材料科学实验指导书Word文档格式.docx
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在显微镜体的两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。
顺时针方向（右手）旋转粗调手轮，使支架上升，将试样置于载物台中间，先用10倍物镜观察，用粗动手轮大致调出成像后，再用微动手轮来调焦。
转换器上的滚花齿纹是操作者手接触的位置。
双目观察时，应调节好双目观察筒的瞳距，用两只手抓住观察镜面板调节镜筒间距,直到通过两目镜同时看到完整的视场。
瞳距不对易使操作者感到疲劳，并影响物镜齐焦。
用左眼观察，调节粗动手轮、微动手轮，对标本准确调焦，直至图象清晰。
用右眼观察，不须调焦，调节刻度圈使图像清晰。
如果目镜瞳距和刻度圈已调节合适，将得到如下效果：
⑴无论看到任何试样，用粗、微动手轮调焦，左右眼都能看到清晰的成像。
⑵观察者头部在确定位置通过两目镜可舒适地看到整个视场。
⑶将转换器上的物镜换到另一个物镜时，仅需要稍微转动微动手轮，便可获得清晰图像。
如果示得到上述结果，则需要重新调节，亦可以左眼为基准按上述方法调整。
为了避免每次使用显微镜都要重复这样调节，应记住各刻度值。
载物台：
用于放置金相试样，载物台和下面托盘之间有导架，用手推动，可使载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。
移动范围约为8mm×
8mm。
孔径光栏和视场光栏：
孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物象达到清晰的程度。
视场光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。
在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉，用来调整光栏中心。
物镜转换器：
转换器呈球面形，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。
（二）金相显微镜的使用方法
1、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，薄试样可用弹簧片压住；
4、转动粗调手轮先使载物台下降，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，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮调节，直到物象调整到最清晰为止；
5、调节双目观察筒的筒距，直到通过两目镜能同时看到完整的视场；
6、适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。
（三）金相显微镜使用的注意事项
1、在调节过程中，若发现支架自动下滑，可将右手轮内侧滚花紧圈，顺时针方向旋转（可略加力）直到上述现象消失；
2、操作时应特别细心，不能有任何剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸；
3、显微镜镜头的玻璃部分和试样磨面严禁手指直接接触，若镜头中有灰尘，可用镜头纸或软毛刷轻轻擦拭；
4、在旋转粗调或微调手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导教师查找原因，不得用力强行转动，否则损坏机件。
5、观察结束后应及时关闭电源。
（四）金相试样的制备方法
金相试样的制备包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等几个步骤。
1、取样：
显微试样的选取应根据研究的目的，取其有代表性的部位。
2、镶嵌：
当试样较小时，直接用手磨制很困难，可将试样镶嵌在热固性塑性（如胶木粉）或热塑性材料（聚乙烯、聚合树脂）中。
本实验选用圆钢试样，无需镶嵌，可直接磨制。
3、磨制方法：
①预磨：
预磨是为了获得一个平整的表面，通常在砂轮机上或用锉刀制成平面，无保存必要时，可将试样的尖角倒圆。
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。
②粗磨：
为细磨作准备，在预磨机上或粗砂纸上进行，经指导老师检查合格，再细磨。
③冲洗：
清水洗净并擦干
④细磨：
消除粗磨后的磨痕，得到平整而光滑的磨面，为抛光作准备。
将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，依次在由粗到细的各号金相砂纸上把磨面磨光。
方法：
将砂纸放在玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，并使磨面朝下，均匀用力沿直线向前推行，返回时试样要离开砂纸，如此反复，直至磨面上的磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致时为止。
每磨好一张砂纸后，用清水洗去试样上的的沙粒，拭干，换下一号砂纸再磨，此时，须将试样的磨制方向转动90°
，即与上一道磨痕方向垂直。
然后换第三张……直到磨完最细砂纸为止。
各级砂纸必须分别存放，不得混在一起。
⑤冲洗：
清水洗净
4、抛光：
为去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，是靠极细的抛光粉末与磨面间产生相对磨削和滚压作用来消除磨痕，使其成为光滑的镜面。
机械抛光机主要由电动机和抛光圆盘组成，转速300-500转/分。
抛光盘上铺以呢绒。
抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。
抛光液通常采用Al2O3、Cr2O3等细粉末在水中的悬浮液。
5、冲洗：
6、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。
最常用的浸蚀剂为3-4％硝酸酒精溶液。
将试样磨面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。
时间要适当，一般磨面发暗时就可停止，如浸蚀不足可重复浸蚀，再用清水冲洗，接着用酒精冲洗，最后用吹风吹干，即可在显微镜下观察。
如浸蚀过度，试样则需重新抛光，甚至还需在最后一号砂纸上进行磨光。
五、实验结果记录
1、金相显微镜型号：
2、所用物镜倍数：
3、所用目镜倍数：
4、放大倍数：
5、所观察的试样牌号：
6、所使用的浸蚀剂：
7、观察到的组织：
六、实验报告要求
1、写出实验目的；
2、写出金相显微镜的使用步骤；
3、写出金相试样制作的过程；
4、实验结果记录；
5、本次实验的体会。
实验二铁碳合金平衡组织的观察与分析
1．认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；
2．了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响。
建立起Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系；
3．了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律。
二、概述
平衡状态是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下完成转变的组织状态。
在实验条件下，退火状态下的碳钢组织可以看成是平衡组织。
图1是以组织组成物表示的铁碳合金相图。
在室温下碳钢和白口铸铁的组织都是由铁素体和渗碳体两种基本相构成。
但是由于含碳量不同、合金相变规律的差异，致使铁碳合金在室温下的显微组织呈现出不同的组织类型。
表1列出各种铁碳合金在室温下的显微组织。
表1各种铁碳合金在室温下的显微组织
合金分类
含碳量/%
显微组织
工业纯铁
<
0.0218
铁素体（F）
碳钢
亚共析钢
0.0218～0.77
F+珠光体（P）
共析钢
0.77
P
过共析钢
0.77～2.11
P+二次渗碳体（CΠ）
白口铸铁
亚共晶白口铸铁
2.11～4.3
P+CΠ+莱氏体（Le）
共晶白口铸铁
4.3
Le
过共晶白口铸铁
4.3～6.69
Le+二次渗碳体（CI）
铁碳合金显微组织中，铁素体和渗碳体两种相经硝酸酒精溶液浸蚀后均呈白亮色，而它们之间的相界则呈黑色线条。
采用煮沸的碱性苦味酸钠溶液浸蚀，铁素体仍为白色，而渗碳体则被染成黑色。
图1以组织组成物表示的铁碳合金相图
铁碳合金的各种基本组织特征如下：
1.工业纯铁
含碳量小于0.0218％的铁碳合金称为工业纯铁，其显微组织为单相铁素体或铁素体+极少量三次渗碳体。
为单相铁素体时，显微组织由亮白色的呈不规则块状晶粒组成，黑色网状线即为不同位向的铁素体晶界，如图2（a）所示。
当显微组织中有三次渗碳体时，则在某些晶界处看到呈双线的晶界线，表明三次渗碳体以薄片状析出于铁素体晶界处，如图2（b）所示。
（a）250X（b）700X
图2工业纯铁的显微组织
2.碳钢
碳钢按含碳量的不同，将组织类型分为3种：
共析钢、亚共析钢和过共析钢。
其组织特征如下：
（1）共析钢
含碳量为0.77％的铁碳合金称为共析钢，其显微组织是珠光体。
珠光体是层片状铁素体和渗碳体的机械混合物。
两相的相界是黑色的线条，在不同放大倍数条件下观察，则具有不同的组织特征，在高倍数（>
500倍）电镜下观察时，能清晰地分辨珠光体中平行相间的宽条铁素体和细片状渗碳体，如图3（a）所示。
在300～400倍光学显微镜下观察时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时所看到的渗碳体片就是一条黑线．如图3（b）所示。
珠光体有类似指纹的特征。
图3共析钢的珠光体组织
（2）亚共析钢
含碳量为0.0218%～0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，室温下的显微组织是铁素体＋珠光体。
铁素体呈白色不规则块状晶粒，珠光体在放大倍数较低或浸蚀时间长、浸蚀液浓度加大时，则为黑色块状晶粒，如图4所示。
图4亚共析钢的显微组织（300×
）
在亚共析钢的组织中，随着含碳量的增加，组织中的珠光体量也增加。
在平衡状态下，亚共析钢组织中的铁素体和珠光体的相对量可应用杠杆定律计算。
通过在显微镜下观察组织中珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，可以近似估算出钢的含碳量。
即钢的含碳量≈P（面积%）×
0.77%
（3）过共析钢
含碳量为0.77%～2.11%的铁碳合金称为过共析钢，室温下的显微组织为珠光体+二次渗碳体。
二次渗碳体呈网状分布在原奥氏体的晶界上，随着钢的含碳量增加，二次渗碳体网加宽，用硝酸酒精溶液浸蚀时，二次渗碳体网呈亮白色，如图5（a）所示。
若用煮沸的碱性苦味酸钠溶液浸蚀，则二次渗碳体呈黑色，如图5（b）所示。
图5过共析钢的显微组织（300×
3.白口铸铁
白口铸铁的含碳量为2.11%～6.69%。
在白口铸铁的组织中含有较多的渗碳体相，其宏观断口呈白亮色，因而得名。
按含碳量不同，其组织类型也分为3种：
共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁。
（1）共晶白口铸铁
共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，室温显微组织是低温莱氏体。
低温莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物，如图6所示。
其中白亮的基体是渗碳体，显微组织中的黑色细小颗粒和黑色条状的组织是珠光体。
图6共晶白口铸铁（100X）图7亚共晶白口铸铁（100X）图8过共晶白口铸铁（200X）
（2）亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁的含碳量为2.11%～4.3%，室温的显微组织是珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体，如图7所示。
图中较大块状黑色部分是珠光体，呈树枝状分布，其周边的白亮轮廓为二次渗碳体，在白色基体上分布有黑色细小颗粒和黑色细条状的组织是莱氏体。
通常二次渗碳体与共晶渗碳体（即莱氏体中的渗碳体）连在一起，又都是白亮色，因此难以明确区分。
（3）过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁的含碳量为4.3%～6.69%，其室温显微组织为莱氏体＋一次渗碳体，如图8所示。
图中呈白亮色的大板条状（立体形态为粗大片状）的是一次渗碳体，其余部分为莱氏体。
三、实验内容
观察八种试样，根据铁碳合金相图判断各组织组成物，区分显微镜下看到的各种组织。
工业纯铁试样1个，亚共析钢试样2个、共析钢试样1个、过共析钢试样1个、亚共晶白口铸铁试样1个、共晶白口铸铁试样1个、过共晶白口铸铁试样1个。
四、实验报告要求
1、写出实验目的；
2、画出你观察到的试样的组织图，标明各组织组成物名称、材料名称、处理条件、浸蚀剂、放大倍数等（不要将划痕、夹杂物、锈蚀坑等画到图上）。
3、计算碳钢（亚共析钢试样2个、共析钢试样1个、过共析钢试样1个）室温下各组织组成物的相对重量。
4、讨论铁碳合金含碳量与组织的关系。
五、注意事项
金相显微镜的成像原理可参阅有关书籍。
实验课上所用的显微镜已经调整好了，观察时只要转动微调螺旋，看清楚即可。
显微镜是精密的光学仪器，使用时一定要当心。
制备试样很费时间，所以我们要爱护制好的试样表面，不要用手直接触摸试样表面，更要避免被硬物划伤，在实验过程中不要用手去动试样。
实验结果记录：
材料牌号：
材料牌号：
处理状态：
处理状态：
浸蚀剂：
浸蚀剂：
放大倍数：
放大倍数：
实验三焊口的组织检验
一、实验原理
焊接成形也是一种非常重要的机械加工和成形工艺方法。
有许多产品或（和）零部件都有焊接工艺环节。
对这类产品来讲，焊接质量就决定了产品的性能和寿命。
所以在焊接工序之后进行组织检验是非常重要的一个环节。
钢材焊接后，焊口区域的组织由焊缝金属、热影响区和母材区组成。
焊缝金属是经过熔化的金属部分组成，热影响区是母材区和焊缝金属之间发生急热急冷而有组织变化的部分。
焊口的组织取决于焊接时达到的最高温度和随后的冷却速度。
由于从熔化区到母材区的变化是连续发生的，所以热影响区也没有非常明显的分界线。
这些区域的大致分类如表1所示。
表l钢的焊接热影响区的组织
名称
加热到的温度范围（约）／℃
摘要
焊缝金属
熔化温度＞1500
熔化凝固的范围出现树枝状组织
粗晶粒区
＞1250
粗大部分，容易产生硬化并形成裂纹等
混合晶粒区（中间晶粒区）
1250～1100
位于粗晶粒和细晶粒之间，性能也在两者之间
细晶粒区
1100～900
利用再结晶细化，韧性等机械性能良好
部分相变区
900～750
只有珠光体溶解、球化，常常形成高碳马氏体而使性能降低
脆性区
750～200
往往由于热应力而表现出脆性，在显微镜下没有变化
母材区
200～室温
未受热影响的母材部分
图1是高强度钢焊口组织和硬度分布实例。
图1的实验结果说明，在熔合线附近有显著的硬化现象。
这种硬化程度因材料的种类不同而不同，但最高硬度越高，焊口越容易变脆。
一般在焊接高碳钢和高强度钢时在热影响区容易形成马氏体和贝氏体，因此显著硬化，容易产生裂纹或其它缺陷，属于不好焊接的钢，故应特别注意。
图1高强度钢焊口组织和硬度分布
二、实验目的
电弧焊接是利用大电流产生的热量，短时间内将金属加热熔化，凝固后焊合的工艺过程。
本实验采用电弧手工焊接的方法，焊接低碳钢和高碳钢，观察焊口组织和分析沿焊口截面上的硬度分布，从而掌握焊口的特点和性能。
三、实验过程及步骤
（l）准备电弧焊机一台，钛铁矿型结构钢焊条2根，低碳钢试样和高碳钢试样各两对。
（2）用两种试样（低碳钢对低碳钢，高碳钢对高碳钢）焊接。
注意在焊接过程中按规范操作，防止烫伤身体或灼伤眼睛。
（3）焊好的试样加工成图2形状，每一个试样分别沿ab线的走向测定维氏直。
（4）试样的焊接区域磨制成金相试样，用4％硝酸酒精腐蚀，用显微镜观察。
图2焊接试样加工示意图
四、实验报告要求
（l）简述实验过程。
（2）总结硬度实验数据，用表格的形式或用曲线图的形式表达两种试样的实验结果。
（3）金相实验结果包括：
焊缝金属有无裂纹、焊缝金属区域、热影响区域的尺寸、两种材料组织差别等内容。
实验四金属的塑性变形与再结晶（选做实验）
一、实验目的
1、了解塑性变形对金属机械性能的影响（加工硬化现象）；
2、熟悉金属塑性变形再结晶退火后的晶粒度与预先的塑性变形量的关系；
3、熟悉测定金属临界变形度的方法。
二、实验概述
金属经冷变形后，不仅晶粒的外形发生变化，碎化，而且晶体中的位错密度大大增加，形成亚结构，以及由于位错的相互作用，构成位错运动的障碍物，因而导致强度增加，塑性下降，即产生了加工硬化现象。
实验时注意塑性变形初期与后期的用力感。
经过变形的金属和合金，处于一种亚稳的高能状态，这样的金属材料再热的激活下，经过一定的时间，可以转变为更稳定的状态，这个过程大致可分为回复、再结晶、晶粒长大。
回复阶段主要是异号位错的会聚抵消和在较高温度进行的同号刃型位错的多边化，使能量降低。
在多边化后，对层错能高的多晶体材料来说，在形变晶粒中的胞壁处的缠结位错形成整齐的位错网络，构成亚晶界，故由回复前的“胞状组织”转化为“亚晶组织”，使内应力降低。
再结晶是以多边化产生的无应变的亚晶为基础形核长大，通过晶界的移动最后形成无应变的等轴的新晶粒的过程。
经过再结晶的金属材料的性能与冷加工前大致相同。
再结晶的重要性就在于此。
冷变形的金属材料经过加热产生再结晶现象，这种热处理工艺，称为再结晶退火。
再结晶后的晶粒大小与材料的强度、塑性乃至冲击韧性有极大关系，故直接影响再结晶退火后的冷成形性能及使用性能。
再结晶后的晶粒度与冷变形程度有很大关系。
三、实验内容及步骤
本实验采用的材料是纯度为98.5%的工业纯铝薄片。
退火状态。
铝片分别拉伸到指定的变形度：
2％，3％，4％，6％，9％，12％，16％，18％。
然后在550℃的炉内进行再结晶退火，测定其晶粒大小。
并作出晶粒大小与变形度的关系曲线。
以确定铝的临界变形度。
实验步骤
1、取试样尺寸为200×
15×
0.5铝片，在试样的一端打上编号，用铅笔画出相距100mm的标距线，如图1所示
标距线
试样上有用部分长度为100mm。
经过某一形变度n％形变后的长度为：
L=100+100n％
2、试样固定在拉伸装置上，拉伸到指定的变形度：
由于拉伸时试样两端被夹紧，以至两端形变过小，中间部分形变程度较均匀。
所以应在形变均匀的中间部分进行实验。
才能获得较准确的结果。
3、试样拉伸后，放到550℃的炉中进行再结晶退火，保温半小时，然后空冷。
图1试样示意图
4、将退火试样放入混合酸（15％HF＋45％HCL＋15％HNO3＋25％H2O）浸蚀剂中显示晶粒（5秒左右）。
浸蚀剂容器须放在冷水中冷却，试样浸蚀后用清水冲洗，烘干。
5、数出500mm2面积的晶粒数，算出晶粒大小，即晶粒面积的平均值，变形在9％以上用放大镜数出100mm2内的晶粒数。
将实验的数据记录下表
表1实验数据记录表
测得数据
变形度（％）
2
3
4
6
9
12
16
18
500mm2面积上的晶粒数
晶粒面积的平均值
四、实验设备及工具
1、拉伸机，中温箱式电阻炉。
2、扳手，剪刀，游标卡尺等。
五、实验报告要求
1、说明实验目的
2、根据上述数据作出晶粒大小与变形度的关系曲线。
3、实验结果及分析。
思考题：
测量塑性变形量为什么必须以标距线为基础？
实验五激光相变硬化
1.熟悉激光相变硬化的概念、特性与常规淬火的区别及基本方法。
2.了解激光相变硬化所涉及的激光器、加工机床和吸光涂料等。
3.在45钢表面进行激光相变硬化实验，优化工艺参数获得良好的硬化层。
4.观察激光相变硬化的典型微观组织、测量硬化层的尺寸和基本性能。
二、实验概述
激光相变硬化原理如下：
利用聚焦激光束（功率密度103-104W/cm2）对特定部位的钢铁等材料表面进行辐射，使表面金属快速加热到奥氏体化温度以上熔点以下。
当激光束移开后，被加热表层与基材之间极高的温度梯度和金属基体本身极好的导热性使其获得约103-104K/s的冷却速度，表层奥氏体快速极冷发生马氏体相变而实现表面强化。
极高的加热速度使奥氏体晶粒细化，并且在奥氏体内碳的分布很难均匀化，随后以远超过通常淬火条件下的冷却速度进一步细化了马氏体，并使形成的马氏体和残余奥氏体内位错密度和晶格畸变呈几个数量级的规模增加。
因此，激光相变硬化往往能获得比常规方法更高的硬度。
由于奥氏体发生马氏体相变的比容差异，在淬硬表层形成压应力状态，激光硬化表层具有很小的裂纹倾向和更优异的耐磨性能及抗疲劳性能。
激光相变硬化是目前激光材料加工领域研究应用最普遍的表面强化技术，广泛应用于钢和铸铁等材料的局部强化。
图1为激光相变硬化的示意图；
图2为激光相变硬化的典型加热冷却曲线；
图3为过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）；
图4为激光相变硬化亚共析钢和共析钢的微观组织；
图5为激光相变硬化各类铸铁的微观组织。
图1激光相变硬化示意图图2激光相变硬化的典型加热冷却曲线
图3过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）图4激光相变硬化亚共析钢和共析钢的微观组织
图5激光相变硬化各类铸铁的微观组织
由于金属材料对红外激光的反射率较高，激光相变硬化时一般要求在工件表面预涂一层吸光涂料以增加对激光能量的吸收率。
激光相变硬化的主要工艺参数有：
激光功率、光斑直径、扫描速度、吸光涂层及其厚度、保护气体环境等。
其基本规律是；
随激光功率或激光功率密度的增加或扫描速度的降低，相变硬化层的深度增加，热影响区增加。
硬化层宽度主要取决于聚焦光束直径。
硬化层硬度取决于被处理材料的特性（含碳量）与扫描速度。
常规方法能处理的材料均能用激光相变硬化取得良好的硬化效果，尤其是在选择性局部区域硬化方面效果显著。
激光相变硬化属表面硬化技术，硬化层深度一般在1mm以下。
采用离焦光斑单道
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