新乡学院 工程材料课程 实验指导书

1、工程材料工程材料实实 验验 指指 导导 书书机电工程学院机电工程学院材料成型及控制工程教研室材料成型及控制工程教研室目目 录录实验一金相试样的制备及金相组织观察.1实验二铁碳合金平衡组织观察分析.13 实验三碳钢热处理的显微组织观察分析.19实验四碳钢的热处理及硬度测试.260实验一实验一 金相试样的制备及金相组织观察金相试样的制备及金相组织观察1、实验目的1.了解金相显微试样的制备原理，熟悉金相显微试样的制备过程，掌握金相试样的制备方法；2.了解金相显微镜的构造、基本原理，掌握显微镜的使用及显微组织的观察方法。2、实验原理1.概述概述显微分析是研究金属内部组织的最重要的方法。在金相学一百多年的发展历史中，绝大部分研究工作是借助于光学显微镜完成的。近年来，电子显微镜的重要性日益增加，但是光学显微金相技术在科研和生产中仍将占据一定的位置。用光学显微镜观察和研究任何金属内部组织，一般要分三个阶段来进行：（1）制备所截取试样的表面。（2）采用适当的腐蚀操作显示表面的组织。（3）用显微镜观察和研究试样表面的组织。这三个阶段是一个有机的整体，无论哪一个阶段操作不当，都会影响最终效果，因此不应忽视

2、任何一个阶段。试样制备工作包括许多技巧，需要有长时间的实践经验才能较好的掌握；同时它也比较费时和单调，往往使人感到厌烦，金相显微镜的使用之所以比生物显微镜晚二百年，其原因就是由于长期没有解决试样制备问题。试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫射，无法用显微镜观察其内部组织。因此，我们要对试样表面进行加工，通常是用磨光和抛光的方法，以得到一个光亮的镜面。这个表面还必须能完全代表取样前所具有的状态，也就是说，不能在制样过程中使表层发生任何组织变化。获得具备这种条件的试样表面，才算是完成了制备阶段。仅具有光滑平面的试样，在显微镜下只能看到白亮的一片，而看不到其组织细节，这是由于大多数金属组织中不同的相，对于光具有相近的反射能力的缘故。为此，必须用一定的试剂对试样表面进行腐蚀，使试样表面有选择地溶解掉某些部分（如晶界） ，从而显现微小的凹凸不平。这些凹凸不平都在光学系统的景深范围内，这时用显微镜就可以看清楚试样组织的形貌，大小和分布，这就是组织显示阶段。完成了以上两个阶段后，就可以进入显微分析的第三阶段，既显微组织的观察和分析。下面介绍试样的制备和组织的显示，包括取样、镶样、磨光、机械抛光（或

3、电解抛光、化学抛光） 、腐蚀等。12.取样取样 选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要的一步，包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。（1）取样部位及检验面的选择取样部位及检验面的选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。生产中常规检验所用试样的取样部位、形状、尺寸都有明确的规定（详见有关部分标准） 。零件失效分析的试样，应该根据零件失效的原因，分别在材料失效部位和完好部位取样，以便于对比分析。（2）试样的截取方法取样时，应该保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法：对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法；对于硬而脆的材料，如白口铸铁，可以用锤击方法；在大工件上取样，可用氧气切割等方法。在用砂轮切割或电火花切割时，应采取冷却措施，以减少由于受热而引起的试样组织变化。试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。（3）试样尺寸图 1-1 常规金相试样2图 1-2 金相试样的镶嵌和机械夹持金相试样的大小以便于握持、易于磨

4、制为准。通常显微试样为直径1525mm、高 1520mm 的圆柱体或边长为 1525mm 的立方体，如图 1-1 所示。对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，要进行镶嵌或机械夹持，如图1-2 所示。试样取下后一般先用砂轮磨平。对于很软的材料（如铝、铜等有色金属）可用锉刀锉平。磨砂轮时应利用砂轮的侧面，并使试样沿砂轮径向缓慢往复移动，施加压力要均匀。这样即可以保证使试样磨平，还可以防止砂轮侧面磨出凹槽，使试样无法磨平。在磨制过程中，试样要不断用水冷却，以防止试样因受热升温而产生组织变化。此外，在一般情况下，试样的周界要用砂轮或锉刀磨成圆角，以免在磨光及抛光时将砂纸和抛光织物划破，但是对于需要观察表面组织（如渗碳层、脱碳层、和氮化层等）的试样，则不能将边缘磨圆，这类试样最好进行镶嵌。3.镶嵌镶嵌一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶嵌，但试样尺寸过小或形状及不规则者，如带、 丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。图 1-3 金相试样镶嵌机目前一般多采用塑料镶嵌。镶嵌材料有热凝性塑料（如胶木粉） 、热塑性塑料（如聚氯乙烯） 、冷凝性塑料（环氧树脂加固化剂）等。这些材料都各有其

5、特3点。胶木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，但抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明的，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。用这两种材料镶样均需用专门的镶样机（如图 1-3 所示） ，对加热温度和压力都有一定要求，并会引起淬火马氏体回火、软金属发生塑性变形。用环氧树脂镶样，浇注后可在室温下固化，因而不会引起试样组织发生变化，但这种材料比较软。此外还可以采用机械镶嵌法，既用夹具夹持试样。4.磨光磨光磨光通常是在砂纸上进行的。砂纸上的每颗磨粒可以看成是一个具有一定迎角(磨粒的前导面与试样平面之间的角)的单点刨刀，迎角大于临界值的磨粒才能切除金属，小于临界值的只能压出磨痕(钢铁材料的临界迎角为 90)。前一种磨粒只占一小部分(约 20)，后一种磨粒使金属表层产生的流变要大得多，试样表层的组织变化(又称变形层)主要是由这种磨粒造成的。因此，金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度)，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去；同时，该道工序本身应做到尽可

6、能减少损伤，以便于进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅，要保证能在下一道抛光工序中除去。图 1-4 为试样经过切割加工及四道磨光工序后，表面变形层厚度变化示意图。图中 A、B、C 均为变形层，越往里，变形量越小，D 为末受损伤的组织。图 1-4 试样经切割磨光后，变形层厚度变化示意图普通的金相砂纸所用的磨料有碳化硅和天然刚玉两种。碳化硅砂纸最适用金相试样的磨光，其优点是：磨光速率(单位时间除去的金属重量)较高，变形4层较浅，可以用水作润滑剂进行手工湿磨和机械湿磨。碳化硅砂纸的粒度大到一定尺寸(280 号150 号)后，磨光速率相差不多，但变形层深度却随着磨粒尺寸的增大而增加。因此，开始磨光时所用的砂纸，不一定越粗越好。通常使用粒度为 200，400，600 及 800(或 300，500，700，900)的四种砂纸，进行磨光后即可进行抛光。对于较软的金属，应用更细的砂纸磨光后再抛光。如果把碳化硅砂纸放在边缘略有突起放了一些水的转盘上，则随着转盘转动，砂纸下面的水被甩出，砂纸被吸附在转盘上，即可进行机械湿磨，磨光效率能进一步提高。图 1-5 示出转盘式金相预磨机，使用

7、时用水作润滑剂和冷却剂。配有微型计算机的自动磨光机，可以对磨光过程进行程序控制，整个磨光过程可以在数分钟内完成。图 1-5 转盘式金相预磨机 图 1-5 转盘式金相预磨机天然刚玉(氧化铝和氧化铁的混合物)砂纸过去曾长期用作金相试样的磨光，这种砂纸所用的磨粒粘接剂溶于水，因此， 一般只用于干磨，或用不含水的润滑剂(如煤油)。天然刚玉磨料较软，在磨光过程中容易破碎，使其有效粒度减小，因此耐用性差。目前这种砂纸已较少使用。新砂纸产生的变形层较深，但经过磨 50100 下以后就基本稳定不变，磨光速率则随着使用次数的增加而下降。因此，新砂纸稍加使用后即处于最佳使用状态，当用得太旧时，就不宜再使用。磨光时施加的压力越大，磨光速率也越大，但对变形层的深度却影响不大，所以在磨光时可以适当加大压力。手工磨光时，本道工序的磨痕应与上一道工序的磨痕方向垂直，这样可以使试样磨面保持平整并平行于原来的磨面。只要砂纸处于最大磨光速率的情况下，每道工序可以在 0.51.0min 内完成。1电动机 2底座 3轴 4磨盘 5水砂纸 6螺钉 7开关 8罩 9盘 10调节旋纽 11 盖 12 水管5手工磨制方法：（1）砂纸

8、平铺在玻璃板上，一手按住砂纸，另一手握住试样，使试样磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制。（2）磨制以“单程单向”方式重复进行，以均匀的压力向前推进，回程时将试样提起，切忌将试样在砂纸上来回研磨。（3）在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，以免将粗砂粒带到细砂纸上，并使试样的磨制方向调转 90。每更换一次砂纸，均须磨至旧磨痕完全消失，新磨痕均匀一致为止。（4）试样磨制时用力不可太大，每次磨制时间不可太长以避免试样过热。图 1-6 试样的磨制方法（a）合格 （b）不合格 图 1-7 金相试样的磨光 5.抛光抛光（1）机械抛光机械抛光是最常用的抛光方法。抛光的目的就是要尽快把磨光工序留下的变形层除去，并使抛光产生的变形层不影响显微组织的观察。抛光与磨光的机制基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以看成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕。由于磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑、划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时要使抛光产生的变形层不

9、致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。这两个要求是有矛盾的，前者要求使用较粗的磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细的磨料，但抛光速率较低。解决这个矛盾的最好办6法就是把抛光分为两个阶段来进行。首先是粗抛，目的是除去磨光的变形层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛本身形成的变形层是次要的考虑，不过也应尽可能小。其次是精抛(又称终抛)，其目的是除去粗抛产生的变形层，使抛光损伤减到最小。过去，粗抛常用的磨料是粒度为 1020m 的 A12O3，Cr2O3或 Fe2O3，加水配成悬浮液使用。目前，人造金刚石磨料已逐渐取代了氧化铝等磨料，因其具有以下优点：与氧化铝等相比，粒度小得多的金刚石磨粒，抛光速率要大得多，例如 48m 金刚石磨粒的抛光速率与 1020m 氧化铝或碳化硅的抛光速率相近；表面变形层较浅；抛光质量最好。通常，使用金刚石膏状磨料的抛光速率远比悬浮液大。金刚石磨料的价格虽高，但抛光速率大，切削能力保持的时间也长，因此它的消耗量少，只要注意节约使用，并合理选择抛光机的转速(采用机械抛光时应为 250300 r/min，自动抛光时应为 150 r/min)，就可以充分发挥其优越性。用金刚石研磨膏进行粗抛时，一般先使用粒度为 3.5m 的磨料，然后再使用粒度为 1/m 的磨料，可获得最佳效果。尽管对于磨光及粗抛已经有了比较成熟的原则，但是对于精抛，还要求操作者有较高的技巧。常用的精抛磨料为 MgO 及 -Al2O3，其中 MgO 的抛光效果最好，但抛光效率低，且不易掌握；粒度为 0.1m 的 -Al2O3抛光速率高，且易于掌握。过去有些资料推荐使用反复腐蚀、抛光的办法来除去磨光变形层，但是这样做效率低，还会使试样产生越来越严重的表面浮凸。现在已经清楚，粗抛可以更有效地除去磨光变形层。 抛光操作要点：1 选择合适的抛光剂，将试

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