金属学及热处理

金属材料与热处理

实验指导书

湖南大学

材料科学与工程学院

学生实验守则

1.不得随意乱动实验室内仪器、开关等

2.未经允许，不得将实验室内物品或实验完毕后的试料携出室

外。

3.实验室内不得喧哗、打闹，不准吸烟，应注意保持室内卫生。

4.注意节约水、电、药、材料等。

5.爱护仪器设备，应预先了解一起使用方法，然后按操作规程

使用之，禁止拆卸仪器。

6.仪器辱有损坏应立即主动向指导老师报告，仪器损坏时，按

赔偿制度办理。

7.实验前须预先阅读本次实验指导书及有关材料，实验时应按

指导书进行实验。

8.认真记录实验结果，及时完成实验报告。

9.实验完毕业后经过教师检查仪器情况后，方的离开实验室。

实验一金相显微镜的使用及金相试样的制备

一、实验目的

（一）了解普通金相显微镜的构造与使用方法。

（二）了解金相试样的制备方法。

（三）学习使用金相显微镜观察金相组织。

二、实验概述：

（一）金相显微镜

显微镜是由两组透镜所组成。靠近被观察物体的透镜叫物镜。而靠近人眼的透镜叫目镜。借助物镜和目镜的两次放大，就能将的体放大到很高的倍数（~2000倍），图II所示是在显

微镜中得到放大物像的光学原理图。

被观察的物体AB 放在物镜之前距其焦距略远处，由物体反射的光线穿过物镜。经折射后得到一个放大了的倒立实像A'B'，再经目镜将实像AB 放大成倒立虚像A '''B''。这就是人们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像。

在显微镜设计时，让目镜的焦点位置与物镜放大所成的实像位置接近，并使最终的倒立虚像在距眼睛250毫米（约是人眼的正常明视距离）处成像，这样就可以看得最为清晰。

显微镜质量的好坏，主要取决于：①放大倍数；②透镜的质量；③显微镜的鉴别能力。

2、 显微镜的放大倍数：图II

物镜的放大倍数：N 物=L/F 1

目镜的放大倍数：N 目=D/F 2

显微镜的总放大倍数应为物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积，即：

2

1F F D L N N N **?＝＝目物总 其中：L-------显微镜的光学筒长度（物镜后焦点与目镜前焦点的距离）。

D-------明视距离（250mm ）

F 1-----物镜焦距。

F 2-----目镜焦距。

3、 透镜成象的质量

单个透镜在成象过程中，由于几何光学条件的限制，映象会变得模糊不清或发生畸变，这种缺陷称为象差。象差主要包括球面明差和色象差。

球面差的产生是由于透镜的表面呈球曲形。通过透镜中心及边缘的光线折射以后不能交于一点，而形成几个映象前后分布。有校正球面象差的采用多片透镜组成透镜组，即将凸透镜和凹透镜组合在一起（称为复合透镜），由于两种透镜有性质相反的球面象差，因此可以相互抵消。

色象差的产生是由于组成白光的各种不同波长的光线在穿过透镜时折射率不同。这些光在平面上成的象不能集中于一点，而呈现带有彩边的光环。通常采用单色光源（或加滤光片）。也可使用复合透镜来消除色象差。

4、 显微镜的鉴别能力

显微镜的鉴别能力是显微镜也是物镜最重要的特性，它是指显微镜对于试样上最细微部分，能获得最清晰映象的能力。

通常用可以辨别的物体上两点间的最小距离d 来表示。被分辨的距离越短，表示显微镜的鉴别能力越高。

显微镜的鉴别能力可由下式求得：

()A N d *=2λ

式中：λ——入射光源的波长

N ﹡A ——物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力

数值孔径可由下式求出：()Φ*=*sin ηA N

式中：

?——物镜与物体间介质的折射率。

Ф——通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。

一般情况物镜与物体之间的介质是空气，光线在空气中的折射率?=1，若一物镜的角孔径为60o C ，则其数值孔径为：

()()

5.030sin 130sin 00=*=*=*ηA N

若在物镜与试样之间滴入一种松柏油(?=1.52),则其数值孔径为:N ﹡A=1.52*Sin30°=0.76,可用这种方法提高显微镜的鉴别能力。

物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头的外壳上，例如镜头上刻有25/0.50或在65×的下面刻有0.75等数字，这个0.50或0.75即表示物镜的数值孔径。高倍物镜通常都为油浸系，油镜头用“油”（或OIL ，OL ，HL ）或外壳涂一黑圈来表示。

5、 金相显微镜的使用及维护

金相显微镜是精密、贵重的光学仪器，必须细心谨慎使用，注意做到下列各点：

（1）显微镜应放置于平稳的桌面上。

（2）在使用显微镜以前必须将手上污物洗净擦干。

（3）旋转显微镜支柱上的粗调螺丝或细调螺丝可调节焦距。先放置粗调螺丝，当呈

现出模糊的映象时，再转动细调螺丝，直到所观察的象清晰为止。在旋转粗调或细调螺丝时，必须缓慢，不可骤然上升或下降。

（4）移动样品的位置，可推移载物盘。

（5）物镜或目镜不得用手指或其它粗糙物品接触，其玻璃部分如附有污物应以擦镜低或细绒布抹擦之，但不得使用酒精，以防透镜被溶解。

（6）在调节焦距时，应先旋转粗调螺丝降低载物台。使样品很接近物镜，但切勿与之相碰，防止物镜损坏，然后再先后放置粗调和细调螺丝，使载物台缓慢上移，并在目镜中观察图象。 不同介质对物镜聚光能力的比较

（7）显微镜上所装各种部件不得取下。

（8）金相样品的观察面不得用手指抚摸。当样品不在显微镜上观察时，应将观察面朝上。

（二）金相样品制备规程

制备显微试样包括取样、磨光、抛光及浸蚀四个步骤。本实验只进行金相样品的磨光、抛光和浸蚀。

1、取样

取样时应根据被分析材料或零件的特点。选择有代表性的部分。例如研究零件破裂原因时，应在破裂部位及正常部位取样，进行比较分析。试样最适合的尺寸是直径为12mm，高为10mm的圆柱体或面积为12*12mm2，高10mm的长方体。

根据材料性质不同，可用手锯、用车床切削、用锤子击碎以及用砂轮切割等方法截取试样。在取样过程中应注意防止试样受热组织发生变化。

取得试样后，应将试样表面制成平面，同时边缘要倒成圆角（如分析化学热处理表面组织时则不能倒角）。

2、磨光

试样抹平后，须用清水冲洗干净并擦干，然后进行磨光，磨光可用手工或机械两种方法。

（1）手工磨光手工磨光是在不同号数的金相砂纸上进行。砂纸号数由01，02，03，04四种。01砂纸最粗，04号砂纸最细。磨光时所用砂纸从粗到细顺序进行，磨光过程中，磨削压力不宜过大，用力要均匀。

在一张砂纸上磨好后，应将试样冲洗干净，然后将试样转90O换细一号的砂纸再磨。这样，又粗到细依次磨削，磨好后将试样洗净，然后在抛光机上抛光。

（2）机械磨光一般是在预磨机上进行，即把砂纸用水玻璃粘在预磨盘上使用，试样易从粗砂纸到细砂纸依次分别进行磨光。

3、抛光

抛光的目的是除去试样表面的细磨痕，最后得到一个光亮的镜面。抛光分为机械抛光、电机抛光和化学抛光三种方法，其中以机械抛光应用最广。

机械抛光是在抛光机上进行。抛光机是由电机和水平抛光盘（直径200~250mm）组成。抛光盘上铺有固紧的抛光织物，抛光钢试样时一般使用细呢绒，抛光铸铁时则使用如帆布、白色的确良等绒毛较短的抛光织物，以防止灰口铸铁中的石墨脱落，抛光铝、镁、铜等有色金属可用细丝绒。

在抛光过程中，应不断将抛光也洒在抛光盘上，抛光液是由抛光粉与水配成细的悬浮液。抛光钢和铸铁使用的抛光粉为氧化铝和氧化铬，有色金属等软材料可用细粒度的氧化镁。

抛光时压力不宜过大，抛光时间取决于试样表面磨光的质量，一般约为5~15分钟。

金相试样经抛光后，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应抛掉或有拽尾现象。这时试样先用清水冲洗，在用无水酒精清洗磨面，然后用吹风机吹干。

4、显微试样的浸蚀

金相试样经抛光后，在显微镜下观察只能看到光亮的表面和夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等。要观察金属的组织，必须经过适当的腐蚀，使显微组织能正确的显示出来。浸蚀方法有化学浸蚀方法和电解法两种。

化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂(常用酸、碱、盐的酒精或水溶液）中浸润或拭擦一定时间。由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电位，在浸蚀剂中就构成了许多微电池，电极电位的相位为阳极而被溶解，电极电位高的相位阴极而保持不变。故浸蚀后就形成凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射清款不同，就能观察到金属的组织特征。

纯金属及单相合金浸蚀时由于晶界原子排列较乱，缺陷及杂质较多，具有较多的能量，故晶界易被浸蚀而呈沟壑。在显微镜下观察时，使光线在晶界处被浸射而不能进入物镜，因次显示出一条条黑色的晶界。

应当指出，纯金属与单相合金中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位相不同，也会使磨面上个晶粒的浸蚀程度不一致，在垂直光线照射下，个个经历就呈现出明暗不一的颜色。化学浸蚀剂的种类很多，浸蚀剂的选用是根据试剂材料的性质及浸蚀的目的来决定。对于碳钢及铸钢，最常用的浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液或4%苦味酒精溶液。

浸湿时，应将试样浸入一盛有浸蚀剂的容器内，并不断的轻微移动。待浸蚀适度后取出试样，迅速用水冲洗，再用无水酒精冲洗，然后用吹风机吹干，其表面须严格保持清洁。

浸蚀时间取决于金属的性质、浸蚀剂的浓度以及显微镜下观察时的放大倍数。总之，浸蚀时间以在显微镜下能清晰地揭示出组织的细节为准。若浸蚀不足，可再继续进行浸蚀，但一旦浸蚀过度。试样则需要重新抛光再进行浸蚀。

三、实验设备：

金相显微镜、砂轮机、抛光机、吹风机、玻璃板、培养皿、镊子。

四、材料：

金相试样、砂纸一套、抛光液（Al2O3）、腐蚀剂（4%硝酸酒精溶液）、药棉

（一）按上述说明制作金相样品。

（二）利用金相显微镜观察浸蚀前与浸蚀后的金相试样。

六、实验报告要求：

画出金相试样浸蚀后的显微组织示意图（画显微组织时应选择其典型区域，并抓住其组织特征）。