金属学原理实验指导书 - 图文

《金属学原理》

实 验 指 导 书

冶金与材料工程学院 编 写

适用专业：材料成型与控制工程

焊 接 工 程

江苏科技大学冶金与材料工程学院

2013年9月

前 言

本课程的基本内容主要包括晶体学基础、固体材料的结构、材料的凝固与相图理论、原子和分子在固体中的运动、材料的形变与再结晶理论、热处理工艺及组织的理论。通过学习学生需要掌握材料科学的基础理论和研究方法，尤其要掌握材料的成分、工艺、组织和性能之间的关系。为了训练和培养学生进行材料的宏观和微观组织分析能力，深刻地理解和把握材料的成分和平衡组织之间的关系，设置“光学显微镜与微观组织分析综合实验”、“金属凝固原理与宏观组织分析综合实验”、“铁碳合金平衡组织观察”和“钢的热处理操作、组织观察及硬度测定综合实验”、“铸铁的组织观察”、 “有色金属的组织观察”六个实验。 “光学显微镜与微观组织分析综合实验”主要让学生了解金相显微镜的光学原理、构造和使用方法，掌握金相试样的制备和金相组织的摄制技术，了解光学金相分析方法的操作流程。

“金属凝固原理与缺陷组织分析综合实验”主要让学生了解凝固过程及凝固条件对材料铸锭组织的影响，掌握材料宏观分析的应用及操作方法，进一步了解材料宏观缺陷的组织特征及形成条件。

“铁碳合金平衡组织观察”实验主要让学生识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织，了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，进一步理解合金成分、组织和性能之间的关系。

“钢的热处理操作、组织观察及硬度测定综合实验”主要让学生学会热处理工艺的操作方法,识别组织形貌,了解材料的成分、工艺、组织和性能之间的相互关系。

“铸铁的组织观察”主要培养学生熟悉Fe-C(石墨)的相图，识别铸铁的显微组织形貌，了解几种类型的灰口铸铁的组织形貌特征。

“有色金属的组织观察”主要培养学生熟悉有色金属的相图，识别有色金属的显微组织形貌，了解几种类型的有色金属的组织形貌特征。

实验1：光学显微镜与微观组织分析综合实验

实验学时：4 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的

1.掌握金相显微镜的构造及使用,利用显微镜进行显微组织分析； 2.掌握金相显微试样的制备及显微图像采集和输出； 3.掌握金相分析方法的操作流程。 二、实验内容

金相显微分析是研究金属组织的主要方法之一，在生产与科研中，为了探索金属材料的性能，经常需要进行金相组织的检验和分析。金相显微分析就是利用显微镜的光学原理借助试样表面对光线的反射特点来进行的。为了对金相显微组织进行鉴别和研究，需要将所分析的金属材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制抛光与腐蚀等工序，通过金相显微镜来观察与分析金属的显微组织状态及其分布情况，最后将其拍摄并形成照片。本实验涉及到学生具备操作使用金相显微镜、金相样品制备、金相组织分析、显微摄影等方面的知识。通过实验训练学生材料显微分析的综合能力。 三、实验原理、方法和手段 （一）金相显微镜的使用

放大镜是最简单的一种光学仪器，它实际上就是一块集合透镜（凸透镜），利用它可以将物体放大，其成像光学原理，如图1所示。

图1 放大镜的光学原理 AB—物体 A?B?—物象 f—焦距

当物体AB放在透镜与其焦点F之间时，则经透镜的光线就分散开来，从放大镜后面观察，可以看到一个放大了正虚象A?B?，此象的长度与物体长度比值（即

A?B?/AB）就是放大镜的放大率（放大倍数）。由于放大镜到物体之间的距离a

近似地等于透镜的焦距f（a≈f），而放大镜到象间的距离b近似地等于人眼的明视距离（约250mm），故放大镜的放大倍数为：

N?b250 ?af由式中可知，透镜的焦距f越短，则放大镜的放大倍数越大，一般采用的放大镜其焦距在10～100mm范围内，放大倍数则可在2.5—25倍之间，若进一步提高放大倍数，将会由于透镜焦距变短使其表面曲率过分增大，而使形成的影象变得模糊不清。所以为了得到高倍放大而又清晰的影象，就得采用由多个透镜组成的显微镜。

现代显微镜中，校正透镜球面差的方法是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)，由于这两种透镜有着性质相反的球面差，因此可以相互抵消。

色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其折射率不同。若用白色光照明时，其中紫色光线的波长最短，其折射率最大，在离透镜最近处成象；红色光线的波长最大，其折射率最小，在离透镜最远处成象。其余的有色光线(如，黄、绿、兰色)的成象，则在它们之间。因此这些光在平面上的成象就不能集中在一点，而呈现出带有彩色边缘的光环。色象差的存在也会降低透镜成象的清晰度，也应予以校正，通常采用单色光源(或加滤光片)，也可使用复合透镜。

显微镜的放大作用主要在于物镜，物镜的好坏直接影响显微镜放大后映象的质量，所以对物镜的校正是很重要的。物镜的类型，根据对透镜球面象差和色象差的校正程度不同而分为消色差物镜，复消色差物镜和半复消色差物镜等。 目镜也是显微镜中的主要组成部分，是第二个透镜组。它的主要作用是将由物镜放大所得的实象再度放大，因此它的质量将最后影响到物象的质量。按照目

镜的构造型式一般可分为普通目镜，补偿目镜，以及测物目镜等。普通目镜其映象未经校正，应与消色差物镜配合使用。补偿目镜须与复消色差物镜或半复消色差物镜配合使用，可以抵消这些物镜的残余色象差。 金相显微镜的使用规程

①首先将显微镜的光源插在变压器上，通过低压(6～8V)变压器接通电源。 ②根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并使转换器转至固定位置(由定位器定位)。

③将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。

④转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面(但不得与试样相碰)然后相反转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距，当视场亮度增强时再改用细调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。 ⑤适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物像。 使用时的注意事项

①操作应细心，不能用任何粗暴和剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸。 ②显微镜镜头的玻璃部分和试样表面严禁手指直接接触，若镜头中落有灰尘，可用镜头纸或软毛刷轻轻擦试。

③在旋转粗调(或细调)手轮时，动作要慢，碰到某种阻碍时应立即报告，弄清原因，不得用力强行转动，否则就会损坏机件。 （二）、金相试样的制备方法

金相显微试样的制备过程包括如下工序:取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等。 下面就各道工序加以简要说明： 1．取样

取样是进行金相显微分析中很重要的一个步骤，显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位，例如：检验和分析失效零件的损坏原因时(废品分析)除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏处较远的部位截取试样，以便比较；在研究铸件组织时，由于偏析现象的存在，必须从表面层到中心，同时取样进行观察；对于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；对于一般经热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样截取可在任一截

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