材料科学基础实验指南bgzm.docx

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1、实验一 金相显显微镜的的原理、结结构和使使用一、实验验目的1.了解金金相显微微镜的结结构原理理，熟悉悉各种零零件的性性能和功功用。22.掌握分分辨率的的概念及及其影响响因素。3.学会正确操作金相显微镜。二、实验验原理利用金相相显微镜镜观察金金相试样样的组织织或缺陷陷的方法法称为金金相显微微分析。它它是研究究金属材材料微观观结构最最基本的的一种实实验技术术，在金金属材料料研究领领域中占占有很重重要的地地位。在现代金金相显微微分析中中，使用用的主要要仪器有有光学显显微镜和和电子显显微镜。这这里仅对对常用的的光学金金相显微微镜作一一般介绍绍。（一） 显微镜的的基本原原理、构构造及使使用1. 显显微镜

2、的的基本原原理图1.1 成像光学原理最简单的的显微镜镜可以仅仅由两个个透镜组组成。图图1-11为相显显微镜成成像的光光学原理理示意图图。图中中AB为被被观察的的物体，对对着被观观察物体体的透镜镜O1叫物物镜；对对着人眼眼的透镜镜O2叫目目镜。物物镜使物物体ABB形成放放大的倒倒立实像像ABB，目目镜再将将ABB放大大成仍然然倒立的的虚像AAB。其位位置正好好在人眼眼的明视视距离（约约2500mm）处处。在显显微镜中中所观察察的就是是这个虚虚像AB。(1) 显微镜镜的放大大倍数放大倍数数由下式式确定：式中：MM显微微镜总放放大倍数数； MM物物镜的的放大倍倍数； MM目目镜的的放大倍倍数；f物物

3、物镜的焦焦距；f目目目镜的焦焦距；L显微微镜的光光学镜筒筒长度；D明视视距离（250mm）。由上式可可知：f物、f目越短或或L越长，则则显微镜镜的放大大倍数越越大。(2) 物镜的的鉴别率率物镜的鉴鉴别率是是指物镜镜能清晰晰分辨试试样两点点间最小小距离的的能力。物物镜鉴别别率的数数学公式式为：式中：dd物镜镜的鉴别别率；入射射光源的的波长；A物镜镜的数值值孔径，它它表示物物镜的聚聚光能力力。由公式可可知，波波长越短，数数值孔径径A越大，则则鉴别能能力就越越高（dd越小），在在显微镜镜中就能能看到更更细微的的部分。数数值孔径径A可由下下列公式式求出：式中：物镜镜与物体体之间介介质的折折射率；物镜镜

4、孔径角角的一半半，即通通过物镜镜边缘的的光线与与物镜轴轴线所成成的角度度。越大或或物镜孔孔径角越越大，则则数值孔孔径越大大，由于于总是小小于900，所以以在空气气介质（=1）中使用时，数值孔径A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜上面滴有松柏油介质（=1.52）时，A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜，每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。(3) 显微镜镜的有效效放大倍倍数由M=MM目MM物知，显显微镜的的同一放放大倍数数可由不不同倍数数的物镜镜和目镜镜来组合合。如445倍的的物镜乘乘以100倍的目目镜或者者15倍倍的物镜镜乘以330倍的的目镜都都是4550倍。

5、对对于同一一放大倍倍数，如如何合理理选用物物镜和目目镜呢？应先选选物镜，一一般原则则是使显显微镜的的放大倍倍数在该该物镜数数值孔径径的500010000倍，即即这个范围围称为显显微镜的的有效放放大倍数数范围,若M10000AA,则形形成“虚虚伪放大大”，组组织的细细微部分分将分辨辨不清。待待物镜选选定后，再再根据所所需的放放大倍数数选用目目镜。(4) 景深：即垂直直鉴别率率，反映映了显微微镜对于于高低不不同的物物体能清清晰成像像的能力力。式中：MM放大大倍数；R半孔孔径角；波长长；n介质质折射率率。由式可知知n、RR越大，景景深越小小；物距距增加，景景深增加加。在进进行断口口分析时时，为获获得

6、清晰晰的断口口凹凸图图像，景景深不能能太小。(5) 透镜的的几何缺缺陷单色光通通过透镜镜后，由由于透镜镜表面呈呈球形，光光线不能能交于一一点，则则使放大大后的象象模糊不不清，此此现象称称球面象象差。多色光通通过透镜镜后，由由于折射射率不同同，使光光线不能能交于一一点也会会造成模模糊图像像，此现现象称色色象差。减小球面面象差的的办法：可通过过制造物物镜时采采用不同同透镜组组合进行行校正；调整孔孔径光栏栏，适当当控制入入射光束束等办法法降低球球面象差差。减小色象象差办法法：可通通过物镜镜进行校校正或采采用滤色色片获得得单色光光的办法法降低色色象差。2. 显显微镜的的构造图1-22为不同同型式的的金

7、相显显微镜的的基本构构造及光光学行程程。图1-22 金金相显微微镜的基基本构造造及光学学行程金相显微微镜分为为台式、立立时及卧卧式三种种类型，各各种类型型又有许许多不同同的型号号。虽然然显微镜镜的型号号很多，但但基本构构造大致致相同，现以国产4x型金相显微镜为例说明其结构和成像原理。图1-3 X型型金相显微镜的光学系统1灯泡；2聚光透镜组；3聚光镜；4半反射镜；5辅助透镜；6物镜组；7试样；8反光镜；9孔径光阑；10视场光阑；11辅助透镜；12、13棱镜；14物镜图1-4国产4XB倒立式金相显微镜图1-33是上海海光学仪仪器厂生生产的台台式金相相显微镜镜的光学学系统图图。自灯灯泡(11)发出出

8、一束光光线，经经过聚光光镜(22)的会会聚及反反光镜(7)的的反射，将将光线均均匀地聚聚集在孔孔径光栏栏(8)上，随随后经聚聚光镜(3)再再度将光光线聚焦焦在物镜镜(6)的后面面，最后后光线通通过物镜镜而使物物体表面面得到照照明。从从物体反反射回来来的光线线又通过过物镜和和补助透透镜(55)，由由半反射射镜(44)反射射后，在在经过辅辅助透镜镜(100)及棱棱镜(111)、(12)等一系系列光学学元件构构成一个个倒立放放大的实实像。但但这一实实像还必必须经过过目镜(13)的再度度放大，这这样观察察者就能能从目镜镜中看到到物体表表面被放放大的像像。显显微镜各各零件的的性能见见图1-4。三、实验验

9、用设备备、仪器器和材料料双目倒置置式4XXB-金相显显微镜，工工业纯铁铁金相样样品四、实验验步骤1.每人领领取一个个实验室室制备好好的纯铁铁样品，分分别在制制定的显显微镜上上进行观观察，从从中学会会调焦、选选用合适适的孔径径光阑和和视场光光阑、确确定放大大倍数及及移动载载物台的的方法。2.选用不同的物镜，不同大小的孔径光阑和视场光阑，对样品的同一部分来进行观察，分析影响分辨率的因素，并与实验室内陈列的分辨率与数值孔径、光阑之间关系的照片对照。3.描绘观察到的显微组织。金相显微镜是一种比较精密的仪器，使用时必须严格按照操作注意事项进行，具体操作步骤如下：(1)熟悉显微镜的原理和结构，了解各零件的

10、性能和功用；(2)按观察要求，选择适当的目镜和物镜，调节粗调螺丝，将载物台升高，装上目镜，取下目镜盖，装上目镜。(3)将试样放在载物台上，抛光面对着物镜。(4)接通电源，若光源是6V低压钨丝灯泡，要注意电源须经降压变压器再接入灯泡。(5)按观察要求，选用适当地滤色片。(6)调节粗调螺丝，使物镜见见与试样靠近，同时在目镜中观察视场由暗到明，直到看到显微组织为止，再调细调螺丝至看到清晰显微组织为止。注意调节时要缓慢些，切勿使镜头与试样相碰。(7)根据观察到的组织情况，按需要调节孔径光阑和视域光阑到适当位置（使获得组织清晰、衬度均匀的图象）。(8)移动载物台，对试样各部分组织进行观察，观察结束后切断

11、电源，将金相显微镜复原。注：使用用显微镜镜时应注注意的事事项(1) 操作者者的手必必须洗净净擦二，并并保持环环境的清清洁、干干燥；(2) 用低压压钨丝灯灯光作光光源时，接接通电源源必须通通过变压压器，切切不可误误接在2220VV电源上上；(3) 更换物物镜，目目镜时要要格外小小心，严严防失手手落地；(4) 调节物物体和物物镜前透透镜间轴轴向距离离（以下下简称聚聚集）时时，必须须首先弄弄清粗调调旋钮转转向与载载物台升升降方向向的关系系，初学学者应该该先用粗粗调旋钮钮将物镜镜调至尽尽量靠近近物体，但但绝不可可接触。(5) 然后仔仔细观察察视场内内的亮度度并同时时用粗调调旋钮缓缓慢将物物镜向远远离物

12、体体方向调调节。待待视场内内忽然变变得明亮亮甚至出出南映象象时，换换用微调调旋钮调调至映象象最清晰晰为止。(6) 用油系系物镜时时，滴油油量不宜宜过多，用用完后必必须立即即用二甲甲苯冼净净，擦干干；(7) 待观察察的试样样必须完完全吹干干，用氢氢氟酸浸浸蚀过的的试样吹吹干时间间要长些些，因氢氢氟酸对对镜片有有严重腐腐蚀作用用。五、实验验报告要要求叙述金相相显微镜镜成像原原理、光光路图、构构造和使使用注意意事项；讨论影影响金相相显微镜镜分辨率率的因素素。六、思考考题1.选择数数值孔径径的实际际意义是是什么？它与有有效孔径径放大倍倍数有什什么关系系？为了了得到112000倍的放放大率，应应如何选选

13、配金相相显微镜镜的物镜镜和目镜镜？2.分分析提高高显微镜镜分辨率率的可能能途径。3.试从透镜成像原理的角度分析调焦操作的作用。实验二 金相样样品的制制备一、实验验目的1.初步掌掌握制备备金相样样品的常常规方法法及要点点。2.了了解影响响制样质质量的因因素及金金相特征征。3.进进一步熟熟悉金相相显微镜镜的操作作和使用用。二、实验验原理随着科学学技术的的发展，研研究金属属材料内内部组织织的手段段也有不不断增加加。但是是光学金金相显微微分析仍仍是一种种最基本本和最常常用的方方法。光学金相相显微分分析的第第一步是是制备试试样，将将待观察察的试样样表面磨磨制成光光亮无痕痕的镜面面，然后后经过 浸蚀才才能

14、分析析组织形形态。如如因制备备不当，在在观察上上出现划划痕、凹凹坑、水水迹、变变形层或或浸蚀过过深过浅浅都会影影响正确确的分析析。因此此制备出出高质量量的试样样对组织织分析是是很重要要的。金相试样样制备过过程一般般包括：取样、粗粗磨、细细磨、抛抛光和浸浸蚀五个个步骤。（一）取取样从需要检检测的金金属材料料和零件件上截取取试样称称为“取样”。取样样的部位位和磨面面的选择择必须根根据分析析要求而而定。截截取方法法有多种种，对于于软材料料可以用用锯、车车、刨等等方法；对于硬硬材料可可以用砂砂轮切片片机或线线切割机机等切割割的方法法，对于于硬而脆脆的材料料可以用用锤击的的方法。无无论用哪哪种方法法都应

15、注注意，尽尽量避免免和减轻轻因塑性性变形或或受热引引起的组组织失真真现象。试试样的尺尺寸度列列统一规规定，从从便于握握持和磨磨制角度度考虑，一一般直径径或边长长为155200mm，高高为122188mm比比较适宜宜，对那那些尺寸寸过小，形形状不规规则和需需要保护护边缘的的试样，可可以采取取镶嵌或或机械夹夹持的办办法，如如图2-1所示示。镶嵌材料（塑料或低熔点合金）铜管或塑料管（a）镶镶嵌试样样 （bb）环形形夹具夹夹持试样样（c）平平板夹具具夹持试试样图2-11 镶嵌嵌及夹持持试样金相试样样的镶嵌嵌，是利利用热塑塑塑料（如如聚氯乙乙烯），热热固性塑塑料（如如胶木粉粉）以及及冷凝性性塑料（如如环

16、氧树树脂+固固化剂）作作为填料料进行的的。前两两种属于于热镶填填料，热热镶必须须在专用用设备镶嵌嵌机上进进行。第第三种属属于冷镶镶填料，冷冷镶方法法不需要要专用设设备，只只将适宜宜尺寸（约约1520mmm）的的钢管、塑塑料管或或纸壳管管放在平平滑的塑塑料（或或玻璃）板板上，试试样置于于管内，待待磨面朝朝下倒入入填料，放放置一段段时间凝凝固硬化化即可。（二）粗粗磨粗磨的目目的主要要有以下下三点：1）修整整有些试样样，例如如用锤击击法敲下下来的试试样，形形状很不不规则，必必须经过过粗磨，修修整为规规则形状状的试样样。2）磨平平无论用什什么方法法取样，切切口往往往不十分分平滑，为为发将观观察面磨磨平

17、，同同时去掉掉切割时时主生的的变形层层，必须须进行粗粗磨。3）倒角角在不影响响观察目目的的前前提下，需需将试样样上的棱棱角磨掉掉，以免免划破砂砂纸和抛抛光织物物。黑色金属属材料的的粗磨在在砂轮机机上进行行，具体体操作方方法是将将试样牢牢牢地捏捏住，用用砂轮的的铡面磨磨制。在在试样与与砂轮接接触的一一瞬间，尽尽量使磨磨面与砂砂轮面平平行，用用力不可可过大。由由于磨削削力的作作用往往往出现试试样磨面面的上半半部分磨磨削量偏偏大，故故需人为为地进行行调整，尽尽量加大大试样下下半部分分的压力力，以求求整个磨磨面均匀匀受力。另另外在磨磨制过程程中，试试样必须须沿砂轮轮的径向向往复缓缓慢移动动，防止止砂轮

18、表表面形成成凹沟。必必须指出出的是，磨磨削过程程会使试试样表面面温度骤骤然升高高，只有有不断地地将试样样浸水冷冷却，才才能防止止组织发发生变化化。砂轮机转转速比较较快，一一般为228500r/mmin，工工作者不不应站在在砂轮的的正前方方，以防防被尽出出物击伤伤。操作作时严禁禁戴手套套，以免免手被卷卷入砂轮轮机。关于砂轮轮的选择择，一般般是遵照照磨硬材材料选稍稍软些的的，磨软软材料选选择稍硬硬些的基基本原则则，用于于金相制制样方面面的砂轮轮大部分分是：磨磨料粒度度为400号、446号、554号、660号（数数字愈大大愈细）；材料为为白刚玉玉（代号号为GBB或WAA）、绿绿碳化硅硅（代号号为TL

19、L或GCC）、棕棕刚玉（代代号为GGZ或AA）和黑黑碳化硅硅（代号号为THH或C）等等；硬度度为中软软1（代代号为ZZR1或或K）的的平砂轮轮，尺寸寸多为2250mmm25mmm32mmm（外外径厚度孔径）有色金属属，如铜铜、铝及及其合金金等，因因材质很很软，不不可用砂砂轮而且且要作锉锉刀进行行粗磨，以以免磨悄悄填塞砂砂轮孔隙隙，且使使试样产产生较深深的磨痕痕和严重重的塑性性变形层层。（三）细细磨粗磨后的的试样，磨磨面上仍仍有较深深的磨痕痕，为了了消除这这些磨痕痕必须进进行细磨磨。细磨磨可分为为手工磨磨和机械械磨两种种。1、手工工磨手工磨是是将砂纸纸铺在玻玻璃板上上，左手手按住砂砂纸，右右手捏

20、住住试样在在砂纸上上作单向向推磨。金金相砂纸纸由粗到到细分许许多种，其其规格可可参考表表2-11。表2-11 常常用金相相砂纸的的规格砂纸序号24030040060080010001200粒度1602002804006008001000编号01（选一种）0203040506用砂轮粗粗磨后的的试样，要要依次由由01号号磨至005号（或或06号号）。操操作时必必须注意意：（1）加加在试样样上的力力要均匀匀，使整整个磨面面都能磨磨到；（2）在在同一张张砂纸上上磨痕方方向要一一致，并并与前一一道砂纸纸磨痕方方向垂直直。待前前一道路路砂纸磨磨痕完全全消失时时才能换换用下一一道路砂砂纸。（3）每每次更换换

21、砂纸时时，必须须将试样样、玻璃璃板清理理干净，以以防将粗粗砂粒带带互细砂砂纸上。（4）磨磨制时不不可用力力过大，否否则一方方面因磨磨痕过深深增加下下一道麻麻木在制制的困难难，另一一方面因因表面变变形严重重影响组组织真实实性。（5）砂砂纸的砂砂粒变钝钝磨削作作用明显显下降时时，不家家继续使使用。否否则砂粒粒在金属属表面产产生的滚滚压会增增加表面面变形。（6）磨磨制铜、铝铝及其合合金等软软材料时时，用力力更要轻轻，可同同时在砂砂纸上滴滴些煤油油，以防防脱落砂砂粒嵌入入金属表表面。砂纸磨光光表面变变形层消消除过程程如图22-2所所示。图2-22 砂纸纸磨光表表面变形形层消除除过程示示意图（a）严严重

22、变形形层（bb）变形形较大层层（c）变变形微小小层（dd）无变变形原始始组织1-第一一步磨光光后试样样表面的的变形层层2-第二二步磨光光后试样样表面的的变形层层3-第三三步磨光光后试样样表面的的变形层层4-第四四步磨光光后试样样表面的的变形层层用金相水水砂纸手手工磨制制时可加加水也可可以干磨磨。但是是在干磨磨过程中中，脱落落的砂粒粒和金属属磨屑留留在砂纸纸上，随随着移动动的试样样来回滚滚动，砂砂粒间的的相互挤挤压以及及金属屑屑粘在砂砂糖缝隙隙中，都都会使砂砂纸磨削削寿命减减短，试试样表面面变形层层严重，摩摩擦生热热还可能能引起组组织变化化。为克克服干磨磨的弊端端，目前前多采用用手工湿湿磨的方方

23、法所用用砂纸是是水砂纸纸，其规规格可参参考表22-1。用水砂纸纸手工磨磨制的操操作方法法和步骤骤用金相相砂纸磨磨制制完完全一样样，只是是将水砂砂纸置于于流动水水下边冲冲边磨，由由粗到细细依次更更换数次次，最后后磨到110000或12200号号砂纸。因因为水流流不断地地将脱落落砂粒、磨磨屑冲掉掉，帮砂砂纸的磨磨削寿命命较长。实实践证明明试样磨磨制的速速度快、质质量高，有有效地弥弥补了干干磨的不不足。2、机械械磨目前普遍遍使用的的机械磨磨设备是是预磨机机。电动动机带动动铺着水水砂纸的的圆盘转转动，磨磨制时，将将试样沿沿盘的径径向来回回移动，用用力要均均匀，边边磨边用用水冲。水水流即起起到冷却却试样

24、的的作用，又又可参借借助离心心力将脱脱落砂粒粒、磨屑屑等不断断冲到转转盘边缘缘。机械械磨的磨磨削速度度比手工工磨制快快得多，但但平整度度不够好好，表面面变形层层也比较较严重。因因此要求求较高的的或材质质较软的的试样应应该采用用手磨制制。机械械磨所用用水砂纸纸规格与与手工湿湿磨相同同，可参参考表22-1。（四）抛抛光抛光的目目的是去去除细磨磨后遗留留在磨面面上的细细微磨痕痕，得到到光亮无无痕的镜镜面。抛抛光的方方法有机机械抛光光、电解解抛光物物化学抛抛光三种种，其中中最常用用的是机机械抛光光。1、机械械抛光机械抛光光在抛光光机上进进行，将将抛光织织物（粗粗抛常用用帆布，精精抛常用用毛呢）用用水浸

25、湿湿、铺平平、绷紧紧用固定定在抛光光盘上。启启动开关关使抛光光盘逆时时针转动动，将适适量的抛抛光液（氧氧化铝、氧氧化铬或或氧化铁铁抛光粉粉加水的的悬浮液液）滴洒洒在盘上上即可进进行抛光光，抛光光时就注注意：（1）试试样沿盘盘的径向向往返缓缓慢移动动，同时时逆抛光光盘转向向自转，待待抛光快快结束时时作短时时定位轻轻抛。（2）在在抛光过过程中，要要经常滴滴加适量量的抛光光液或清清水，以以保持抛抛光盘的的湿度，如如发现抛抛光盘过过脏或带带有粗大大颗粒时时，必须须将其冲冲刷干净净后再继继续使用用。（3）抛抛光时间间应尽量量缩短，不不可过长长，为满满足这一一要求可可分粗抛抛和精抛抛两步进进行。（4）抛抛

26、有色金金属（如如铜、铝铝及其合合金等）时时，最好好在抛光光盘上涂涂少许肥肥皂或滴滴加适量量的肥皂皂水。机械抛光光与细磨磨本质上上都是借借助磨料料尖角锐锐利的刃刃部，切切去试样样表面隆隆起的部部分，抛抛光时，抛抛光织物物纤维带带动稀疏疏分布的的极微细细的磨料料颗粒产产生磨削削作用，将将试样抛抛光。目前，人人造金刚刚石研磨磨膏（最最常用的的有W00。5、WW1。00、W11。5、WW2。55和W33。5五五种规格格的溶水水性研磨磨膏）代代替抛光光液，正正得到日日益广泛泛的应用用，用极极少的研研磨膏均均匀涂在在抛光织织物上进进行抛光光，抛光光速度快快，质量量也好。2、电解解抛光电解抛光光原理示示意图

27、如如图2-3所示示，阴极极用不锈锈钢板制制盛成，试试样本身身为阳极极，二者者同处于于电解抛抛光液中中，接通通回路后后在试样样表面形形成一层层高电阻阻膜。由由于度样样表面高高低不平平，膜的的厚薄也也不同。试试样表面面凸起部部分膜薄薄，电阻阻小，电电流密度度大，金金属溶解解速度快快。相对对面言，凹凹下部分分溶解速速度慢，这这种选择择性溶解解结果，使使试样表表面逐渐渐平整，最最后形成成光滑平平面。图2-33 电电解抛光光原理示示意图电解抛光光系电化化学溶解解过程，因因此它消消除了机机械抛光光难以避避免的疵疵病，不不会引起起试样表表面变形形。与机机械抛光光比较即即省时间间又操作作简便。然然而电解解抛光

28、也也有其局局限性，因因其对材材料化学学成分不不均匀的的偏析组组织以及及非金属属夹杂物物等比较较敏感，会会造成局局部强烈烈浸蚀而而形成斑斑坑。另另外镶嵌嵌在塑料料内的试试样，因因不导电电也不适适用。故故目前仍仍然以机机械抛光光为主。铜合金、铝铝合金、奥奥氏体不不锈钢及及高锰钢钢等材料料常用电电解抛光光。3、化学学抛光化学抛光光是依靠靠化学试试剂对试试样表面面凹凸不不平区域域的选择择性溶解解作用将将磨痕去去除的一一种方法法。化学学抛光不不需要专专用设备备，成本本低，操操作方便便，在抛抛光的同同时还兼兼有化学学浸蚀作作用。省省掉了抛抛光后的的浸蚀步步骤。但但化学抛抛光的试试样平整整度略差差些，仅仅适

29、于低低、中倍倍观察。对于一些些软金属属，如锌锌、铅，锡锡、铜等等。实践践证明，利利用化学学抛光要要比机械械抛光和和电解抛抛光效果果好。目目前，其其应用范范围在逐逐渐扩大大。化学抛光光液，大大多数是是由酸或或者混合合酸（如如草酸、磷磷酸、铬铬酸、醋醋酸、硝硝酸、硫硫酸氢氟氟酸等）过过氧化氢氢及蒸馏馏水组成成。混合合酸主要要起化学学溶解作作用，过过氧化氢氢能增进进金属表表面的活活化性，有有助于化化学抛光光的进行行，而蒸蒸馏水为为稀释剂剂。（五）浸浸蚀抛光后的的试样在在金相显显微镜下下观察，只只能看到到光亮的的磨面，如如果有划划痕、水水迹或扔扔料中的的非金属属夹杂物物、石墨墨以及裂裂纹等也也可以看看

30、出来，但但是要分分析金相相组织还还必须进进行浸蚀蚀。浸蚀的方方法有多多种，最最常用的的是化学学浸蚀法法，利用用浸蚀剂剂对试样样的化学学溶解和和电化学学浸蚀作作用将组组织显露露出来。纯纯金属（或或单相均均匀固溶溶体）的的浸蚀基基本上为为化学溶溶解过程程。位于于晶界处处的原子子和晶粒粒内部原原子相比比，自由由能较高高，稳定定性较差差，故易易受浸蚀蚀形成凹凹沟，晶晶粒内部部被浸蚀蚀程度较较轻，大大体上仍仍保持原原抛光平平面。在在明场下下观察，可可以看到到一个个个晶粒被被晶界（黑黑色网络络）隔开开。如浸浸蚀较深深，还可可以发现现各个晶晶粒明暗暗程度不不同的现现象，这这是因为为每个晶晶粒原子子排列的的位

31、向不不同，浸浸蚀后，以以最密排排面为主主的外露露面与原原抛光面面之间倾倾斜程度度不同的的缘故。两相合金金的浸蚀蚀与单相相合金不不同，它它主要是是一个电电化学浸浸蚀过程程。在相相同的浸浸蚀条件件下，具具有较高高负电位位的相（微微电池阳阳极）被被迅速溶溶解凹陷陷下去；具有较较高正电电位的相相（微电电池阴ttR）在在正常电电化学作作用下不不被浸蚀蚀，保持持原有的的光滑平平面，结结果产生生了两相相之间的的高度差差。多相相合金的的浸蚀，同同样也是是一个电电化学溶溶解过程程，原理理与两相相合金相相同。化学浸蚀蚀的方法法虽然很很简单，但但是只有有认真对对待才能能制备出出高质量量的试样样，将抛抛光后的的试样用

32、用水冲洗洗同时用用脱脂棉棉擦净磨磨面，然然后吸水水纸吸去去磨面上上过多的的水，吹吹干后用用显微镜镜检查磨磨面上是是否有道道痕、水水迹等。同同时证明明未经过过浸蚀的的试样是是无法分分析组织织的，经经检查后后合格的的试样可可以放在在浸蚀剂剂中，抛抛光面朝朝上，不不断观察察表面颜颜色的变变化。这这是浸蚀蚀法。也也可以用用沾有浸浸蚀剂的的棉花轻轻轻擦拭拭抛光面面，观察察表面颜颜色的变变化。此此为擦蚀蚀法。待待试样表表面被浸浸蚀得略略显灰暗暗时即刻刻取出，用用流水冲冲洗后在在浸蚀面面上滴些些酒精，再再用滤纸纸吸去过过多的水水和 酒酒精，迅迅速用吹吹风机吹吹干，完完成整个个制备试试样的过过程。图图2-44

33、为浸蚀蚀显示原原理示意意图。晶界晶粒图2-44浸蚀显显示原理理示意图图（a）晶晶界处光光线的散散射（bb）组织织显示-直射射光反映映为亮色色晶粒，散散射光反反映为晶晶界关于浸蚀蚀剂的选选择可参参考有关关文献。钢钢及铸铁铁等黑色色金属最最常用的的浸蚀剂剂为4%硝酸酒酒精溶液液。浸蚀后的的试样在在显微镜镜下观察察时，如如发现表表面变形形层严重重影响组组织的清清晰度时时，可采采取反复复抛光、浸浸蚀的办办法去除除变形层层。三、实验验用设备备、仪器器和材料料抛光机、各各型号砂砂纸、抛抛光磨料料、试样样、浸蚀蚀剂、吹吹风等。四、实验验步骤金相试样样的制备备包括取取样、磨磨制、抛抛光、浸浸蚀四个个步骤。制制

34、备好的的试样应应能观察察到真实实组织、无无磨痕、水水迹。1.取样样 取取样的部部位和磨磨面应根根据检验验目的选选取具有有代表性性的部位位。例如如，检验验表面脱脱碳层的的厚度应应取横向向截面、观观察纵裂裂纹就要要取纵向向截面。试试样的截截取方法法很多，例例如用手手锯、机机床截取取、线切切割等，但但必须注注意的是是在取样样过程中中要防止止试样受受热或变变形而引引起的组组织变化化，破坏坏了其组组织的真真实性。为为防止受受热可在在截取过过程中用用冷却液液冷却试试样。金金相试样样的尺寸寸要便于于手握持持和易于于磨制，常常用的试试样尺寸寸为：1210或或121210，如如果不是是观察表表面组织织，可以以倒

35、角便便于磨制制。根据据需要，例例如观察察表面渗渗碳层的的厚度，为为防止在在磨制过过程中发发生倒角角，应采采用镶嵌嵌法，把把试样镶镶嵌在热热塑性塑塑料或热热固性塑塑料中。我我们所用用试样为为车削好好的1020的的45钢钢试样。2.磨制制 这这是最关关键的步步骤，磨磨制质量量的好坏坏直接决决定了试试样的好好坏。 粗粗磨 将试样样在砂轮轮上或用用粗砂纸纸之成平平面。磨磨制时使使试样受受力均匀匀，压力力不要太太大。 精精磨 粗磨好好的试样样用清水水冲干后后，依次次用011、022、033、044号金相相砂纸把把磨面磨磨光。磨磨制时应应把砂纸纸放在玻玻璃板或或平整的的桌面上上，左手手按住砂砂纸，右右手握

36、住住试样，用用力均匀匀、平稳稳，沿一一个方向向反复进进行，直直到旧的的磨痕被被去掉，不不要来回回磨制。注注意：在在调换更更细一号号砂纸时时，应将将试样上上的磨屑屑和砂粒粒清除干干净，并并转动990角，使使新、旧旧磨痕垂垂直。3.抛光光 抛抛光的目目的是去去除磨面面上细的的磨痕和和变形层层，以获获得光滑滑的镜面面。机械械抛光是是在抛光光机上进进行的。在在抛光盘盘上固定定一层织织物，如如毛织物物、丝织织物或人人造纤维维织物等等。抛光光盘以2200-6000转/分分的速度度旋转，将将抛光磨磨料（AAl2O3或其他他）加在在上面即即可进行行抛光。注注意抛光光时用力力要均匀匀，不要要太大，以以免试样样飞

37、出。抛抛光后先先用清水水冲洗再再用无水水酒精清清洗，然然后用吹吹风吹干干。4.浸蚀蚀 采采用化学学浸蚀法法，碳钢钢及低合合金钢一一般采用用4%的的硝酸酒酒精溶液液浸蚀115-220秒中中左右即即可。浸浸蚀后用用清水冲冲洗干净净再用无无水酒精精冲洗，然然后吹干干。五、实验验报告要要求1.根据自自己的体体会，简简述金相相样品的的制备过过程、组组织显示示方法和和注意事事项。22.讨论观观察试样样时所用用显微镜镜的参数数。六、思考考题1.金相相试样的的制备的的步骤及及应注意意的问题题。2.如果果观察到到许多平平行的条条纹而金金相组织织不清晰晰，为什什么？实验三 金属的的塑性变变形和再再结晶一、实验验目

38、的1. 了了解塑性性变形对对金属组组织的影影响。2. 了了解金属属经过冷冷塑性变变形后显显微组织织及机械械性能的的变化。3. 掌掌握变形形度与加加热温度度对再结结晶后晶晶粒大小小的影响响。4. 掌掌握洛氏氏硬度计计的使用用。二、实验验原理1、冷加加工对金金属组织织和力学学性能的的影响金属材料料发生冷冷变形后后，不仅仅外形发发生变化化，内部部组织也也发生变变化，随随着变形形量的增增加，原原来的等等轴晶粒粒将沿受受拉方向向逐渐伸伸长。当当变形量量大到一一定程度度时，各各个晶粒粒难以分分辨呈现现出一片片纤维状状的条纹纹，称为为纤维组组织，如如图3-1所示示。dcab图3-11工业纯纯铁经不不同程度度

39、变形后后的组织织a）200 b）440 c）660 d）770如果对冷冷变形金金属进行行薄膜透透射电镜镜分析就就会发现现位错分分布是不不均匀的的，有的的地方位位错密度度很高并并缠结在在一起；有的地地方位错错密度很很低。当当变形量量较大时时，还会会发现典典型的胞胞状亚结结构特征征。高密密度位错错集中在在胞壁上上，胞内内的位锗锗密度比比胞壁低低得多。变变形量越越大，胞胞状亚结结构的尺尺寸越细细小。金属的塑塑性变形形所造成成的内部部组织变变化必然然导致某某些性能能的改变变。大量量实践证证明，金金属材料料经冷变变形后，强强度、硬硬度显著著提高，而而塑性下下降，即即产生加加工硬化化。造成成加工硬硬化的原

40、原因主要要是位错错密度增增加，并并相互交交截产生生不易移移动的位位错节点点；位错错缠结在在一起或或形成胞胞状亚结结构都对对位错运运动有阻阻碍作用用。2、冷变变形金属属在加热热时组织织和性能能的变化化冷变形金金属在热热力学上上是处于于一种不不稳定的的状态，有有力求恢恢复到稳稳定状态态的趋势势。加热热会提高高原子的的活动能能力，促促进由不不稳定状状态恢复复到稳定定状态过过程的进进行，加加热温度度由低到到高，其其变化过过程人为为分为回回复、再再结晶和和晶粒长长大三个个阶段。当当然这三三个阶段段并非是是截然分分开的。如如图3-2所示示。由图可见见，当加加热温度度低于再再结晶温温度时，组组织形态态几乎不

41、不发生变变化。但但由于晶晶内缺陷陷（主要要是点缺缺陷）密密度减小小，电阻阻和内应应力明显显下降，当当温度达达到再结结晶温度度时，在在变形比比较严重重的区域域（如晶晶界、形形变带，夹夹杂物附附近等）优优先形成成再结晶晶核心，并并以畸变变能为驱驱动力逐逐渐长大大。当被被拉长的的变形晶晶粒完全全由细小小等轴晶晶粒代替替时，再再结晶过过程结束束。如果果进一步步提高温温度或延延长保温温时间，晶晶粒将以以界面能能减少为为驱动力力不断合合并长大大，进入入第三阶阶段。关于不同同阶段材材料强度度及硬度度的变化化：回复复阶段强强度几乎乎不变，即即将进入入再结晶晶阶段时时才略有有下降。在在再结晶晶阶段，强强度明显显

42、下降，直直到再结结晶结束束强度基基本恢复复到变形形前数值值，这说说明，再再结晶后后的金属属完全消消除了加加工硬化化现象。变变形量550的的纯铜经经不同温温度下退退火的组组织如图图3-33所示。图3-22 变形形金属在在加热过过程中组组织和性性能变化化示意图图3、再结结晶后晶晶粒大小小与变形形量的关关系再结晶后后晶粒大大小与再再结晶加加热温度度、保温温时间、加加热速度度、变形形量以及及变形前前原始晶晶粒度等等都有关关系。为为了说明明晶粒大大小与变变形量的的关系，将将一组变变形量各各不相同同的铝片片放在同同一温度度下进行行再结晶晶退火，结结果晶粒粒大小相相差很大大。如图图3-44所示。当变形量量很

43、小时时，由于于晶内储储存的畸畸变能不不足以进进行再结结晶而保保持变形形前状态态（图33-4aa）。当当达到某某一变形形量时，再再结晶后后的晶粒粒特别粗粗大（图图3-44b）。这这个变形形量称为为临界变变形度。金金属在临临界变形形度下，只只有少数数晶粒发发生明显显变形具具备形成成再结晶晶核心的的条件，而而其余绝绝大多数数晶粒几几乎未发发生变形形不具备备形核条条件，因因此所形形成的再再结晶核核心数目目必然很很少，由由它们长长大而成成的晶粒粒（无畸畸变区）靠靠吞并周周围晶粒粒迅速长长大，其其结果造造成晶粒粒特别粗粗大，当当变形量量超过临临界变形形度时，随随着变形形量的增增加，变变形的均均匀程度度也增

44、加加，再结结晶退火火后的晶晶粒也逐逐渐细化化，如图图3-44c、dd、e所所示。这里有必必要指出出，除特特殊需要要外，生生产中应应尽量避避免在临临界变形形度范围围内（铁铁约为22100；钢钢约为55100；铝铝约为225；铜及及黄铜约约为5）加工工，以免免形成粗粗大晶粒粒使性能能恶化。图3-33 变形形量500的纯纯铜经不不同温度度退火的的显微组组织变化化a）3000b）5000c）6000，加热热时间：30mmin图3-44 不同同变形量量对纯铝铝片再结结晶晶粒粒大小的的影响a）2% b）33% c）66% d）99% e）112% ff）155%本实验验主要以以工业纯纯铁或低低碳钢为为对象

45、，分分析其塑塑性变形形和再结结晶过程程中显微微组织的的变化和和性能变变化。观观察经一一定冷变变形后不不同退火火温度下下工业纯纯铁或低碳钢钢的显微微组织，测测定硬度度指标，此此外对不不同冷变变形度的的工业纯纯铁进行行高温退退火，测测定硬度度指标。从从而掌握握金属经经过冷塑塑性变形形后显微微组织及及机械性性能的变变化以及及掌握变变形度与与加热温温度对显显微组织织及机械械性能的的变化。三、实验验用设备备、仪器器和材料料金相显微微镜、洛洛氏硬度度计、不不同冷塑塑变形和和不同温温度下处处理的纯纯铁试样样一组。四、实验验内容1. 观观察不同同变形率率试样的的金相组组织并绘绘出组织织图。2. 测测量不同同变

46、形率率试样的的洛氏硬硬度。3. 观观察同一一变形率率试样不不同温度度下退火火的组织织并绘出出组织图图。4. 测测量同一一变形率率试样不不同温度度下退火火后的洛洛氏硬度度。五、实验验步骤与与方法1. 每每个同学学从指导导老师处处领取一一个样品品，并记记录下样样品的参参数。注注意在实实验过程程中不得得和其他他同学交交换以避避免搞混混样品。2. 观观察样品品的显微微组织，并并对组织织的特征征做记录录，并记记录放大大倍数。3. 和和其他同同学交换换样品，对对其他参参数的样样品进行行显微组组织，并并对组织织的特征征做记录录，并记记录放大大倍数。注注意不要要将样品品搞混，看看完后及及时归同同学。4. 测测量自己己样品的的洛氏硬硬度，并并记录下下来。同同时记录录同一组组同学中中其他参参数样品品的硬度度。五、实验验报告要要求1、实验验名称2、实验验目的3、实验验原理4、实验验仪器设设备5、实验验结果与与分析（1）整整理所测测定的各各种数据据列表。（2）分分析冷塑塑性变形形对金属属组织和和性能的的影响。（3）分分析经冷冷塑性变变形金属属在加热热时组织织与性能能的变化化规律。6、实验验心得