《材料科学基础》 实验讲义 材料学院实验教学中心
1 《材料科学基础》 实验讲义 材料学院实验教学中心
目录 绪 实验课程简介 3 第一部分实验一：金相制备 4 第一章金相显微镜的介绍， d 1。金相显微镜的光学放大原理 2 金相显微镜的主要性能】 3 金相显微镜的构造和使用 .8 第二章金相样品的制备… .13 1.取样 13 2.镶嵌 14 磨 4 光 5.浸 ..19 第三章硬度测试， 22 布氏硬度试验 221 第四章实验概述 26 实验目的 26 实验内容 .26 3.实验所用设备及材料 .26 4.实验步骤 26 第二部分实验二：金相观察 第 章铁碳合金的介绍 L.工业纯铁 2.碳钢 .29 3.白口铸铁 34 4灰口钻铁 36 第二章实验概述 41 1.实验目的 41 2.实验内容 41 第三部分实验报告。 44 1.实验 44 预习报告内容 44 实验报告内容 2.实验 45 2
2 目录 绪论................................................................................................................................3 实验课程简介........................................................................................................3 第一部分 实验一：金相制备....................................................................................4 第一章 金相显微镜的介绍..................................................................................4 1．金相显微镜的光学放大原理..................................................................4 2．金相显微镜的主要性能..........................................................................5 3．金相显微镜的构造和使用......................................................................8 第二章 金相样品的制备....................................................................................13 1. 取样.........................................................................................................13 2. 镶嵌.........................................................................................................14 3. 磨制.........................................................................................................15 4. 抛光.........................................................................................................17 5. 浸蚀.........................................................................................................19 第三章 硬度测试................................................................................................22 布氏硬度试验..............................................................................................22 第四章 实验概述................................................................................................26 1. 实验目的.................................................................................................26 2. 实验内容.................................................................................................26 3. 实验所用设备及材料.............................................................................26 4. 实验步骤.................................................................................................26 第二部分 实验二：金相观察..................................................................................28 第一章 铁碳合金的介绍.................................................................................28 1. 工业纯铁.................................................................................................29 2. 碳钢.........................................................................................................29 3. 白口铸铁.................................................................................................34 4. 灰口铸铁.................................................................................................36 第二章 实验概述.............................................................................................41 1. 实验目的.................................................................................................41 2. 实验内容.................................................................................................41 第三部分 实验报告..................................................................................................44 1. 实验一............................................................................................................44 一、预习报告内容......................................................................................44 二、实验报告内容......................................................................................44 2. 实验二............................................................................................................45
绪论 实验课程简介 一、基本教学内容和学时安排 实验课由2个分实验组成：实验一(4学时)为金相制备，实验二(4学 时)为金相观察。 二、实验课程性质：必修 三、实验课程学时：8h 四、 本实验课的基本理论 本实验课的基本理论来自于《材料科学基础》、《金属学及热处理》、《工程 材料及应用》等课程。 五、实验课程目的 通过本实验，使学生掌握金属材料制备及微观组织分析的基本方法和技 能，增强对《材料科学基础》等课程的理论知识的学习和理解，为本科毕业设 计和研究生阶段的学习、提高学生实践能力和培养综合分析能力和创新意识打 下基础。 六、适用学科和专业 适用材料学科：材料科学与工程专业、材料成型与控制专业、电子封装技 术专业等
3 绪论 实验课程简介 一、 基本教学内容和学时安排 实验课由 2 个分实验组成：实验一（4 学时）为金相制备，实验二（4 学 时）为金相观察。 二、 实验课程性质：必修 三、 实验课程学时： 8h 四、 本实验课的基本理论 本实验课的基本理论来自于《材料科学基础》、《金属学及热处理》、《工程 材料及应用》等课程。 五、 实验课程目的 通过本实验，使学生掌握金属材料制备及微观组织分析的基本方法和技 能，增强对《材料科学基础》等课程的理论知识的学习和理解，为本科毕业设 计和研究生阶段的学习、提高学生实践能力和培养综合分析能力和创新意识打 下基础。 六、 适用学科和专业 适用材料学科：材料科学与工程专业、材料成型与控制专业、电子封装技 术专业等
第一部分实验一：金相制备 第一章金相显微镜的介绍 金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具。将专门制备的金属试祥放在 金相显微镜下进行放大和观察，可以研究金属组织与其成分和性能之间的关 系，确定各种金属经不同加工及热处理后的显微组织：鉴别金属材料质量的优 劣，如各种非金属夹杂物在组织中的数量及分布情况，以及金属晶粒度大小 等。因此，利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究中的 一种基本实验技术， 简单地讲，金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察 的。在生产与科研中，经常需要利用金相显微镜对金属材料的显微组织进行检 验和分析。由于金相显微镜是借助试样表面对光线的反射来呈现显微组织状态 的，所以首先要把样品观察面制成光滑平面，而后通过浸蚀使其不同组织显示 出微观的凹凸不平，从而在显微镜下观察到亮暗不同的显微组织特征。为了得 到合格的金相显微试样，避免因出现假象而导致错误的判断，需要掌握正确的 制样方法。 下面分别介绍金相显微镜的基本原理、主要性能和使用方法。 1.金相显微镜的光学放大原理 金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图1-1所示。 光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着被观察物体B的一组 透镜叫物镜0：对着眼睛的一组透镜叫目镜02。现代显微镜购物镜和目镜都是 由复杂的透镜系统所组成，放大倍数可提高到1600-2000倍。 当被观察物体B置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折 射后，得到一个放大的倒立实像A'B'(称为中间像)。若A'B'处于目镜焦距 之内，则通过目镜观察到的物像是经目镜再次放大了的虚像A”B”。由于正常 人眼观察物体时最适宜的距离是250m(称为明视距离)，因此在显微镜设计 上，应让虚像A”B”正好落在距人眼250mm处，以使观察到的物体影像最清
4 第一部分 实验一：金相制备 第一章 金相显微镜的介绍 金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具。将专门制备的金属试祥放在 金相显微镜下进行放大和观察，可以研究金属组织与其成分和性能之间的关 系，确定各种金属经不同加工及热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优 劣，如各种非金属夹杂物在组织中的数量及分布情况，以及金属晶粒度大小 等。因此，利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究中的 一种基本实验技术。 简单地讲，金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察 的。在生产与科研中，经常需要利用金相显微镜对金属材料的显微组织进行检 验和分析。由于金相显微镜是借助试样表面对光线的反射来呈现显微组织状态 的，所以首先要把样品观察面制成光滑平面，而后通过浸蚀使其不同组织显示 出微观的凹凸不平，从而在显微镜下观察到亮暗不同的显微组织特征。为了得 到合格的金相显微试样，避免因出现假象而导致错误的判断，需要掌握正确的 制样方法。 下面分别介绍金相显微镜的基本原理、主要性能和使用方法。 1．金相显微镜的光学放大原理 金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图 1-1 所示。 光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着被观察物体 AB 的一组 透镜叫物镜 O1；对着眼睛的一组透镜叫目镜 O2。现代显微镜购物镜和目镜都是 由复杂的透镜系统所组成，放大倍数可提高到 1600-2000 倍。 当被观察物体 AB 置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折 射后，得到一个放大的倒立实像 A′B′(称为中间像)。若 A′B′处于目镜焦距 之内，则通过目镜观察到的物像是经目镜再次放大了的虚像 A″B″。由于正常 人眼观察物体时最适宜的距离是 250mm(称为明视距离)，因此在显微镜设计 上，应让虚像 A″B″正好落在距人眼 250mm 处，以使观察到的物体影像最清
D 图-一】金相显微镜的光学放大原理示意图 2.金相显微镜的主要性能 (1)放大倍数 显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M和目镜放的乘积即： L.D M=MXMa=子黄'了后 式中，f物一物镜的焦距，f日一目镜的焦距：L一显微镜的光学镜筒长度： D一明视距离(250mm)。f,f越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。有 的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微 镜短些。显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证。物镜的最高放大倍数 可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放 大倍数。放大倍数常用符号“×”表示，如100×，200×等。 (2)鉴别率 金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离的能 力。值越小，鉴别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成 像后，我们看到的并不是一个真正的点像，而是具有一定尺寸的白色团斑，四 周围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成像后由于部分重 迭而不能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一值时，才能将两点 分辨清楚。 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长()和物镜的数值孔径(A),而d与
5 晰。 图 1-1 金相显微镜的光学放大原理示意图 2．金相显微镜的主要性能 （1）放大倍数 显微镜的放大倍数为物镜放大倍数 M 物和目镜放的乘积即： 式中，f 物一物镜的焦距，f 目一目镜的焦距；L 一显微镜的光学镜筒长度； D 一明视距离(250mm)。f 物，f 目越短或 L 越长，则显微镜的放大倍数越高。有 的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微 镜短些。显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证。物镜的最高放大倍数 可达 100 倍，目镜的放大倍数可达 25 倍。在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放 大倍数。放大倍数常用符号“×”表示，如 100×，200×等。 （2）鉴别率 金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离 d 的能 力。d 值越小，鉴别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成 像后，我们看到的并不是一个真正的点像，而是具有一定尺寸的白色团斑，四 周围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成像后由于部分重 迭而不能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一 d 值时，才能将两点 分辨清楚。 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长(λ)和物镜的数值孔径(A)，而 d 与