实验3金相显微镜的使用及铁碳合金的平衡组织观察一、实验目的1.了解金相显微镜的基本构造及成像原理，并学会其使用方法。2.了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织。二、实验内容了解金相显微镜的构造及成像原理，学会其使用。用金相显微镜观察表3-1中的金相试样的显微组织，画出对应的组织示意图，标明材料名称、热处理状态、放大倍数、浸蚀剂等实验条件。三、实验原理1：金相显微镜的成像原理、构造及使用用来观察和研究金属材料显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜是利用反射光来观察不透明的金属物体。金相显微镜的种类很多，通常可分为台式、立式和卧式三大类。下面以4X系列台式金相显微镜为例来了解其成像原理、构造及使用方法。（1）金相显微镜的成像原理金相显微镜属于光学显微镜的范畴，它的成像完全遵循光学成像的基本原理。它是由两级特定的透镜及一些辅助光学零件所组成，靠近被观察物体的透镜叫做物镜而靠近眼晴的透镜叫做目镜。借助于物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（大约1600～2000倍），其成像原理如图3-1所示。D人1C图3-1金相显微镜成像原理图物体AB放在物镜的焦点附近（在焦点以外），由物体反射的光线穿过物镜经折射后得到一个放大的倒立实像A'B',目镜再将实像A'B'放大成正立虚像AB"。虚像A"B就是我们在金相显微镜下所
实验3 金相显微镜的使用及铁碳合金的平衡组织观察 一、实验目的 1．了解金相显微镜的基本构造及成像原理，并学会其使用方法。 2．了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织。 二、实验内容 了解金相显微镜的构造及成像原理，学会其使用。用金相显微镜观察表3-1中的金相试样的显微 组织，画出对应的组织示意图，标明材料名称、热处理状态、放大倍数、浸蚀剂等实验条件。 三、实验原理 1．金相显微镜的成像原理、构造及使用 用来观察和研究金属材料显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜是利用反射光来 观察不透明的金属物体。金相显微镜的种类很多，通常可分为台式、立式和卧式三大类。下面以4X 系列台式金相显微镜为例来了解其成像原理、构造及使用方法。 (1) 金相显微镜的成像原理 金相显微镜属于光学显微镜的范畴，它的成像完全遵循光学成像的基本原理。它是由两级特定 的透镜及一些辅助光学零件所组成，靠近被观察物体的透镜叫做物镜而靠近眼睛的透镜叫做 目镜。 借助于物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数（大约1600～2000倍），其成像原理 如图3-1所示。 图3-1 金相显微镜成像原理图 物体AB放在物镜的焦点附近（在焦点以外），由物体反射的光线穿过物镜经折射后得到一个放 大的倒立实像A’B’,目镜再将实像A’B’放大成正立虚像A”B”。 虚像A”B”就是我们在金相显微镜下所
观察到的经过二次放大的物像。在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像A'B位于目镜的焦距f之内，并使最后的虚像A"B"在距眼睛250mm处，这时观察者看得最清晰。(2）金相显微镜的构造金相显微镜主要由照明系统、光学系统和机械系统三部分组成。4X型金相显微镜的外形结构如图3-2所示。配身BW诚料1413111211311-1410915-8V7图3-24X型金相显微镜外形图图3-34X型金相显微镜光学系统1-载物台2-物镜3-物镜转换器1-灯泡2-聚光镜组（1）3-聚光镜组（2）4-传动箱5-微调手轮6-粗调手轮4-半反射镜5-补助透镜（1）6-物镜组7-光源8-偏心圈9-试样10-目镜7-反光镜8-孔径光栏9-视场光栏11-目镜筒12-固定螺钉10-补助透镜（2）11-棱镜12-棱镜13-调节螺钉14-视场光栏15-孔径光栏13-场镜14-接目镜①光学系统如图3-3所示，由灯泡1发出一束光线，经过聚光镜组2及反光镜7被会聚在孔径光栏8上，随后经过聚光镜3，再度将光线会聚在物镜6的后焦面，最后光线通过物镜，用平行光照明试样，使其表面得到充分均匀的照明。从物体反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10、以及棱镜11与棱镜12形成一个放大的倒立实像，该像被场镜13和接目镜14所组成的目镜放大，最后进入观察者的眼晴。光学系统的核心部件是目镜和物镜。其任务是完成金相组织的放大，获得清晰的图像
观察到的经过二次放大的物像。 在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像A’B’位于目镜的焦距 f 之内，并使最后的虚像 A”B”在距眼睛 250mm 处，这时观察者看得最清晰。 (2) 金相显微镜的构造 金相显微镜主要由照明系统、光学系统和机械系统三部分组成。4X型金相显微镜的外形结构如 图3-2所示。 图3-2 4X型金相显微镜外形图 图3-3 4X型金相显微镜光学系统 1-载物台 2-物镜 3-物镜转换器 1-灯泡 2-聚光镜组（1） 3-聚光镜组（2） 4-传动箱 5-微调手轮 6-粗调手轮 4-半反射镜 5-补助透镜（1） 6-物镜组 7-光源 8-偏心圈 9-试样 10-目镜 7-反光镜 8-孔径光栏 9-视场光栏 11-目镜筒 12-固定螺钉 13-调节螺钉 10-补助透镜（2） 11-棱镜 12-棱镜 14-视场光栏 15-孔径光栏 13-场镜 14-接目镜 ① 光学系统 如图3-3所示，由灯泡1发出一束光线，经过聚光镜组2及反光镜7被会聚在孔径光栏8上，随后经 过聚光镜3，再度将光线会聚在物镜6的后焦面，最后光线通过物镜，用平行光照明试样，使其表面 得到充分均匀的照明。从物体反射回来的光线复经物镜6、补助透镜5、半反射镜4、补助透镜10、以 及棱镜11与棱镜12形成一个放大的倒立实像，该像被场镜13和接目镜14所组成的目镜放大，最后进 入观察者的眼睛。 光学系统的核心部件是目镜和物镜。其任务是完成金相组织的放大，获得清晰的图像
目镜：目镜是用来观察由物镜所成物像的放大镜。物镜：物镜起着放大和清晰成像的作用。物镜质量的好坏直接影响显微镜的成像质量。物镜的主要性能指标包括放大倍数、数值孔径、鉴别率和景深等。物镜的放大倍数是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力。物镜上刻有如40X/O.65等符号，其中40X表示物镜的放大倍数，0.65表示物镜的数值孔径。显微镜的放大倍数：目镜放大倍数X物镜放大倍数。物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，它是影响物镜鉴别率的重要因素之一，通常以"N.A”表示。物镜的鉴别率是指物镜具有将试样上两个物点清晰分辨的最大能力，以能清晰分辨两个物点的最小距离d来表示，d愈小，表示物镜的鉴别率愈高，如图3-4所示。景深是反映物镜对于高低不平的物体能清晰成像的能力，文称垂直鉴别率。图3-4物镜清晰成像作用②照明系统照明系统主要由位于显微镜底部的光源、聚光镜组、反光镜、孔径光栏及视场光栏组成。通过以上一系列的透镜及物镜本身的作用，使试样表面获得充分均匀的照明。孔径光栏：孔径光栏的作用是控制入射光束的粗细。孔径光栏对成像质量有重要影响，缩小孔径光栏可以减小像差，加大景深，成像清晰，但使物镜鉴别率降低；反之，扩大孔径光栏可以提高鉴别率，但成像质量降低。因此，孔径光栏的调整要适当，以观察成像最清晰时为宜。视场光栏：视场光栏的作用是调节所观察视场的大小，它不影响物镜的鉴别率。视场光栏调节愈小，像的衬度愈佳。故为了增加衬度可将视场光栏尽量缩小，如观察金相组织时调至与目镜视场同样大小；在金相摄影时，调节至画面尺寸为佳。③机械系统机械系统（如图3-2所示）包括载物台、粗、微动调焦装置、物镜转换器、底座等
目镜：目镜是用来观察由物镜所成物像的放大镜。 物镜：物镜起着放大和清晰成像的作用。物镜质量的好坏直接影响显微镜的成像质量。物镜的 主要性能指标包括放大倍数、数值孔径、鉴别率和景深等。 物镜的放大倍数是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力。物镜上刻有如40X／O．65等符号， 其中40X表示物镜的放大倍数，0.65表示物镜的数值孔径。 显微镜的放大倍数：目镜放大倍数X物镜放大倍数。 物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，它是影响物镜鉴别率的重要因素之一，通常以“N.A”表 示。 物镜的鉴别率是指物镜具有将试样上两个物点清晰分辨的最大能力，以能清晰分辨两个物点的 最小距离d来表示，d愈小，表示物镜的鉴别率愈高，如图3-4所示。景深是反映物镜对于高低不平的 物体能清晰成像的能力，又称垂直鉴别率。 图3-4 物镜清晰成像作用 ② 照明系统 照明系统主要由位于显微镜底部的光源、聚光镜组、反光镜、孔径光栏及视场光栏组成。通过 以上一系列的透镜及物镜本身的作用，使试样表面获得充分均匀的照明。 孔径光栏：孔径光栏的作用是控制入射光束的粗细。孔径光栏对成像质量有重要影响，缩小孔 径光栏可以减小像差，加大景深，成像清晰，但使物镜鉴别率降低；反之，扩大孔径光栏可以提高 鉴别率，但成像质量降低。因此，孔径光栏的调整要适当，以观察成像最清晰时为宜。 视场光栏：视场光栏的作用是调节所观察视场的大小，它不影响物镜的鉴别率。视场光栏调节 愈小，像的衬度愈佳。故为了增加衬度可将视场光栏尽量缩小，如观察金相组织时调至与目镜视场 同样大小；在金相摄影时，调节至画面尺寸为佳。 ③ 机械系统 机械系统(如图3-2所示)包括载物台、粗、微动调焦装置、物镜转换器、底座等
载物台：试样9磨面向下放置在载物台1上，可用手轻推载物台在水平面任意方向微微移动，以便选择观察试样的适当部位。粗、微动调焦装置：用来调节物镜2与试样9的相对位置，以得到最清晰的图像。旋转粗动手轮6能使载物台迅速上升或下降，旋转微动手轮5能使载物台缓慢升降，进行精确调焦。物镜转换器：物镜转换器3可安装三个不同放大倍数的物镜，与目镜配合可获得不同的放大倍数。底座：支撑整个镜体。(3）金相显微镜的使用金相显微镜属于精密光学仪器，必须精心操作、使用。使用前要预习实验指导书，了解显微镜的构造，操作要细心。遇有故障时不得擅自处理，应立即报告指导老师。②制备好的试样要保持清洁、干燥，无残留浸蚀液，以免浸蚀镜头。③切勿用手触摸镜头、镜片，如发现镜头上有污垢时，应用棉球或毛刷轻轻擦去。④观察完毕后应及时关闭电源。2.铁碳合金的平衡组织铁碳合金的平衡组织是指其在极为缓慢的冷却条件下（如退火）所得到的组织。其基本组织有铁素体(F)、渗碳体(Fe3C)、珠光体(P)和莱氏体(Ld)。(1)铁碳合金的基本组织特征①铁素体(F)铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体。它的溶碳量随着温度的改变而变化，其最大的溶碳量为0.0218%。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在金相显微镜下观察呈白色多边形晶粒，黑色网格是晶粒边界（即晶界）。浸蚀后的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，珠光体含量增加而铁素体量减小，当铁素体量多时，它呈块状分布，当含碳量接近共析成分时，铁素体在珠光体边界上呈网状分布。铁素体硬度较低，一般为80～120HB，强度也较低，但塑性和韧性好。②渗碳体(Fe3C)渗碳体是一种铁碳化合物，含碳量为6.69%，在铁碳合金中，当碳含量超过其溶解度时，多余的碳就以Fe，C的形式出现。渗碳体的抗腐蚀能力较强，经4%的硝酸酒精溶液浸蚀后仍呈白亮色。白口铁中的一次渗碳体是直接从液体中析出，呈粗大条状分布在莱氏体基体中；二次渗碳体由奥氏体中析出，由于量少而沿着奥氏体晶界分布，随后奥氏体变成珠光体，因此室温下二次渗碳体呈网状分布在珠光体的边界上。渗碳体硬度很高，可达800HB，它是一种硬脆相，所以强度、塑性都很差。故单纯的渗碳体或以它为基体的合金没有使用价值，只有在铁素体基体上分布适量的渗碳体才具有使用价值（很重要）
使用前要预习实验指导书，了解显微镜的构造，操作要细心。遇有故障时不得擅自处理，应立即 报告指导老师。 ② 制备好的试样要保持清洁、干燥，无残留浸蚀液，以免浸蚀镜头。 ③切勿用手触摸镜头、镜片，如发现镜头上有污垢时，应用棉球或毛刷轻轻擦去。 ④ 观察完毕后应及时关闭电源。 2.铁碳合金的平衡组织 铁碳合金的平衡组织是指其在极为缓慢的冷却条件下（如退火）所得到的组织。其基本组织有铁 素体(F)、渗碳体(Fe3 C)、珠光体(P)和莱氏体(Ld')。 (1) 铁碳合金的基本组织特征 ① 铁素体(F) 铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体。它的溶碳量随着温度的改变而变化，其最大的溶碳量为 0.0218％。经4％硝酸酒精溶液浸蚀后，在金相显微镜下观察呈白色多边形晶粒，黑色网格是晶粒边 界(即晶界)。浸蚀后的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，珠光体含量增加而铁素体量减小，当铁素体量多 时，它呈块状分布，当含碳量接近共析成分时，铁素体在珠光体边界上呈网状分布。 铁素体硬度较低，一般为80～120 HB，强度也较低，但塑性和韧性好。 ② 渗碳体(Fe3 C) 渗碳体是一种铁碳化合物，含碳量为6．69％，在铁碳合金中，当碳含量超过其溶解度时，多余 的碳就以Fe3 C的形式出现。渗碳体的抗腐蚀能力较强，经4％的硝酸酒精溶液浸蚀后仍呈白亮色。白 口铁中的一次渗碳体是直接从液体中析出，呈粗大条状分布在莱氏体基体中；二次渗碳体由奥氏体 中析出，由于量少而沿着奥氏体晶界分布，随后奥氏体变成珠光体，因此室温下二次渗碳体呈网状 分布在珠光体的边界上。 渗碳体硬度很高，可达800 HB，它是一种硬脆相，所以强度、塑性都很差。故单纯的渗碳体或以 它为基体的合金没有使用价值，只有在铁素体基体上分布适量的渗碳体才具有使用价值（很重 要）。 载物台：试样9磨面向下放置在载物台1上，可用手轻推载物台在水平面任意方向微微移动，以 便选择观察试样的适当部位。 粗、微动调焦装置：用来调节物镜2与试样9的相对位置，以得到最清晰的图像。旋转粗动手轮6 能使载物台迅速上升或下降，旋转微动手轮5能使载物台缓慢升降，进行精确调焦。 物镜转换器：物镜转换器3可安装三个不同放大倍数的物镜，与目镜配合可获得不同的放大倍 数。 底座：支撑整个镜体。 (3) 金相显微镜的使用 金相显微镜属于精密光学仪器，必须精心操作、使用
③珠光体(P)珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物。是由高温奥氏体(A)冷却到727℃C时发生共析反应所得到的铁素体和渗碳体交替形成的层片状组织。经4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在低倍数下观察，铁素体和渗碳体无法分辨，呈现黑色块状，在中高倍数下观察，片层状珠光体中铁素体呈黑色条纹状，而渗碳体呈白亮色。这是因为低倍观察时显微镜分辨率低，高倍时显微镜分辨率高的缘故。片状珠光体的硬度为190～230HB，随着片层间距的变小而硬度升高。④莱氏体（Ld）莱氏体是一种两相共晶组织。莱氏体（Ld)在727C以上是奥氏体和渗碳体共晶的机械混合物（称为高温莱氏体Ld）；在723C时，奥氏体发生共析反应形成珠光体。所以室温下观察到的莱氏体组织是珠光体和渗碳体的机械混合物。经4%的硝酸酒精浸蚀后，莱氏体(Ld)的组织特征是白亮色的渗碳体基体上分布着黑色点状或条状珠光体。Ld的硬度很高，可达700HB，性脆。它一般存在于含碳量大于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)铁碳合金在室温下的显微组织铁碳合金包括工业纯铁、钢和铁三大类。其中钢根据组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三类：铁根据组织可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁三大类。铁碳合金在室温下的显微组织如表3-1所示。金相显微组织如图3-5～图3-12所示。表3-1铁碳合金在室温下的平衡组织名称含碳量热处理状浸蚀剂显微镜组织(%)态F工业纯铁<0.02退火4%硝酸酒精溶液F+P亚共析钢0.02~0.77退火4%硝酸酒精溶液P共析钢0.77退火4%硝酸酒精溶液过共析钢0.77~2.11退火P+二次Fe3C4%硝酸酒精溶液2.11~4.3铸态亚共晶白口铁P+Ld'+二次Fe3C4%硝酸酒精溶液Ld'共晶白口铁4.3铸态4%硝酸酒精溶液过共晶白口铁4.3~6.69铸态Ld'+一次FegC4%硝酸酒精溶液
③ 珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物。是由高温奥氏体(A)冷却到727℃ 时发生共析反应所得到 的铁素体和渗碳体交替形成的层片状组织。经4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，在低倍数下观察，铁素体 和渗碳体无法分辨，呈现黑色块状，在中高倍数下观察，片层状珠光体中铁素体呈黑色条纹状，而 渗碳体呈白亮色。这是因为低倍观察时显微镜分辨率低，高倍时显微镜分辨率高的缘故。 片状珠光体的硬度为190～230HB，随着片层间距的变小而硬度升高。 ④ 莱氏体(Ld') 莱氏体是一种两相共晶组织。莱氏体(Ld')在727℃以上是奥氏体和渗碳体共晶的机械混合物（称 为高温莱氏体Ld）；在723℃时，奥氏体发生共析反应形成珠光体。所以室温下观察到的莱氏体组织 是珠光体和渗碳体的机械混合物。经4％的硝酸酒精浸蚀后，莱氏体(Ld')的组织特征是白亮色的渗碳 体基体上分布着黑色点状或条状珠光体。 Ld'的硬度很高，可达700HB，性脆。它一般存在于含碳量大于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) 铁碳合金在室温下的显微组织 铁碳合金包括工业纯铁、钢和铁三大类。其中钢根据组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三 类；铁根据组织可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁三大类。铁碳合金在室温下的显 微组织如表3-1所示。金相显微组织如图3-5～图3-12所示。 名 称 含 碳 量 （%） 热 处 理 状 态 显微镜组织 浸蚀剂 工业纯铁 ＜0.02 退火 F 4%硝酸酒精溶液 亚共析钢 0.02~0.77 退火 F+P 4%硝酸酒精溶液 共析钢 0.77 退火 P 4%硝酸酒精溶液 过共析钢 0.77~2.11 退火 P+二次Fe 3 C 4%硝酸酒精溶液 亚共晶白口铁 2.11~4.3 铸态 P+ Ld'+二次Fe 3 C 4%硝酸酒精溶液 共晶白口铁 4.3 铸态 Ld' 4%硝酸酒精溶液 过共晶白口铁 4.3~6.69 铸态 Ld'+一次Fe 3 C 4%硝酸酒精溶液 表3-1 铁碳合金在室温下的平衡组织
图3-5工业纯铁（200×）图3-620钢（200×）图3-745钢（200×）
图3-5 工业纯铁（200×） 图3-6 20钢 （200×） 图3-7 45钢（200×）
图3-8T8钢（400×）图3-9T12钢（100×）图3-10亚共晶白口铸铁（200×）
图3-8 T8钢（400×） 图3-9 T12钢（100×） 图3-10 亚共晶白口铸铁（200×）
图3-9T12钢（100×）图3-12过共晶白口铸铁（160×）四、实验材料及设备1.4X型金相显微镜。2.标准金相试样若干。五、实验方法和步骤金相显微镜的操作步骤如下：1.：根据放大倍数选择物镜和目镜。2.将试样放在载物台1上，磨面对准物镜，3.打开电源。4.旋转粗动调焦手轮6进行调焦，当呈现出模糊的影像时，再转动微动调焦手轮5，直至所观察的物像清晰为止。5.按需要调节孔径光栏和视场光栏的大小
图3-9 T12钢（100×） 图3-12 过共晶白口铸铁（160×） 四、实验材料及设备 1．4X型金相显微镜。 2．标准金相试样若干。 五、实验方法和步骤 金相显微镜的操作步骤如下： 1．根据放大倍数选择物镜和目镜。 2．将试样放在载物台1上，磨面对准物镜。 3．打开电源。 4．旋转粗动调焦手轮6进行调焦，当呈现出模糊的影像时，再转动微动调焦手轮5，直至所 观察的物像清晰为止。 5．按需要调节孔径光栏和视场光栏的大小
6.观察显微组织时，可移动（不能转动）载物台1，对试样的各部位进行观察。7.观察完毕后，应关毕电源，取下试样。六、实验报告要求1.明确实验目的2.简述金相试样制备的原理及意义3.图示说明金相显微镜的成像原理4.分析铁碳合金中含碳量与组织间的关系5．根据表3-1，画出对应的组织示意图，标明材料名称、热处理状态、放大倍数、浸蚀剂等实验条件。七、思考题1.金相显微镜主要由几部分构成?其成像原理如何？2.铁碳合金中含碳量如何对其组织与性能产生影响？
6．观察显微组织时，可移动(不能转动)载物台1，对试样的各部位进行观察。 7．观察完毕后，应关毕电源，取下试样。 六、实验报告要求 1．明确实验目的 2．简述金相试样制备的原理及意义 3．图示说明金相显微镜的成像原理 4．分析铁碳合金中含碳量与组织间的关系 5．根据表3-1，画出对应的组织示意图，标明材料名称、热处理状态、放大倍数、浸蚀剂等实验 条件。 七、思考题 1．金相显微镜主要由几部分构成?其成像原理如何？ 2．铁碳合金中含碳量如何对其组织与性能产生影响？