东南大学：分析测试中心学习指导（实验原理）工程材料实验（共七个实验）.pdf_大学文库

实验一金相样品的制备一、实验目的 1、初步掌握金相样品的制备过程： 2、了解显微组织的显露方法。二、实验原理利用金相显微镜来研究金属和合金组织的方法叫光学显微分析法。它可以解决金属组织方面的很多问题，如非金屈夹杂物，金屈与合金的组织，品拉的大小和形状，偏析、裂纹以及热处理工艺是否合理等。金相样品是用来在显微镜下进行分析、研究的试样，金相样品的制备过程包括取样、磨光、抛光、腐蚀等步骤。 1、取样显微试样的选取应根据研究目的，取其具有代表性的部位。例如，在检验和分析失效秀件的损坏原因时，除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏较远的部位截取试样，以便比较在研究金属组织时，由于存在偏析现象，必须从表层到中心同时取样进行封生和锻造材料，则应同时截取横向（垂直于轧制方向）及纵向（平行于轧制方向）的金相试样以便于分析比较表层缺陷及非金属夹杂物的分布情况：对于一般热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样的截取可在任一截面进行。试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或据床切割，硬而脆的材料 (如白口转铁)则可用锤击取下，对极硬的材料（如淬火钢），则可采用砂轮片切割或电火花线切制加工。但不论用哪种方法取样，都应避免试样受热或变形而引起金属组织变化。为防止受热，必要时应随时用水冷却试样。试样尺寸一股不要过大，应使于握持和易于磨制其尺寸常采用直径为12~15mm的圆柱体或边长为12~15mm的方形试样。对形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，或为了试样不发生倒角，可采用图11所示的镶嵌法或机械装夹法。试样 ①低培点合金德帐 ④塑料镶帐图1】金相试样的储嵌方法图镶嵌法是将试样镶嵌在镶嵌材料中，目前使用的镶嵌材料有热固性塑料（如胶木粉）及热塑性材料（聚乙烯、聚合树脂）等。此外还可将试样放在金属圈内，然后注入低熔点物质如低熔点合金等。 2、磨制试样的磨制一般分为粗磨和细磨两道工序，粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。试样截取后，将试样的磨面用砂轮或锉刀制成平面，同时尖角倒圆。在砂轮上磨制时应握紧试样，压力不宜过大并随用水冷却，以防受热引起金属组织变化。经粗磨后试样表面虽较平整，但仍存在有较深的磨痕。 1

1 实验一金相样品的制备一、实验目的 1、初步掌握金相样品的制备过程； 2、了解显微组织的显露方法。二、实验原理利用金相显微镜来研究金属和合金组织的方法叫光学显微分析法。它可以解决金属组织方面的很多问题，如非金属夹杂物，金属与合金的组织，晶粒的大小和形状，偏析、裂纹以及热处理工艺是否合理等。金相样品是用来在显微镜下进行分析、研究的试样，金相样品的制备过程包括取样、磨光、抛光、腐蚀等步骤。 1、取样显微试样的选取应根据研究目的，取其具有代表性的部位。例如，在检验和分析失效零件的损坏原因时，除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏较远的部位截取试样，以便比较；在研究金属铸件组织时，由于存在偏析现象，必须从表层到中心同时取样进行观察；对轧制和锻造材料，则应同时截取横向（垂直于轧制方向）及纵向（平行于轧制方向）的金相试样，以便于分析比较表层缺陷及非金属夹杂物的分布情况；对于一般热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样的截取可在任一截面进行。试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击取下，对极硬的材料（如淬火钢），则可采用砂轮片切割或电火花线切割加工。但不论用哪种方法取样，都应避免试样受热或变形而引起金属组织变化。为防止受热，必要时应随时用水冷却试样。试样尺寸一般不要过大，应便于握持和易于磨制。其尺寸常采用直径为 12～15mm 的圆柱体或边长为 12～15mm 的方形试样。对形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，或为了试样不发生倒角，可采用图 1.1 所示的镶嵌法或机械装夹法。图 1.1 金相试样的镶嵌方法图镶嵌法是将试样镶嵌在镶嵌材料中，目前使用的镶嵌材料有热固性塑料（如胶木粉）及热塑性材料（聚乙烯、聚合树脂）等。此外还可将试样放在金属圈内，然后注入低熔点物质，如低熔点合金等。 2、磨制试样的磨制一般分为粗磨和细磨两道工序。粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。试样截取后，将试样的磨面用砂轮或锉刀制成平面，同时尖角倒圆。在砂轮上磨制时，应握紧试样，压力不宜过大，并随时用水冷却，以防受热引起金属组织变化。经粗磨后试样表面虽较平整，但仍存在有较深的磨痕

细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，并为进一步的抛光做好准备，如图 2所示，将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，随即依次用由粗到细的各号金相砂纸将磨面磨光。常用的砂纸号数有01、02、03、04等几种，前者磨粒较粗，后者较细磨制时砂纸应平铺于厚玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，使磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制，用力要均匀，务求平稳，否则会使磨痕过深，而且造成磨面的变形。试样退回时不能与沙纸接触，以保证磨面平整而不产生那府。这样“单程单向地反复进行，直至磨面上旧的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致时为止。在调换下一号更细砂纸时，应将试样上磨屑和砂粒清除干净，并转动90，即与上一道磨痕方向垂直为了加快磨制速度，除手工磨制外，还可以将不同型号的砂纸贴在带有旋转圆盘的顶磨机上，实现机械磨制。切制痕粗路粗磨细细磨图12试样磨而上磨痕变化情况示意图 3、抛光抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广，本实验仅介绍机械抛光。机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘（直径200 300mm)组成抛光盘转速为200一600min。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等。抛时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用AlO、MgO或CO等细粉末（粒度约为 0.5~5μ)在水中的悬浮液。机械抛光就是靠极细的抛光粉对磨面的机械作用来消除磨痕而使其成为光滑的镜面。抛光织物和磨料可按不同要求选用。对于抛光织物的选用，锅一般用细帆布和丝线：为防止石墨脱落或尾，灰铸铁可用没有绒毛的织物铝、镁、铜等有色金属可用细丝线。对于磨料的选用，一般来说，钢、铸铁可用氧化铝、氧化铬及金刚石研磨音，有色金属等软材料可用细粒度的氧化镁。在实际使用中，应根据织物的性能及被抛光试样的特点，灵活选用。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并沿盘的边缘到中心不断做径向往复运动，同时，试样自身略加旋转，以便试样各部分抛光程度一致及避免曳尾现象的出现。抛光过程中抛光液滴注量的确定以试样离开抛光盘后试样表面的水膜在数秒钟可自行挥发为宜。抛光时间一般为3 omin. 抛光后的试样，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应抛掉或有曳尾现象。抛光后的试样应用清水冲洗干净，然后用酒精冲去残留水滴，再用吹风机吹干。 2

2 细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，并为进一步的抛光做好准备，如图 1.2 所示，将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，随即依次用由粗到细的各号金相砂纸将磨面磨光。常用的砂纸号数有 01、02、03、04 等几种，前者磨粒较粗，后者较细。磨制时砂纸应平铺于厚玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，使磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制，用力要均匀，务求平稳，否则会使磨痕过深，而且造成磨面的变形。试样退回时不能与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度。这样“单程单向” 地反复进行，直至磨面上旧的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致时为止。在调换下一号更细砂纸时，应将试样上磨屑和砂粒清除干净，并转动 90º，即与上一道磨痕方向垂直。为了加快磨制速度，除手工磨制外，还可以将不同型号的砂纸贴在带有旋转圆盘的预磨机上，实现机械磨制。图 1.2 试样磨面上磨痕变化情况示意图 3、抛光抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广，本实验仅介绍机械抛光。机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘（直径 200～ 300mm）组成，抛光盘转速为 200～600r/min。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用 Al2O3、MgO 或 Cr2O3等细粉末（粒度约为 0.5～5µm）在水中的悬浮液。机械抛光就是靠极细的抛光粉对磨面的机械作用来消除磨痕而使其成为光滑的镜面。抛光织物和磨料可按不同要求选用。对于抛光织物的选用，钢一般用细帆布和丝绒；为防止石墨脱落或曳尾，灰铸铁可用没有绒毛的织物；铝、镁、铜等有色金属可用细丝绒。对于磨料的选用，一般来说，钢、铸铁可用氧化铝、氧化铬及金刚石研磨膏，有色金属等软材料可用细粒度的氧化镁。在实际使用中，应根据织物的性能及被抛光试样的特点，灵活选用。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上，并沿盘的边缘到中心不断做径向往复运动，同时，试样自身略加旋转，以便试样各部分抛光程度一致及避免曳尾现象的出现。抛光过程中抛光液滴注量的确定以试样离开抛光盘后试样表面的水膜在数秒钟可自行挥发为宜。抛光时间一般为 3～ 5min。抛光后的试样，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应抛掉或有曳尾现象。抛光后的试样应用清水冲洗干净，然后用酒精冲去残留水滴，再用吹风机吹干

4、浸蚀抛光后的试样磨面是一光滑镜面，若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物、石墨、孔洞、裂纹外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法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）中浸蚀或擦拭一定时间。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，电极电位低的相为阳极而被溶解，电极电位高的相为阴极而保持不变。故在浸蚀后就形成了凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射情况不同，就能规察到金属的组织兴特征纯金属及单相合金浸蚀时，由于品界原子排列较乱，缺陷及杂质较多，具有较高的能量故品界易被浸蚀而呈凹沟。在显微镜下观察时，光线在晶界处产生漫反射而不能进入物镜，因此显示出一条条黑鱼的品界，如图13()所示。对于两相合金，由于电极电位不同，负电位的一相被腐蚀形成凹沟，当光线照射到四凸不平的试样表面时，就能看到不同的组成相如图13b)所示。应当指出，金属中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位向不同，也会使磨面上各晶粒的浸蚀程疲不一致，在垂直光线照射下，各个晶粒就呈现明暗不一的颜色。化学浸蚀剂的种类很多，应按金展材料的种类和浸蚀的目的，洗择恰当的浸蚀剂（见附录1)。浸蚀时，应将试样磨面向上浸入一盛有浸蚀剂的容器内，并不断地轻微晃动（或用棉花沾上浸蚀剂擦拭磨面)，待浸蚀适度后取出试样，迅速用水冲洗，接着用酒精冲洗，最后用吹风机吹干，其表面需严格保持清洁。浸蚀时间要适当，一般试样磨面发暗时就可停止，其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洁渐地显示出组织的细节为准。若浸冲不足，可面重复讲行浸冲，但一旦浸蚀过度，试样则需重新抛光，甚至还需在最后一号砂纸上进行磨光被没的品体/ 未受没性的相受浸丝的相】倒铁素体品界 6层片状元图1.3单相和两相组织的显示图三、实验设备及材料】、光学金相易微镜」 2、工业纯铁显微组织试样】 3、试样切割机、砂轮机、预磨机、抛光机、抛光粉：不同型号的金相砂纸 4、3%硝酸酒精溶液、酒精、棉花、吹风机等。 3

3 4、浸蚀抛光后的试样磨面是一光滑镜面，若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物、石墨、孔洞、裂纹外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法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）中浸蚀或擦拭一定时间。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，电极电位低的相为阳极而被溶解，电极电位高的相为阴极而保持不变。故在浸蚀后就形成了凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射情况不同，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，具有较高的能量，故晶界易被浸蚀而呈凹沟。在显微镜下观察时，光线在晶界处产生漫反射而不能进入物镜，因此显示出一条条黑色的晶界，如图 1.3(a)所示。对于两相合金，由于电极电位不同，负电位的一相被腐蚀形成凹沟，当光线照射到凹凸不平的试样表面时，就能看到不同的组成相，如图 1.3(b)所示。应当指出，金属中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位向不同，也会使磨面上各晶粒的浸蚀程度不一致，在垂直光线照射下，各个晶粒就呈现明暗不一的颜色。化学浸蚀剂的种类很多，应按金属材料的种类和浸蚀的目的，选择恰当的浸蚀剂（见附录Ⅰ）。浸蚀时，应将试样磨面向上浸入一盛有浸蚀剂的容器内，并不断地轻微晃动（或用棉花沾上浸蚀剂擦拭磨面），待浸蚀适度后取出试样，迅速用水冲洗，接着用酒精冲洗，最后用吹风机吹干，其表面需严格保持清洁。浸蚀时间要适当，一般试样磨面发暗时就可停止，其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显示出组织的细节为准。若浸蚀不足，可再重复进行浸蚀，但一旦浸蚀过度，试样则需重新抛光，甚至还需在最后一号砂纸上进行磨光。图 1.3 单相和两相组织的显示图三、实验设备及材料 1、光学金相显微镜。 2、工业纯铁显微组织试样。 3、试样切割机、砂轮机、预磨机、抛光机、抛光粉；不同型号的金相砂纸。 4、3%硝酸酒精溶液、酒精、棉花、吹风机等

四、实验内容及步骤 1、实验前必须仔细阅读实验教程的有关内容。 2、听取实验指导教师讲解金相显微镜的构造、使用方法等，熟悉显微镜的构造及使用规程。 3、由指导教师讲解金相试样制备的基本操作过程，然后学生每人一块试样，分别进行试样制备全过程的练习，直到制成合格的金相试样。 4、在金相显微镜下观察所制备试样的显微组织特征五、实验报告要求 1、写出实验名称和实验目的 2、简要描述光学金相显微镜的使用规程。 3、说明试样制备的过程及其注意事项。 4、在直径约40mm的圆周内，画出经浸蚀后所制备试样的显微组织图，并注明试样材料、组织类别、浸蚀剂与放大倍数等。六、参考资料 1、GB2975-1998钢材力学及工艺性能试验取样规定： 2、GB/T13298-91金属显微组织检验方法附录（金相显微镜的结构及使用）金相分析是研究工程材料内部组织结构的主要方法之一，特别是在金屈材料的研究领域占有很重要的地位而金相显微镜是进行显微分析的主要工具，利用金相显微镜在专门制各的试样上观察材料的组织和缺陷的方法，称为金相显微分析。显微分析可以观察、研究材料的组织形貌、晶粒大小、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物等）在组织中的数量和分布情况等，即可以研究材料的组织结构与其化学成分组成)之间的关系，确定各类材料经不同加工工艺处理后的显微组织，可以判别材料质量的优劣等。在现代显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。由于光学的原因，金相显微镜的放大倍数为几十倍到2000倍左右签别能力为250nm左石，若观察工材料的更精细结构（如镶嵌块等），则要用近代技术中放大倍数可达几儿十万倍的透射、扫描电子显微镜及X射线行射技术等。以下仅对常用的光学金相显微镜作一简介。 1、金相显微镜的基本原理金相显微镜的基本原理如图14、15所示。它包括两个透镜：物镜和目镜。对者被观察物体的透镜，叫做物镜：对人眼的透镜，叫做目镜。被观察物体AB,放在物镜前焦点F 略远一点的地方。物镜使物体AB形成倒立放大的实像AB1,目镜再把AB放大成正立的虚像AB,它在人眼明视距离处，即距人眼250mm处，人眼通过目镜看到的就是这个虚像 AB,。显微镜的主要性能指标有： ()显微镜的放大倍数。显微镜的放大倍数等于物镜和目镜单独放大倍数的乘积，即物镜放大倍数M广ABAB:目镜放大倍数MH=AB/A B1:显微镜放大倍数-4B:/AB=- M物×MH·物镜和目镜的放大倍数刻在嵌圈上，如10×、20×、45×分别表示放大10 倍、20倍、45倍

4 四、实验内容及步骤 1、实验前必须仔细阅读实验教程的有关内容。 2、听取实验指导教师讲解金相显微镜的构造、使用方法等，熟悉显微镜的构造及使用规程。 3、由指导教师讲解金相试样制备的基本操作过程，然后学生每人一块试样，分别进行试样制备全过程的练习，直到制成合格的金相试样。 4、在金相显微镜下观察所制备试样的显微组织特征。五、实验报告要求 1、写出实验名称和实验目的。 2、简要描述光学金相显微镜的使用规程。 3、说明试样制备的过程及其注意事项。 4、在直径约 40mm 的圆周内，画出经浸蚀后所制备试样的显微组织图，并注明试样材料、组织类别、浸蚀剂与放大倍数等。六、参考资料 1、GB2975-1998 钢材力学及工艺性能试验取样规定； 2、GB/T13298-91 金属显微组织检验方法。附录（金相显微镜的结构及使用）金相分析是研究工程材料内部组织结构的主要方法之一，特别是在金属材料的研究领域占有很重要的地位。而金相显微镜是进行显微分析的主要工具，利用金相显微镜在专门制备的试样上观察材料的组织和缺陷的方法，称为金相显微分析。显微分析可以观察、研究材料的组织形貌、晶粒大小、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物等）在组织中的数量和分布情况等，即可以研究材料的组织结构与其化学成分(组成)之间的关系，确定各类材料经不同加工工艺处理后的显微组织，可以判别材料质量的优劣等。在现代显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。由于光学的原因，金相显微镜的放大倍数为几十倍到 2000 倍左右，鉴别能力为 250nm 左右，若观察工程材料的更精细结构（如镶嵌块等），则要用近代技术中放大倍数可达几十万倍的透射、扫描电子显微镜及 X 射线衍射技术等。以下仅对常用的光学金相显微镜作一简介。 1、金相显微镜的基本原理金相显微镜的基本原理如图 1.4、1.5 所示。它包括两个透镜：物镜和目镜。对着被观察物体的透镜，叫做物镜；对着人眼的透镜，叫做目镜。被观察物体 AB，放在物镜前焦点 F1 略远一点的地方。物镜使物体 AB 形成倒立放大的实像 A1B1，目镜再把 A1B1 放大成正立的虚像 AB1 1   ，它在人眼明视距离处，即距人眼 250mm 处，人眼通过目镜看到的就是这个虚像 AB1 1   。显微镜的主要性能指标有： (1) 显微镜的放大倍数。显微镜的放大倍数等于物镜和目镜单独放大倍数的乘积，即物镜放大倍数 M 物=A1B1/AB；目镜放大倍数 M 目= AB1 1   / A1B1；显微镜放大倍数 M= AB1 1   / AB= M 物×M 目。物镜和目镜的放大倍数刻在嵌圈上，如 10×、20×、45×分别表示放大 10 倍、20 倍、45 倍

图1.4显微镜成像的光学简图图15物镜的孔径角 (2)显微镜的鉴别率。显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间的最小距离d, 值越小，鉴别率就越高。鉴别*是显微镜的一个重要的性能指标，它决定于物镜数值孔径 NA和所用的光线波长入，可用下式表示 d=2N.A. 式中入—入射光线的波长： NA- —物镜的数值孔径：入越小，NA越大，则越小。光线的波长可通过光源或滤色片来选择。当光线波长定时，可改变物镜数值孔径来调节显微镜的鉴别率。 ()物镜数值孔径。数值孔径表示物镜的聚光能力，其大小为 N.A.=n.sina 式中n一物镜与试样之间介质的折射率： ā—物镜孔径角的一半（图1.5）。越大或a角越大，N.A越大。由于a总是小于90°，当介质为空气时(=I),N.A. 定小 1:当介质为松柏油时(n=15,NA.值最高可达14，物镜上刻有NA值，如0,25、 0.65等。 (4)显微镜的有效放大倍数经物镜放大而得到的中间像，又经目镜放大，但目镜放大倍数是有一定范围限制的，近似计算显微镜的有效放大倍数的经验公式如下： M有 =(500-1000)N. 例如：某40×物镜其数值孔径N.A.=0.65,则其有效放大倍数M有为 M=M物XMH M8=M有数=(500~1000)N.A.=(500-1000)×0.65 =325-650X 所以 M=(325~650)40-816× 所以选用的目镜放大倍数为8一16×，均可满足要求，目镜倍数小于8X时 ,不能充分发挥物镜的分辨能力。若大于16×时，只是简单的放大，其物体的像反而不如放大倍数较低时清晰，这种放大称为“虚放大”或“无效放大”。 2、显微镜的构造金相显微镜的种类和类刑很名，但最常见的形式有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统以及机械系统三大部分组成。有的金相显微镜还附带有照相摄影装置。现以国产XB1型金相显微镜为例进行说明

5 图 1.4 显微镜成像的光学简图图 1.5 物镜的孔径角 (2) 显微镜的鉴别率。显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间的最小距离 d， d 值越小，鉴别率就越高。鉴别率是显微镜的一个重要的性能指标，它决定于物镜数值孔径 N.A.和所用的光线波长λ ，可用下式表示 d  2N.A.  式中 λ ——入射光线的波长； N.A. ——物镜的数值孔径； λ 越小，N.A.越大，则 d 越小。光线的波长可通过光源或滤色片来选择。当光线波长一定时，可改变物镜数值孔径来调节显微镜的鉴别率。 (3) 物镜数值孔径。数值孔径表示物镜的聚光能力，其大小为 N.A. n sin    式中 n ——物镜与试样之间介质的折射率； α ——物镜孔径角的一半（图 1.5）。 n 越大或α 角越大，N.A.越大。由于α 总是小于 90º，当介质为空气时（n=1），N.A.一定小于 1；当介质为松柏油时（n=1.5），N.A.值最高可达 1.4。物镜上刻有 N.A.值，如 0.25、 0.65 等。 (4) 显微镜的有效放大倍数经物镜放大而得到的中间像，又经目镜放大，但目镜放大倍数是有一定范围限制的，近似计算显微镜的有效放大倍数的经验公式如下： M 有效=（500～1000）N.A. 例如：某 40×物镜其数值孔径 N.A.=0.65，则其有效放大倍数 M 有效为 M 总=M 物×M 目 M 总= M 有效=（500～1000）N.A.=（500～1000）×0.65 =325～650× 所以 M 目=（325～650）/40=8～16× 所以选用的目镜放大倍数为 8～16×，均可满足要求，目镜倍数小于 8×时，不能充分发挥物镜的分辨能力。若大于 16×时，只是简单的放大，其物体的像反而不如放大倍数较低时清晰，这种放大称为“虚放大”或“无效放大”。 2、显微镜的构造金相显微镜的种类和类型很多，但最常见的形式有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统以及机械系统三大部分组成。有的金相显微镜还附带有照相摄影装置。现以国产 XJB-1 型金相显微镜为例进行说明

XB-1型金相显微镜的结构如图16所示。由灯泡发出一束光线，经聚光镜组及反光镜被汇聚在孔径光阑上，然后经过聚光镜，再度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、辅助透镜、半反射镜以及棱镜，形成一个物体的倒立放大实像。该像再经场透镜和目透镜组成的目镜放大，即可得到所观察的试样表面的放大图像。 XJB-1型金相显微镜各部件的功能及使用简单介绍如下。 (1)图明系绞。在底座内转右作为光源的低压(6~8V,15W)打泡，由变压器路压供电，靠调节次级电压 6 一8V)来政变灯光的亮度。聚光镜、反光镜及孔径光圆形底座上，视场光闲网及另一聚光镜安在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。 (2)调焦装置。在传动箱⑤的两侧有粗动和微动调焦手轮（©和⑦），转动粗调焦手轮可使支承载物台的弯臂做上下移动。微调焦手轮转动时仅使弯臂上下缓慢移动。 3 12 )四 a)结构图光学系统图图1.6XB-1型金相显微镜 (③)载物台。载物台①用于放置金相试样，它与下面托盘之间用导架连接，移动结构采用粘性油膜连接，在手的推动下，可使载物台微水平移动，以改变试样的观察部位。 (4)孔径光阑和视场光阑。孔径光阑0装在照明反射镜座上面，刻有0一5分刻线上，它表示孔径大小的毫米数，视场光阑)装在物镜支架下面，可以旋转滚花套圈来调节视场光阑大小。在套圈上方有两个滚花螺钉，用来调节视场光阑中心，通过调节孔径和视场光闲的大小，可以提高后映像的质量。 (⑤)物镜转换器和物镜。物镜转换器④呈球面形，上面有三个螺孔，物镜②装在螺孔中旋转转换器可使物镜镜头进入光路，并与不同的目镜匹配成各种放大倍数。 (6)目镜管和目镜。目镜管⑩呈45°倾斜式安装在附有棱镜的半球形座上

6 XJB-1 型金相显微镜的结构如图 1.6 所示。由灯泡发出一束光线，经聚光镜组及反光镜被汇聚在孔径光阑上，然后经过聚光镜，再度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、辅助透镜、半反射镜以及棱镜，形成一个物体的倒立放大实像。该像再经场透镜和目透镜组成的目镜放大，即可得到所观察的试样表面的放大图像。 XJB-1 型金相显微镜各部件的功能及使用简单介绍如下。 (1) 照明系统。在底座内装有作为光源的低压（6～8V，15W）灯泡，由变压器降压供电，靠调节次级电压（6～8V）来改变灯光的亮度。聚光镜、反光镜及孔径光阑⒁等均装在圆形底座上，视场光阑⒀及另一聚光镜安在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。 (2) 调焦装置。在传动箱⑤的两侧有粗动和微动调焦手轮（⑥和⑦），转动粗调焦手轮可使支承载物台的弯臂做上下移动。微调焦手轮转动时仅使弯臂上下缓慢移动。 (a) 结构图 (b) 光学系统图图 1.6 XJB-1 型金相显微镜 (3) 载物台。载物台①用于放置金相试样，它与下面托盘之间用导架连接，移动结构采用粘性油膜连接，在手的推动下，可使载物台做水平移动，以改变试样的观察部位。 (4) 孔径光阑和视场光阑。孔径光阑⒁装在照明反射镜座上面，刻有0～5分刻线上，它表示孔径大小的毫米数，视场光阑⒀装在物镜支架下面，可以旋转滚花套圈来调节视场光阑大小。在套圈上方有两个滚花螺钉，用来调节视场光阑中心，通过调节孔径和视场光阑的大小，可以提高后映像的质量。 (5) 物镜转换器和物镜。物镜转换器④呈球面形，上面有三个螺孔，物镜②装在螺孔中，旋转转换器可使物镜镜头进入光路，并与不同的目镜匹配成各种放大倍数。 (6) 目镜管和目镜。目镜管⑩呈 45º倾斜式安装在附有棱镜的半球形座上

实验二铁碳合金的平衡组织一、实验目的 1、研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。 2、分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。二、实验原理铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态即接近平衡状态)所得到的组织。我们可根据 Fe-FeC相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（如图2.1所示）。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe-Fe,C相图的理解从Fe-FcC相图」可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体(F)和渗磷体（©，C)这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表21。 A 10 aoe 图2.1Fc-Fc:C相图用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物， (I)铁素体(F) 一-是碳在aFe中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。用3~4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒：亚共析钢中铁素体呈块状分布：当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。 (2)渗碳体(FeC) 一是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.67% 质硬而脆耐腐蚀性强，经3~4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀、则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状：二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布：三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状有在于铁素体品界处，数量极微，可忽略不计

8 实验二铁碳合金的平衡组织一、实验目的 1、研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。 2、分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。二、实验原理铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。我们可根据 Fe-Fe3C 相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（如图 2.1 所示）。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关。此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对 Fe-Fe3C 相图的理解。从 Fe-Fe3C 相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表 2-1。图 2.1 Fe-Fe3C 相图用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物。 (1) 铁素体（F）——是碳在α -Fe 中的固溶体。铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好塑性，硬度较低。用 3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。 (2) 渗碳体（Fe3C）——是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为 6.67%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经 3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计

表2-2各类组织组成物的机械性能能硬度抗拉蛋断面收缩断后伸长率冲击功 (HB) R(MPa) Z(%) A%) Ag(J) 铁素休 6000 120230 6075 40~50 160 渗碳休 750-820 3035 0 片状珠光停 190-230 860-900 10~15 9-12 2432 球状珠光体 160-190 650-750 18-25 18-25 3237 高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可获得球状珠光体组织。上述各类组织组成物的机械性能见表2-2。 (4)莱氏体(Ld') 在室温时由珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体其中奥体冷却时析出二次姿碳体，并在723℃以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基体上相间地分布若暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。莱氏体的金相特征可参看图2.7。根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。 1、工业纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量<0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和少最三次渗碳体组成。图23所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基体则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的满片状三次渗碳体。图2.3工业纯铁显微组织200× 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液 2、钢鼠在0%0范用内，其组织由铁专林味花体包最的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对数量可由杠杆定律求得。例如：含碳量为0.45%的钢（45钢)珠光体的相对量为 0%)=045100%=566,铁素休的相对量为F(%-08845×100%=449%, 另外，也可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算出钢的碳含量，即碳含量≈P×0.8%,其中P为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到有50%的面积为珠光体，50%的面积为铁素体，则此钢的含碳量

10 表 2-2 各类组织组成物的机械性能硬度 (HB) 抗拉强度 Rm (MPa) 断面收缩率 Z(%) 断后伸长率 A(%) 冲击功 AK(J) 铁素体 60～90 120～230 60～75 40～50 160 渗碳体 750～820 30～35 —— —— ≈0 片状珠光体 190～230 860～900 10～15 9～12 24～32 球状珠光体 160～190 650～750 18～25 18～25 32～37 高碳工具钢（过共析钢）经球化退火处理后还可获得球状珠光体组织。上述各类组织组成物的机械性能见表 2-2。 (4) 莱氏体（Ld′）——在室温时由珠光体及二次渗碳体和渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为 4.3%的共晶白口铸铁在 1147℃时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在 723℃以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基体上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。莱氏体的金相特征可参看图 2.7。根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。 1、工业纯铁纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量＜0.02%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和少量三次渗碳体组成。图 2.3 所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界，而亮白色基体则是铁素体的不规则等轴晶粒，在某些晶界处可以看到不连续的薄片状三次渗碳体。图 2.3 工业纯铁显微组织 200× 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液 2、钢 (1) 亚共析钢亚共析钢的含碳量在 0.02%～0.8%范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，两者的相对数量可由杠杆定律求得。例如：含碳量为 0.45% 的钢（ 45 钢）珠光体的相对量为 0 45 P(%) 100 56 0 8 . % % .    ，铁素体的相对量为 0 8 0 45 F(%)= 100 44 0 8 . . % % .    。另外，也可通过直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，近似地计算出钢的碳含量，即碳含量≈P×0.8%，其中 P 为珠光体所占面积百分数。例如：在显微镜下观察到有 50% 的面积为珠光体， 50% 的面积为铁素体，则此钢的含碳量性组能成物