《材料科学基础B1》实验指导书

《材料科学基础B》(《金属学与热处理》)实验指导书与实验报告（材成专业）宁向梅李谦编河南科技大学工程材料实验教学中心目录实验一金相显微样品的制备及金相显微镜的使用…………………………1实验二金属结晶过程及铸锭组织观察………………………………………11实验三铁碳合金的平衡组织观察……………………………………………14实验四金属的塑性变形与再结晶……………………………………………17实验五碳钢的热处理操作及其组织观察……………………………………20实验六合金钢组织及钢热加工后显微缺陷的观察…………………………25实验七铸铁与有色金属显微组织观察………………………………………29附录—硬度计的使用…………………………………………………………33实验报告………………………………………………………………………39实验一金相显微镜的构造及使用……………………………………………40实验二金相试样的制备………………………………………………………41实验三金属结晶过程及铸锭组织观察………………………………………42实验四铁碳合金平衡组织观察………………………………………………43实验五金属的塑性变形与再结晶……………………………………………45实验六碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定…………………………47实验七合金钢组织及钢在热加工后显微缺陷观察…………………………49实验八铸铁与有色金属显微组织观察………………………………………51-1-实验一金相显微样品的制备及金相显微镜的使用一、实验目的1、掌握金相显微样品的制备过程和基本方法。2、了解金相显微镜的基本原理、构造，初步掌握显微镜的正确使用。3、初步掌握测定金属材料晶粒度的方法。二、实验内容1、每个人制备45钢的金相显微样品—块。2、初步熟悉金相显微镜的基本原理、构造和正确的使用方法，用不同放大倍数观察所制备的45钢的显微组织。3、用比较法测定工业纯铁的晶粒度。三、概述运用金相显微镜观察制备好了的金相试样的组织或缺陷，这种方法称金相显微分析方法。它可以观察、研究金属材料或另件中细小的用粗视分析方法不能观察到的组织及缺陷。进行显微分析的主要工具是金相显微镜。作为金相显微分析用的光学显微镜其放大倍数为几十倍到2000倍，分辨率为2500Å左右。若要观察研究更微小的微观缺陷，则要应用透射电镜、扫描电镜及X光射线技术等分析方法来进行。(一)金相显微样品的制备1、取样①取样部位及磨面(观察面)的选择：根据被检验金属材料或另件的特点、加工工艺及研究目的进行选择。如：研究另件破裂原因时，应在破裂部位取样，再在离破裂处较远的部位取样，以作比较。研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表层到中心必须分别截取几个样品。研究轧材时，如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布，应在垂直轧制方向上截取横向试样；如研究夹杂物的形状、类型、材料的形变程度、晶粒拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧制方向上截取纵向试样。研究热处理后的另件时，因组织较均匀，可任选—断面试样。若研究氧化、脱碳、表面处理(如渗碳)的情况，则应在横断面上观察。②试样的截取方法：截取时应保证不使试样观察面的金相组织发生变化；软材料可用锯、车、刨等方法截取；硬材料可用水冷砂轮切片机、电火花切割等方法截取；硬而脆的材料(如白口铸铁)，也可用锤击法获取。③试样尺寸：以具体情况而定。一般可取高为10～15mm，方形试样边长为15～25m，园柱形试样直径为15～25mm。对于观察表层组织的试样，可采用斜面截取的方法，以扩大表层观察范围。如(图l—1)-2-图1—1斜面截切2、镶样一般试样不需要镶样。但试样尺寸过于细小，形状特殊如丝材、薄片、细管等制备样品时非常困难，必须把它镶嵌起来。镶嵌的方法有低熔点合金镶嵌法、热压镶嵌法的机械镶嵌法等。热压镶嵌法有专门的镶样机，将试样放于电木粉或塑料粒中加热到180℃左右进行热压。由于热压镶嵌时要加一定的温度和压力，这就会使马氏体回火和软金属产生塑性变形等，为避免这种情况，可改用机械镶嵌法，即用夹具夹持试样。3、磨制磨制可分为粗磨和细磨两步。①粗磨：对于软材料可用锉刀锉平，一般材料都用砂轮机磨平。磨砂轮时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平，试样要不断用水冷却，以防温度升高造成内部发生变化。最后倒角，以防细磨时划破砂纸。但对需要观察脱碳、渗碳等表面情况的试样不能倒角，有时还要采用电镀敷盖来防止这些试样边缘倒角。②细磨：细磨的方法有手工磨光和机械磨光。·手工磨光是用手拿持试样直接在金相砂纸上进行。金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号几种，细磨时依次从01号磨到05号，一般钢铁试样磨到04号砂纸，软材料如铝、镁等合金可磨到05号砂纸。磨时必须注意：A使磨面与砂纸完全接触，以保证试样磨面平整不产生弧度；B每更换一道砂纸，应将试样转90°再磨，使磨制方向与上一道磨痕方向垂直，以便观察前一道磨痕是否被消除。C更换砂纸时，应把试样、工作台和手洗擦干净，以免把粗砂粒带到下一道细砂纸上去。D磨制软材料时，可在砂纸上涂上一层润滑剂，如机油、汽油、肥皂水等，以免砂粒嵌入软金属内。由于手工磨制速度慢、效率低，劳动强度比较大，故现在多采用机械磨光的方法。机械磨光在预磨机上进行。预磨机由一个电动机带动一个或两个转盘，转盘分蜡盘和砂纸盘两种，蜡盘就是把混有金刚砂的熔化石蜡浇的转盘上，待凝固车平后装在预磨机上就可使用。可以做成不同粗细的金刚砂的蜡盘，蜡盘磨制的速度快、效率高，在生产检验中大量应用。砂纸盘是把水砂纸剪成园形，然后用水玻璃粘在预磨机转盘上使用。水-3-砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号。一般用200号、400号、600号、800号水砂纸依次磨制即可。用蜡盘和砂纸盘磨制时，要不断加水冷却，样品必须掌住，以防飞出伤人。4、抛光抛光的目的是去除试样磨面上经细磨后的细致磨痕，使磨面呈光亮无磨痕的镜面。抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光等。①机械抛光：机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。抛光机由—个电动机带动—个或两个抛光盘，转速为200~600转/分。粗抛时转速要高些，精抛或抛软材料时转速要低些。所用抛光材料有抛光布和抛光粉，抛光布蒙在抛光盘上，不同的要求应适当选用不同的抛光布。粗抛时常用帆布、粗呢等，精抛时常用绕布、细呢、丝绸等。抛光粉也称抛光磨料。常用的抛光粉有以下几种：氧化铝：白色细颗粒，用于粗抛或精抛。氧化铬：绿色，颗粒极细，用于精抛，硬度很高，常用来抛光淬火后的合金钢等试样，除氧化铬粉外，目前常使用块状的氧化铬抛光膏。。氧化镁：白色，颗粒极细，用于精抛。由于它本身硬度较低，适合有色金属磨面的抛光。金刚砂：又称碳化硅，具有较高的硬度，常用于粗抛或做成蜡盘用。金刚钻粉：具有极高的硬度和良好的磨削作用，抛光软、硬材料都有良好的效果。可用于抛光硬质合金等极硬的材料，价格贵，应用较少。抛光时注意事项：A除抛光膏外，抛光粉都要配成抛光液使用。粗抛用抛光粉的粒度为500～600号(筛目)，精抛用的抛光粉要求选得更细。B抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并应使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动。C抛光过程中要不断注入适量抛光液。若抛光布上抛光液太多，会使钢中夹杂物及铸铁中的石墨脱落，抛光面质量也不好；若太少，将使抛光面变成晦暗而有黑斑。D抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂物产生拖尾现象。E为尽量减少抛光面表层金属变形的可能性，整个抛光时间不宜过长，磨痕全部消除出现镜面后，抛光可停止，试样用水冲洗或用酒精洗干净后就要转入浸蚀或直接在显微镜下观察。②电解抛光：由于机械抛光时在试样磨面上将发生“金属流动”，产生表面金属变形层（称拜尔培层），影响金相组织显示的真实性。在光学显微镜下尚能显示出材料接近真实的组织，但在特殊精细的研究中将感到不足，如电子显微镜组织研究与电子衍射结构的研究。近来电解抛光得到广泛使用。由于电解抛光纯系电化溶解作用，无机械力的影响，不致引起表层金属变形或流动。所以电解抛光的金相试样能显示材料的真实组织。因此硬度低，单相合金，极易加工变形的合金，象奥氏体不锈钢、高锰钢等材料以采用此法-4-为宜。电触抛光速度很快，试样对预先磨光操作要求也比较低，效率高。但电解抛光对于材料化学成分的不均匀性、显微偏析特别敏感，在金属基体与非金属夹杂物处常被剧烈地浸蚀，所以电触抛光现在还不适用于偏析显著的金属材料（铸造偏析、轧制偏析）、铸铁及作夹杂物检验的金相试样，把试样放人电解液中，接通试样(阳极)与阴极间的电源，在一定条件下，可以使试样磨面产生选择性的溶解，逐渐使磨面变到光滑平整。电解抛光有专用的电解抛光仪，使用时可按仪器使用说明进行。化学抛光是靠化学试剂的溶解作用，得到光亮的抛光表面，操作简便，成本低廉。抛光时将试样浸在合适的抛光液中，进行适当搅动即可。或用棉花沾取化学抛光液，在试样磨面上来回擦动即可。化学抛光兼有化学浸蚀的作用，能显示金相组织，因此试样经化学抛光后可直接在显微镜下观察。化学抛光对试样磨面原来光洁度要求不很高，它只能做到试样表面光滑的、起伏的波形。但在较低放大倍数下并不妨碍金相组织的观察。5、金相组织的显示：除观察试样中某些非金属夹杂物及铸铁中的石墨等外，金相试样磨面经抛光后，一般还要用化学、物理等方法进行组织显示才能观察。①化学侵蚀利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织。纯金属及单相合金的浸蚀系一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列的规律性差，具有较高的自由能，所以晶界处较易侵蚀而呈沟壑。若浸蚀较浅，则在显微镜下可显示出纯金属或固溶体的多面体晶粒。(图1—2)若浸蚀较深，则在显微镜下可显示出明暗不一的晶粒，这是由于各晶粒位向不同，溶解速度不同，侵蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直线照射下，反射光线方向不同，显示出明暗不一。图1—2纯金属及单相合金化学浸蚀时各阶段的情况二相合金的浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组织相是有不同的电位，在浸蚀剂（即电解液）中，形成极多的微小的局部电池。较高负电位的一相成为阳极，被迅速-5-溶入电解液中，逐渐凹下去，而较高正电位的另一相成为阴极，保持原光滑平面，在显微镜下可清楚显示出两相。多相合金的浸蚀，也是一个电化溶解过程。其方法有：A选择浸蚀法，即选用几种合适的浸蚀剂，依次浸蚀，使各相均被显示、B薄膜浸蚀法，浸蚀剂与磨面各相起化学反应，形成一层厚薄不均匀的氧化膜层(或反应产物的沉积)，在白色光的照射下，由于光的干涉现象，使各相出现不同色彩而显示组织。各种化学浸蚀剂可在表1—3中查到。腐蚀的步骤是：将已磨光的样品(样品磨光后不要用手去摸表面，以免沾上油污)，用水冲除抛光粉，用酒精洗去残余，然后用棉花球沾取腐蚀剂，在样品表面涂抹一定时间，然后用水冲洗干净，用干净毛巾沾干表面上的水．或用电热吹风机吹干，即可用于显微分析。为了长久保存经腐蚀后的显微样品，需在试样表面涂上——层保护膜，常用的有指甲油或硝酸纤维漆加香蕉水。②电解浸蚀：与电解抛光类似，只是工作电压与工作电流比电解抛光时要小。由于各相之间和晶粒与晶粒之间的析出电位不一致，在微弱电流的作用下各相的浸蚀深浅不一样，故显示出组织。除以上显示方法外，还有几种金相组织特殊显示法，如热染、热蚀、阴极真空显示法、磁性组织显示法等等，不一一介绍了。．(二)金相显微镜的基本原理、构造及使用1、金相显微镜的基本原理显微镜的基本原理如图1—3所示的光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体AB的一组透镜组成物镜Ol，对着眼睛的一组透镜组成目镜O2。物镜、目镜都各由复杂的透镜系统组成。图1—3显微镜光学原理图物镜使物体AB形成放大的倒立实像A，B，，目镜再把A，B，放大成仍然倒立虚象A”B”，其位置正好在人眼的明视距离处，即距人眼250mm处。我们在显微镜目镜看-6-到的就是这个虚象A”B”。显微镜的主要性能有：①显微镜的放大倍数：显微镜的放大倍数可由下式决定：M＝M物×