大，入射光的波长愈短，则物镜能分辨出物体相邻两点的最小距离愈小，即其鉴别率愈高。

当物镜不变时，可在光程中加入不同颜色滤光片来改变射入光的波长λ，以此来提高显微镜鉴别率。

如蓝色光的波长(λ＝0.44um)比黄绿色(λ=0.55um)短，因此用蓝色光比黄绿色光鉴别率高。

当光线波长一定时，可用改变物镜数值孔径来调节显微镜鉴别率。

1.3 物镜的数值孔径
数值孔径表示物镜的聚光能力，以NA 表示，其数学表达式如
下：
sin NA n θ=
式中：n —物镜和试样间介质的折射率；θ—物镜孔径角的半角
由于孔径角的半角θ总是小于90°，空气的折射率为1，故以
空气为介质的干系物镜的数值孔径NA 总是小于1，目前最高可达
0.95。

若采用油浸物镜，在试样与物镜间滴以折射率为1.51的杉木
油为介质，则其数值孔径NA 可达1.43，这比一般以空气为介质时
鉴别率提高了很多。

1.4 金相显微镜有效放大倍数
人眼在明视距离处能分辨的两点最小距离为0.15~0.30mm ，故在显微镜下要观察的两点最小距离为人眼所分辫，必须把d 放大到0.15~0.30mm ，即显微镜有效放大倍数M 应为：
0.15~0.30M d
= 图2 显微镜光学原理图
图3 孔径角
而 2d NA λ
=
故 (0.3~0.6)NA
M λ=
若取照明光的平均波长为0.55um ，则近似得M=(500~1000)NA
由此可见，即使用数值孔径值NA 为1.43的油浸物镜，也只能在1500倍以下才有效，这正是光学金相显微镜的局限性。

2 金相显微镜构造
金相显微镜是由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成，完善的金相显微镜还有照相装置和其他附件。

金相显微镜型式很多，最常用的有台式、立式和卧式三大类。

图4、图5为国产XJB-1(4×)型小型台式金相显微镜外形及照明系统图。

图5是其光学系统，由灯泡发出一束光线，经聚光镜组2及反光镜7被汇聚在孔径光栅8上，再经聚光镜3，将光线聚集在物镜的后焦面上，最后经过物镜使试样表面得到充分均匀的照明。

从试样反射回来的光线复经物镜6，辅助透镜5，半反光镜4，辅助透镜10以及棱镜11、12，造成一个物体的倒立放大实像，该像再经场镜13和目镜14组成的目镜放大，即得到所观察的试样表面的放大图像。

图4 XJB-1型金相显微镜外形图 图5 XJB-1型金相显微镜光学示意图
1 载物台
2 镜架
3 物镜转换器
4 微动座 1 灯泡 2 聚光镜组(一) 3 聚光镜组(二)
5 粗动调焦手轮
6 微动调焦手轮
7 照明装置 4 半反射镜 5 辅助透镜(一) 6 物镜组 7反光镜
8 底座
9 平台托架 10 碗头组 11 视场光栅 8 孔径光栅 9 视场光栅 10辅助透镜(二)
12 孔径光栅 11 棱镜 12 棱镜 13 场镜 14 接目镜
3 金相显微镜使用注意事项
金相显微镜属精密、贵重仪器，必须细心谨慎使用，认真负责维护，操作步骤如下：
(]) 初用前，应先了解显微镜构造；各主要部件所在位置，作用及调试方法。

(2) 按放大倍数要求，选配好物镜及目镜。

(3) 移动载物台，使物镜位于载物台中心孔的中央，然后把金相试样倒置于载物台上
(4) 将照明灯插头插入低压(6~8V)变压器插座中，接通变压器电源，并开灯。

(5) 调焦时应先将载物台降下，使样品尽量靠近物镜，然后用双手旋转粗调旋钮，使载物台慢慢上升，待看到组织时，再调节微调旋钮，直至图像清晰为止。

(6) 观察完毕，应立即关灯，以延长灯泡使用寿命。

(7) 试样要干净，切勿用手触摸镜头，操作时不得碰撞，严禁随意拆卸重要零件。

附录二金相试样制备
进行金相分析，应根据各种检验标准和规定制备试样。

通常金相试样的制备步骤为：取样、镶嵌、标号、磨光、抛光、显示。

但并非每个金相试样的制备都必须经历上述步骤。

如果选取的试样形状、大小合适，便于握持磨制，则不必进行镶嵌；如果检验金属材料的非金属夹杂物或铸铁中的石墨，就不必进行浸蚀。

总之，应根据检验目的来确定制样步骤。

1 取样
取样部位必须与检验目的和要求相一致，使所切取的试样具有代发性。

例如，检验裂纹产生的原因时，应在裂纹部位取样，并且还应在远离裂纹处取样，以资比较；检验铸件时，应在垂直于模壁的横断面上取样，对于大型铸件，还应从表面至中心的横断面上取3~5个试样，磨制横断面，由表面到中心逐个进行观察比较。

试样截取可用手锯、砂轮切割、机床截取、气割以及锤击等。

试样尺寸要便于握持和磨制。

常用的是φ12×10的圆柱形试样，或12×l 2×10的正方体试样，对非规则或尺寸细小的试样可采用镶嵌法或机械装夹法。

2 磨光
软材料的粗磨可用锉刀锉平，一般钢铁用砂轮机磨平，打磨时用水冷却，以防温度升高引起组织变化。

细磨可用手工磨或机械磨，手工磨是在金相砂纸上研磨。

国产金相砂纸按粗细分为01、02、03、04、05等号。

研磨时依次用01号磨至05号，且每换一号砂纸时将试样转90°，以观察上道磨痕是否被磨去。

研磨软材料时，可在砂纸上涂—层润滑刑(如机油、汽油、甘油、肥皂水等)，以免砂粒嵌入试样磨面。

为加快研磨速度，可采用在转盘上贴水砂纸的预磨机进行机械磨。

水砂纸按粗细有200、300、400、500、600、700、800．900号等。

用水砂纸盘磨样时，应不断加水冲却。

同样每换一号砂纸时，试样需用水冲洗干净，调换90°方向。

3 抛光
为了使磨面成为镜面，试样还需进行抛光。

通常有机械抛光、电解抛光、化学抛光等。

使用最广的是机械抛光。

机械抛光在专用抛光机上进行。

抛光机主要由电动机和水平抛光盘组成，转速为200~600r／min。

抛光盘上铺以细帆布、昵绒、丝绸等抛光织物。

抛光时不断地滴注抛光液(Al2O3、Cr2O3、MgO等在水中的悬浮液)。

将试样的磨面均匀、平正地轻压在旋转的抛光盘上，通过极细的抛光粉与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕。

待试样表面呈光亮镜面时，抛光即告华。

电解抛光是将试样放入电解槽中作为阳极，用不锈钢板或铅板作阴极，通以直流电流，使试样表面凸起部分被溶解而抛光。

电解抛光速度快、表面光洁且不产生塑性变形，但工艺规范不易控制。

化学抛光是依照化学溶液对试样表面的电化学溶解而获得抛光表面的方法。

它是将试样浸入抛光液中或用棉花浸沾抛光液后，在试样磨面上来回擦试。

化学抛光兼有抛光和浸蚀作用，可直接显示金相组织，供显微镜下观察。

4 显示
经抛光后的试样磨面，如果直接放在显微镜下观察，只能看到一片光亮，除某些夹杂物或石墨外，无法辨别出各种组织的组成物及其形态特征。

因此，必须使用浸蚀剂对试样表面进行显示。

最常用的显示方法是化学浸蚀法。

碳钢及铸铁常用的浸蚀剂为3~5％的硝酸酒精溶液或4％的苦味酸酒精溶液。

化学浸蚀的原理就是利用浸蚀剂对试样表面所引起的化学溶解作用或电化学作用(即微电池原理)来显示金属的组织。

它们的浸蚀方法取决于组织中组成相的性质和数量。

对于纯金属或单相合金来说浸蚀仍是一个纯化学溶解过积，由于金属及合金的晶界上原子排列混乱，具有较高的能量，因此晶界处较容易被浸蚀而呈现凹沟。

如图6所示，在显微镜下观察时，光线在晶界处被散射，不能进入物镜而显示出黑色晶界，在晶粒平面上的光线则散射较少，将显示出明暗不同的晶粒。

对于两相以上的合金组织来说，浸蚀主要是电化学腐蚀过程。

由于各组成相的成分不同，各自具有不同的电极电位，当试样浸入具有电解液作用的浸蚀剂中，就在两相之间形成无数对“微电池”，具有负电位的一相成为阳极，被迅速地溶入浸蚀剂中，而使该相形成凹洼，具有正电位的一相成为阴极，在正常电化学作用下不受浸蚀而保持原有的光滑表面。

当光线照射到凹凸不平的试样表面时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下就能观察到各种不同的组织及组成相，见图7。

图6 纯铁组织显示原理图7 珠光体显示原理图
a) 晶界处光线的散射b) 纯铁显微组织示意图。