工程材料学实验福不山东农业大学机械与电子工程学院
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目录前言金相分析基础知识材料硬度试验基础知识实验一金相显微镜的使用与金相样品的制备实验二碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分析实验三综合实验参考文献附录1数码显微镜及其使用操作规程附录2常见钢铁材料的金相图谱-PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
1 目 录 前 言 金相分析基础知识 材料硬度试验基础知识 实验一 金相显微镜的使用与金相样品的制备 实验二 碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的 观察与分析 实验三 综合实验 参考文献 附录 1 数码显微镜及其使用操作规程 附录 2 常见钢铁材料的金相图谱 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
前言本实验指导书是配合理工类非材料专业学生学习《工程材料基础》课程的课内教学实验所编写的。目的是加强学生动手实践能力，加深理解课堂学习的知识，特别是通过开放性的学生自主综合实验，使非材料专业的工科学生也能深刻理解材料的成分-工艺-组织一性能之间的关系，为学生以后在工作研究中解决工程材料方面的相关问题打下良好科学基础，从实验的角度配合实现《工程材料基础》课程的教学目标。从培养理工类非材料专业学生能够合理选材并正确制定零件的加工工艺路线能力的目标出发，以钢铁材料为例，围绕工程材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系主线，本实验指导书安排了“金相显微镜的使用与金相样品的制备”（实验一）和“碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分析”（实验二）两个基本实验和一个“综合实验”（实验三）。鉴于非材料专业的同学在材料实验方面缺乏基本知识，在正式实验内容之前安排了“金相分析基础知识”和“材料硬度试验相关知识”两节预备知识。为保证安全正确地完成实验内容，指导书中还节选了部分主要设备的操作规程以及部分钢铁材料的金相图谱，供实验时特别是自主实验时参考。由于编者的水平有限，加之时间要求的紧迫，本实验指导书有不当之处敬请批评指正。编者2005年7月22日2PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
2 前 言 本实验指导书是配合理工类非材料专业学生学习《工程 材料基础》课程的课内教学实验所编写的。目的是加强学生 动手实践能力，加深理解课堂学习的知识，特别是通过开放 性的学生自主综合实验，使非材料专业的工科学生也能深刻 理解材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系，为学生以后在 工作研究中解决工程材料方面的相关问题打下良好科学基 础，从实验的角度配合实现《工程材料基础》课程的教学目 标。 从培养理工类非材料专业学生能够合理选材并正确制定 零件的加工工艺路线能力的目标出发，以钢铁材料为例，围 绕工程材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系主线，本实验 指导书安排了“金相显微镜的使用与金相样品的制备”（实 验一）和“碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分 析”（实验二）两个基本实验和一个“综合实验”(实验三)。 鉴于非材料专业的同学在材料实验方面缺乏基本知识，在正 式实验内容之前安排了“金相分析基础知识”和“材料硬度 试验相关知识”两节预备知识。为保证安全正确地完成实验 内容，指导书中还节选了部分主要设备的操作规程以及部分 钢铁材料的金相图谱，供实验时特别是自主实验时参考。 由于编者的水平有限，加之时间要求的紧迫，本实验指 导书有不当之处敬请批评指正。 编者 2005 年 7 月 22 日 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
金相显微分析基础知识金相分析在材料研究领域占有十分重要的地位，是研究材料内部组织的主要手段之一。金相显微分析法就是利用金相显微镜来观察为之分析而专门制备的金相样品，通过放大几十倍到上千倍来研究材料组织的方法。现代金相显微分析的主要仪器为：光学显微镜和电子显微镜两大类。这里仅介绍常用的光学金相显微镜及金相样品制备的一些基础知识。（一）光学金相显微镜基础知识一、金相显微镜的构造金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带有多种功能及摄影装置。目前，已把显微镜与计算机及相关的分析系统相连，能更方便、更快捷地进行金相分析研究工作。1.1光学系统：其主要构件是物镜和目镜，它们主要起放大作用。并获得清晰的图象。物镜的优劣直接影响成象的质量。而目镜是将物镜放大的象再次放大。1.2照明系统：主要包括光源和照明器以及其它主要附件（1）光源的种类：包括白炽灯（钨丝灯）、卤钨灯、碳弧灯、氙灯和水银灯等。常用的是白炽灯和氙灯，一般白炽灯适应于作为中、小型显微镜上的光源使用，电压为6一12伏，功率15一30瓦。而氙灯通过瞬间脉冲高压点燃，一般正常工作电压为18伏，功率为150瓦，适用于特殊功能的观察和摄影之用。一般大型金相显微镜常同时配有两种照明光源，以适应普通观察和特殊情况的观察与摄影之用。（2）光源的照明方式：主要有临界照明和科勒照明。散光照明和平行光照明适应于特殊情况使用。1）临界照明：光源的象聚焦在样品表面上，虽然可得到很高的亮度，但对光源本身亮度的均匀性要求很高。目前很少使用。2）科勒照明：特点是光源的一次象聚焦在孔径光栏上，视场光栏和光源一次象同时聚焦在样品表面上，提供了一个很均匀的照明场，目前广泛使用。3）散光照明：特点是照明效率低，只适应投射型钨丝灯照明。4）平行光：照明的效果较差，主要用于暗场照明，适应于各类光源。（3）光路形式按光路设计的形式，显微镜有直立式和倒立式两种，凡样品磨面向上，物镜向下的为直立式，而样品磨面向下，物镜向上的为倒立式。（4）孔径光栏和视场光栏孔径光栏位于光源附近，用于调节入射光束的粗细，以改变图象的质量。缩小孔径光栏可减少球差和轴外象差，加大衬度，使图象清晰，但会使物镜的分辨率降低。视场光栏位于另一个支架上，调节视场光栏的大小可改变视域的大小，视场光栏愈小，图象衬度愈佳，观察时调至与目镜视域同样大小。（5）滤色片用于吸收白光中不需要的部分，只让一定波长的光线通过，获得优良的图象。一般有黄色、绿色和蓝色等。3PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
3 金相显微分析基础知识 金相分析 在 材 料 研 究 领域占 有 十 分 重 要 的 地 位 ,是 研 究 材料内 部 组织的 主 要 手 段 之 一 。金相显微分析 法 就 是 利 用 金 相 显微镜 来 观 察 为 之 分 析 而 专 门 制 备 的金相样品 ，通 过 放 大几十倍到上千倍来 研 究 材料组织的 方 法 。现 代 金相显微 分析的 主 要 仪 器 为 ：光 学显微镜和 电 子 显 微 镜 两 大 类 。这里仅介绍 常用的 光 学 金相显微镜及金相样品制备的一 些 基础知识 ． （ 一 ）光学 金 相显微 镜 基础知识 一 ． 金相显 微 镜的构造 金相显微镜的 种 类 和 型 式 很 多 ，最 常见的 有 台 式 、立 式 和 卧 式 三 大 类 。金 相显微镜的 构 造 通 常 由 光 学 系 统 、照 明 系 统 和 机 械 系 统 三 大 部 分 组 成 ，有 的 显 微 镜 还 附 带 有 多种功 能 及 摄影装置 。目 前 ，已 把 显微镜与 计算机 及 相 关 的分析 系 统 相 连 ， 能 更 方 便、更快捷 地 进 行 金 相 分 析 研 究 工作。 1. 1 光 学 系 统 ： 其 主 要 构 件 是 物 镜和目镜，它 们 主 要 起 放 大 作用。并 获得清晰 的 图 象 。物 镜 的 优劣直接影响 成 象 的 质 量 。 而 目镜是 将 物 镜 放 大 的 象再次 放 大 。 1. 2 照 明 系 统 ： 主 要 包括光源 和 照明器 以 及 其 它 主 要 附 件 （ 1） 光 源 的 种 类 ： 包 括 白炽灯（ 钨丝灯 ）、卤钨灯 、碳 弧 灯 、氙 灯 和 水 银灯等 。常用的是 白 炽 灯 和 氙 灯 ， 一 般白炽灯适应 于 作 为 中 、 小 型 显微镜 上 的 光 源 使用， 电 压 为 6 — 12 伏 ， 功 率 15— 30 瓦 。 而 氙 灯 通 过 瞬 间 脉冲高压点燃 ， 一 般 正 常工作 电 压 为 18 伏 ， 功 率 为 150 瓦 ， 适 用 于 特 殊 功 能 的 观察和 摄 影 之 用。一 般 大 型 金 相 显微镜常 同 时 配 有 两 种照明光源 ，以 适应普 通观察和特 殊情况 的观察与 摄 影 之 用 。 （ 2） 光 源 的 照 明 方 式 ： 主要有 临 界 照 明 和 科 勒 照 明 。 散 光照明 和 平 行光照明 适 应 于 特 殊情况 使 用 。 1） 临 界 照明：光源 的 象 聚 焦 在 样 品 表 面 上 ， 虽然可 得到很 高 的 亮 度 ， 但 对 光 源 本 身 亮 度 的 均 匀 性要求 很 高 。 目 前 很 少 使用。 2） 科 勒 照明： 特 点 是 光 源 的 一 次 象 聚 焦 在 孔 径 光 栏 上 ， 视 场 光 栏 和 光 源 一 次 象 同 时 聚 焦 在 样 品 表 面 上 ， 提 供 了 一 个 很 均 匀 的 照 明 场 ， 目 前 广 泛 使用。 3） 散 光照明： 特 点 是 照 明 效率低 ， 只适应 投 射 型 钨丝灯 照 明 。 4） 平 行光：照明 的 效果较差 ， 主 要 用 于 暗 场 照 明 ， 适 应 于 各 类 光 源 。 （ 3） 光 路 形 式 按 光 路 设 计 的 形 式 ，显微镜 有 直 立 式 和 倒 立 式 两 种 ，凡 样 品 磨 面 向 上 ，物 镜 向 下 的 为 直 立 式 ， 而 样 品 磨 面 向 下 ， 物 镜 向 上 的 为 倒 立 式 。 （ 4） 孔 径 光 栏 和 视 场 光 栏 孔 径 光 栏 位 于 光源附 近 ， 用 于 调 节 入 射 光 束 的 粗 细 ， 以 改 变 图 象 的 质 量 。 缩小孔径 光 栏可减少球差 和 轴 外 象 差 ，加 大 衬 度 ，使 图 象清晰 ，但 会 使 物 镜 的 分 辨率降低 。视 场 光 栏 位 于 另 一 个 支 架 上 ，调 节 视 场 光 栏 的 大 小可改变视 域 的 大 小 ， 视 场 光 栏愈小 ， 图 象 衬 度 愈 佳 ，观察 时 调 至 与目镜 视 域 同 样 大 小 。 （ 5） 滤色片 用 于 吸 收 白 光 中 不 需 要 的 部 分 ，只 让 一 定 波 长 的 光 线 通 过 ，获得优 良 的 图 象 。 一 般 有 黄 色 、 绿 色 和 蓝 色 等 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
1.3机械系统主要包括载物台，镜筒、调节螺丝和底座。（1）载物台：用于放置金相样品。（2）镜筒：用于联结物镜、目镜等部件。（3）调节螺丝：有粗调和细调螺丝，用于图象的聚焦调节。（4）底座：起支承镜体的作用。二：光学显微镜的放大成像原理及参数2.1金相显微镜的成像原理显微镜的成象放大部分主要由两组透镜组成。靠近观察物体的透镜叫物镜，而靠近眼晴的透镜叫目镜。通过物镜和目镜的两次放大，就能将物体放大到较高的倍数，见图1，显微镜的放大光学原理图。物体AB置于物镜前，离其焦点略远处，物体的反射光线穿过个放大的实象A1B1，得到了王开射后若此象处于目镜的焦距之内，通过目镜观察到的图象是目镜放大了的虚象A2B2。-A211-BAlF2F1B1D11B27物镜目镜D图1显微镜放大光学原理AB一物体A1B1一物镜放大图象A2B2一目镜放大图象F1一物镜的焦距。F2一目镜的焦距L一为光学镜筒长度（即物镜后焦点与目镜前焦点之间的距离）D一明视距离（人眼的正常明视距离为250mm）2.2显微镜的放大倍数物镜的放大倍数M物=A1B1/AB~L/F1目镜的放大倍数=A2B2/A1B1～D/F2则显微镜的放大倍数为：M总=M物XM目=L/F1XD/F2=LX250/F1XF2式中：L一为光学镜筒长度（即物镜后焦点到目镜前焦点的距离）F1一物镜的焦距。F2一目镜的焦距D一明视距离（人眼的正常明视距离为250mm）即显微镜总的放大倍数等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。一般金相显微镜的放大倍数最高可达1600到2000倍。4PDF文件使用”pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
4 1. 3 机 械 系 统 主 要 包 括 载 物 台 ， 镜 筒 、 调 节 螺 丝 和 底 座 。 （ 1） 载 物台： 用 于 放 置 金相样品。 （ 2） 镜 筒 ： 用 于 联 结 物 镜 、 目 镜 等 部 件 。 （ 3） 调 节 螺 丝 ： 有 粗 调 和 细 调 螺 丝 ， 用 于 图 象 的 聚焦调 节 。 （ 4） 底 座 ： 起 支 承 镜 体 的作用。 二 ． 光学显 微 镜的放 大 成像原 理 及参数 2. 1 金 相 显 微镜的 成 像原理 显微镜的 成 象 放 大 部 分 主要由两 组 透 镜 组 成 。 靠 近 观 察 物 体 的 透 镜 叫 物 镜 ，而 靠 近 眼 睛 的 透 镜 叫 目 镜 。通 过 物 镜 和 目镜的 两 次 放 大 ，就 能 将 物 体 放 大 到 较 高 的 倍 数 ，见 图 1，显微镜的 放 大 光 学 原 理图。物 体 AB 置 于 物 镜 前 ，离 其 焦 点 略 远 处 ， 物 体 的 反 射 光 线 穿 过 物 镜 折 射 后 ， 得 到 了 一 个 放 大 的 实 象 A1B1， 若 此 象 处 于 目镜的 焦 距 之 内，通 过 目镜观察 到 的 图 象 是目镜 放 大 了 的 虚 象 A2B2。 2. 2 显 微 镜 的放大 倍 数 物 镜 的 放 大 倍 数 M 物 =A1B1/AB≈ L╱ F1 目镜的 放 大 倍 数 =A2B2/A1B1≈ D╱ F2 则 显微镜的 放 大 倍 数 为 ： M 总 = M 物 ×M 目 =L╱ F1×D╱ F2=L×250╱ F1×F2 式 中 ： L— 为 光 学 镜 筒 长 度 （ 即 物 镜 后 焦 点 到 目 镜 前 焦 点 的 距 离 ） F1— 物 镜 的 焦 距 。 F2— 目镜的 焦 距 D— 明 视 距 离 （ 人 眼 的 正 常 明 视 距 离 为 250mm） 即 显微镜 总 的 放 大 倍 数 等 于 物 镜 放 大 倍 数 和 目 镜 放 大 倍 数 的 乘 积 。一 般 金 相显微镜的 放 大 倍 数 最 高 可 达 1600 到 2000 倍 。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn