1、金相试样的制备及金相组织观察金相试样得制备及金相组织观察一、实验目得1、了解金相显微镜得基本原理、构造,初步掌握显微镜得正确使用。2、掌握金相显微试样得制备过程与基本方法。、了解浸蚀得基本原理,并熟悉其基本操作、学习利用金相显微镜进行显微组织观察.通过在显微镜下观察到得金相显微组织初步分析材料类型以及材料可能具备得机械性能等。二、实验设备与用品1、金相显微镜2、不同粗细得金相砂纸一套、玻璃板、侵蚀剂（4%硝酸酒精）3、抛光机4、待制备得金相试样三、金相显微镜得基本原理、构造及使用1、显微镜得放大倍数利用透镜可将物体得象放大，但单个透镜或一组透镜得放大倍数就是有限得,为此，要考虑用另一组透镜将第
2、一次放大得象再行放大,以得到更高放大倍数得象。金相显微镜就就是基于这一要求设计得。显微镜中装有两组放大透镜,靠近物体得一组透镜为物镜,靠近观察得一组透镜为目镜.金相显微镜得光学原理图1如图所示。物体AB置于物镜得一倍焦距F1与二倍焦距之间,它得一次象在物镜得另一侧二倍焦距以外，形成一个倒立、放大得实象AB；当实象B位于目镜得前一倍焦距2以内时则目镜复又使映象AB放大，而在目镜得前二倍焦距2 F以外，得到AB得正立虚象AB。因此最后得映象B就是经过物镜、目镜两次放大后所得到得。其放大倍数应为物镜放大倍数与目镜放大倍数得乘积。物体AB经物镜第一次放大得倍数：M物 AB/ A=（+1 ）/ 1式中1
3、 、f -物镜前焦距与后焦距 -显微镜得光学镜筒长与相比，物镜得焦距f1 很短,可略,所以物/ f1象AB经目镜第二次放大得倍数：M目= ABABD/ f2式中f2 目镜得前焦距图1 显微镜光学原理图 人眼明视距离,D250。所以显微镜得放大倍数应为：M M物M目=（/ f1)(D/ f）当显微镜得机械镜筒长度等于光学镜筒长度时，M= M物M目；而当这二者不等时,M=M物目，C就是与机械镜筒长、光学镜筒长有关得系数，一般为,有时为0、63，其C值标在金相显微镜上。2、显微镜得鉴别率 显微镜得鉴别率就是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离得能力,人眼在普通光线下能分辨两点间最小距离为、5030m
4、m,即人眼得鉴别率d为0、10.3m，d值越小，鉴别率越高，鉴别率越高,鉴别率可由下式计算： 式中：-入射光线得波长；A物镜得数值孔径,它表示物镜得集光能力;物镜与试样之间介质得折射率;物镜孔径角得一半（图2)。由式知,显微镜得鉴别率取决于使用光线得波长与物镜得数值孔径,与目镜无关.光源得波长可以通过滤色片来选择,蓝光得波长（0、4）比黄绿光（0、55）短，所以鉴别率较黄绿光大25.当光源得波长一定时,则可通过变化数值孔径来调节显微镜得鉴别率。当n越大,或物镜孔径角越大则A越大，但总就是小于9,所以在空气介质（）中使用时，A1,这类物镜称为干类物镜。当物镜与试样之间充满松柏油介质（=1、52)
5、时，A=、，这就就是显微镜在高倍观察时所用得油镜头,每个物镜均有一个额定得阿A值刻在物镜体上。放大倍数、数值孔径、鉴别率之间得关系显微镜得同一放大倍数可以由不同倍数得物镜与目镜来组合,具体如何合理选用物镜与目镜呢?原则就是首先确定物镜,根据计算,选用物镜时,必须使显微镜得放大倍数M50A1000之间,这个范围称为有效放大倍数范围.若在00A,则形成“虚伪放大”,其细微部分仍分辨不清.待物镜选定后，再根据所需得放大倍数选用目镜。3、金相显微镜得构造金相显微镜分为台式、立式及卧式三种类型，各有不同得型号。虽然型号很多,但基本构造类似，由目镜、物镜、镜筒、照明系统以及保持与结合上述物体得机身与调节器
6、等主要部分构成。（1） 金相显微镜得照明系统 照明系统由光源、凸透镜、滤色片、光栏、毛玻璃与垂直照明器等组成,它们得作用就是给金相试样照明。生物显微镜大多用自然光源,而金相显微镜则必须配备特定得人工光源装置，通常得光源有:钨丝灯泡、碳弧灯、碘弧灯、钨弧灯、水银灯、疝灯等.要使光源通过照明系统，均匀而明亮地照射在金相试样得表面以利观察。光源发出照明光（一般要将电源20V通过变压器降至6V左右得电压），通过凸透镜(使散光变为平行光束）,滤色片(降低色差，增加组织衬度,一般选择黄绿光),毛玻璃（使光线均匀投射）,孔径光栏（控制光束得大小，减少光线在镜筒内漫反射,提高映像得清晰度），视场光栏(改变视域
7、得大小,减少镜筒得反射与炫光以提高映像得衬度而不影响物镜得分辨能力），垂直照明器平面玻璃与反射棱镜，其作用就是把光源得光束反射到试样上。金相显微镜得光源,一般装在镜筒得侧面,与主光轴呈正交.光线与由侧面射入，要经过主光轴到达金相试样表面,必须转折90。因此，在两光轴交点处装一个反射面,使光束垂直转向,使光线通过物镜照射到试样表面上，这种结构称垂直照明器。（2） 金相显微镜得光学系统 照明系统入射得光束在金相试样表面反射后，经过物镜、目镜等一套光学方法系统,即可将试样表面得显微组织放大，并在目镜内成像以供观察，或投射到屏幕上以供摄照，光学放大系统就是金相显微镜得核心部分,主要就是物镜与目镜。物镜
8、:物镜由消色差物镜、平面消色差物镜、复消色差物镜等几种，物镜上刻有如45X/0、65“或“0/”等符号,其中45表示放大倍数，、6表示数值孔径，“”或“0/表示此物镜就是按无限镜筒长度设计得. 目镜:目镜有普通目镜、补偿目镜、测微目镜、照明目镜等等,其类型、放大倍数等均刻在目镜得金属外壳上。普通目镜与消色差物镜配合使用。补偿目镜带“K”字标记,与复消色差物镜配合使用,补偿目镜不可与消色差物镜配合使用。测微目镜内附有刻度标尺,可测量金相组织中如晶粒大小、石墨长短、表面渗层或脱碳层厚度等等。照相目镜在进行金相摄影时使用。B1型金相显微镜备有5X、10、1三个目镜.显微镜在使用时，可根据需要放大倍数
9、选择合适得物镜与目镜（见表1)。表1 显微镜放大倍数目镜 物镜8X（干系)45X（干系）00X（油系）X40X225X500X10X80X5100X5X120X6751500X（3） 金相显微镜得机械系统由显微镜得底座、镜筒、载物台及调节焦距螺旋等组成。物台可前后左右移动试样位置，调节焦距螺旋有粗调与微调两种，用于升降镜筒,调节焦距可获得清晰得图像。、金相显微镜使用步骤及注意事项金相显微镜就是昂贵得精密光学一起,使用时必须严格遵守操作规程与必要得规定：(1) 初次操作显微镜，应首先了解显微镜得构造、基本原理、各主要部件得作用与位置，以及使用注意事项。（2) 金相试样要干净并保持个人卫生,严禁用
10、手摸镜头,更不能把带水与酒精得试样放在物台上,擦镜头不允许用任何异物，一定要用擦镜头纸.(3） 小心取出金相显微镜得防护罩,旋转升降调整器,检查镜筒之升降并熟记其旋转方向，再检查载物台前后左右得移动情况，根据需要选择放大倍数适当得物镜与目镜。(4） 显微镜得照明灯泡，一般为68V,使用时，必须接上降压器,千万不可将其直接插入22电源,以免烧毁灯泡。（5）操作要细心，不能有粗暴与剧烈得动作，安装、更换镜头及其它附件时要小心，不能摔在桌上或地上.（） 观察样品，要进行聚焦。调焦时要避免物镜与样品接触。先转动粗调螺旋，使物台下降，使样品尽量靠近物镜（不能接触)，然后用眼睛从目镜中观察,用手反向旋转粗
11、调螺旋,使物台慢慢上升，待到瞧到组织后，再调节微调螺旋,直到图像清晰为止.(7）使用完毕后，试样放回原处，立即关闭电源并盖好防护罩.（8） 使用过程中若发生故障，应立即报告指导教师，不能随便自行拆修。四、金相试样得制备步骤金相试样得制备过程包括取样、磨制、抛光、侵蚀等几个步骤，制备好得试样应能观察到真实组织,无磨痕、麻点及水迹，并使金属组织中得夹杂物、石墨等不脱落。现简要叙述如下:1、取样金相显微试样截取部位取决于研究得目得与要求,应选取具有代表性得部位。例如研究铸铁得金相组织，由于可能存在偏析现象,所以必须从铸件表层到铸件中心同时取样进行观察,根据各部位金相组织得差异，了解合金得偏析程度与结
12、晶组织得变化.在研究零件得失效原因时,应在失效得部位截取,并在完好部位取样,以便比较与分析。对于轧制与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)得金相试样以便于分析比较表层缺陷及非金属夹杂物得分布情况。对于一般热处理后得零件，由于金相组织比较均匀,试样得截取可在任一截面进行。截取试样得工具很多，有手锯、锯床、砂轮切割机、显微切片机以及化学切割方式等。不论用那种方式取样，都应避免试样受热或变形而引起得金属组织变化。图3 金相试样得嵌镶方法试样尺寸一般不要过大，应便于握持与易磨制。一般取直径1015毫米得圆柱体或每边长105毫米得立方体.比较小或形状不规则得试样，在磨制、抛
13、光时很难握紧，通常把这些线材、细小管材与薄片、碎片以及不规则得小试样嵌镶成较大尺寸得试样，以便于制作，方法如图3：2、磨制磨制就是为了得到平整得磨面，为抛光做准备.一般磨制过程分为粗磨与细磨。图4 试样磨面上磨痕变化示意图（1）粗磨 粗磨一般在砂轮机上进行，对很软得材料可用锉刀锉平。砂轮粗磨应利用砂轮得侧面,并使试样沿砂轮径向作往复缓慢运动，施加压力要适度、均匀.在磨制过程中要不断用水冷却,以防由于温度升高造成试样内部组织变化。最后将试样倒角,以免细磨及抛光时划坏砂纸或抛光布,但对需要观察表层组织得试样，不能倒角.（2）细磨 粗磨后得试样表面仍有较深得磨痕，需进行细磨,以得到平整而光滑得磨面，
14、为进一步得抛光作好准备，如图所示为磨痕变化示意图4：试样有手工磨制与机械磨制两种方法.手工磨光就是用不同粗细粒度得金相砂纸由粗到细逐次磨平.金相砂纸得粗细粒度与编号方法有关,编号若用数字表示得，如280、30、0、00等等，则编号越大，则砂粒标准粒度直径越小；若用M加一位或两位数字表示得(如M7、M28）,则数字越小,砂粒标准直径越小；另一种编号方法采用1、1/2、0、02、0、0等表示得砂粒度得直径逐渐细小.手工磨制方法简单,首先将砂纸平铺在玻璃或金属板上，一手将砂纸按住,一手将试样磨面轻压在砂纸上，并向前推行,进行磨光，直到试样磨面上仅留有一个方向得均匀磨痕为止。在试样上所加得压力要求均衡
15、，磨面与砂纸必须完全接触，这样才能使整个磨面均匀得进行磨削,在磨光得回程中最好将试样提起拉回，不与砂纸接触，这样单程单向得反复进行,直至旧得磨痕被去掉，新得磨痕均匀一致为止。在调换下一号更细砂纸时，应将试样上得磨屑与砂粒清除干净，并转动90度,即与上一道磨痕方向垂直。为了加快磨制速度,除手工磨制外，还常将不同型号得砂纸粘附在电动机带动得带有旋转圆盘得预磨机上进行机械磨制。用干砂纸时,转速应低，150左右。用水砂纸时,转速可以高些，30040rp,因为水砂纸有流水冲刷冷却,试样不受热.磨光时用力轻而均匀。、抛光 抛光得目得在于去除细磨时产生得细微磨痕与变形层,以获得光滑得镜面。常用得抛光方祛有机
16、械抛光、电解抛光与化学抛光三种,其中以机械抛光应用最广.机械抛光就是在专用得抛光机上进行。抛光机主要由电动机与抛光圆盘(2000mm）组成,抛光圆盘多用铸铜、铸铝;少用铸铁，铸铁易锈。抛光盘转速为20060rpm，不能太快，太快则抛光粉得浪费大，操作者掌握不适当，试样表面易发热而变灰暗。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。抛光液通常采用l203、g0或Cr03等细粉末（粒度约为、m）在水中得悬浮液,一般常用得浓度就是一升水中50克A203或15克r203。这些氧化物粒子很硬,在抛光时对于金属得作用就好像磨料一样，发生磨切作用.机械抛光就就是靠极细得抛光粉对磨面得机
17、械作用来消除磨痕而使其成为光滑得镜面.抛光织物与磨料，可按不同要求选用。对于抛光织物得选用，钢一般用细帆布、呢绒与丝绒；灰口铸铁为防止石墨脱落或曳尾,可用没有绒毛得织物;铝、镁、铜等有色金属可用细丝绒。对于磨料得选用,一般说，钢、铸铁可用氧化铝、氧化铬及金刚石研磨膏,有色金属等软材料可用细粒度得氧化镁。操作时将试样磨面均匀地压在旋转得抛光盘上,并沿盘得边缘到中心不断作径向往复运动,同时试样自身略加转动,以便试样各部分抛光程度一致及避免曳尾现象得出现。抛光后得试样，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应抛掉或有曳尾现象。电解抛光就是将试样放在电解液中作为阳极，用不锈钢板或铅板作阴极，以直流电通过
18、电解液到阴极(即样品),这样，试样表面凸起部分被溶解而抛光。这种方法得优点就是速度快,表面平滑光整,无机械抛光时易出现得划痕，不会有塑性变形.缺点就是对金属材料化学性得不均匀性,显微偏析明显，抛光过程不易控制.化学抛光不需要应用外电流，就是将试样侵入适当得抛光液中进行表面抛光得方法。抛光后得试样应用清水冲洗干净，然后用酒精冲去残留水滴,再用吹风机吹干。、侵蚀 除观察试样中某些非金属夹杂物或铸铁中得石墨等情况外，经抛光后（化学抛光除外)得试样必须用侵蚀剂进行侵蚀，以清楚得显示出其显微组织，否则在显微镜下只能瞧到一片亮光。常用得侵蚀方法就是化学侵蚀法。作用机理如下:图5 单相与两相组织得显示化学侵
19、蚀就是将抛光好得试样磨面在化学侵蚀剂中侵蚀或檫拭一定时间.对于纯金属与单相合金，由于晶界原子排列不规则，缺陷及杂质较多，具有较高得能量,故晶界易被侵蚀而呈凹沟,在显微镜下观察时,使光线在晶界处被漫反射而不能进入物镜,因此显示出一条条黑色得晶界，如图（a)所示。纯金属中由于各个晶粒得结晶位向各不相同，因此化学性能也就是各向异性，因此有得晶粒受蚀快一些，就深一些；有得晶粒受蚀慢一些，就浅一些。光线从各个晶粒反射出来得情况也不就是一样，结果在显微镜下各个晶粒得明暗程度便不一样。对于两相合金，由于两个相得电极电位不同,电极电位低得相成为阳极并被腐蚀凹下去，当光线照射到凹凸不平得试样表面时，就能瞧到不同
20、得组成相,如图5(b）所示.5、观察 试样侵蚀后,应立即用水冲洗，并用沾酒精得棉花擦拭表面，除去水份再用棉花轻吸去表面酒精，然后吹干即可在显微镜下观察。侵蚀后得样品应保存在干燥器中，以防潮湿空气得氧化.若有氧化,则应重新磨制与侵蚀后才能观察。五、实验报告要求：1 实验目得2 实验设备与用品 实验内容及结果绘出在显微镜下观察到得金相显微组织，标明相应得放大倍数，对照标准金相挂图确定材料类型。并回答如下问题：(1)什么就是金相显微镜得有效放大倍数？如何合理选用物镜与目镜？（）利用金相显微镜观察试样时,为什么要调焦？如何保证调焦时物镜不接触试样表面？(3）纯铁各晶粒为什么颜色不同？（）显微镜下瞧到得
21、晶粒大小，就是否反映其真实得晶粒大小？为什么？ 焊接接头金相组织观察一、实验目得1、观察与分析焊缝得各种典型结晶形态；2、掌握碳钢焊接接头各区域得组织变化。二、实验装置及实验材料1、粗细金相砂纸 、平板玻璃 、碳钢焊接接头试块4、金相显微镜5、吹风机 、4%硝酸酒精溶液、脱脂棉 7、典型金相照片三、实验原理焊接过程中，焊接接头各部分经受了不同得热循环，因而所得组织各异。组织得不同,导致机械性能得变化。对焊接接头进行金相组织得观察与分析，就是对接头机械性能鉴定得不可缺少得环节.显微观察就是借助于放大100倍以上得光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析焊缝得结晶形态，焊接热影响区金属得组织变化，
22、焊接接头得微观缺陷等.焊接接头由焊缝金属与焊接热影响区金属组成。焊缝金属得结晶形态与焊接热影响区得组织变化，不仅与焊接热循环有关,也与所用得焊接材料与被焊材料有密切关系.1、 焊缝凝固时得结晶形态()焊缝得交互结晶熔化焊就是通过加热使被焊金属得联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属得焊接。联接处得母材与焊缝金属具有交互结晶得特征,图1为母材与焊缝金属交互结晶示意图.由图可见,焊缝金属与联接处母材具有共同得晶粒,即熔池金属得结晶就是从熔合区母材得半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长得。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长,有得晶体由于取向不
23、利于成长,晶粒得成长会被遏止，这就就是所谓选择长大,并形成焊缝中得柱状晶。（2）焊缝得结晶形态根据浓度过冷得结晶理论，合金得结晶形态与溶质得浓度C0、结晶速度（或晶粒长大速度)R与温度梯度有关。图2为C0、R与G对结晶形态得影响.由图可见,当结晶速度R与温度梯度G不变时，随着金属中溶质浓度得提高，浓度过冷增加，从而使金属得结晶形态由平面晶变为胞状晶，胞状树枝晶，树枝状晶及等轴晶.当合金成分一定时，结晶速度越快，浓度过冷越大，结晶形态由平面晶发展到胞状晶树枝状晶,最后为等轴晶。当合金成分C0与结晶速度一定时,随着温度梯度G得升高，浓度过冷将减小，因而结晶形态会由等轴晶变为树枝晶,直至平面晶。随着
24、晶粒得成长，熔池中晶粒界面前得浓度过冷与温度梯度也随着发生变化。因而，熔池全部凝固以后，各处将会出现不同得结晶形态.在焊接熔池得熔化边界上，温度梯度G较大,结晶速度R很小，因此此处得浓度过冷最小，随着焊接熔池得结晶,温度梯度由熔化得边界处直到焊缝中心逐渐变小，熔池得结晶速度却逐渐增大，焊缝中心处，温度梯度最小，结晶速度最大,故浓度过冷最大。由上述分析可知，焊缝中结晶形态得变化，由熔合区直到焊缝中心依次为:平面晶，胞状晶,树枝状晶,等轴晶。在实际得焊缝金属中,由于被焊金属得成分、板厚、接头型式与熔池得散热条件不同,一般不具有上述得全部结晶形态。当焊缝金属成分不甚复杂时,熔合区将出现平面晶或胞状晶
25、.焊缝得结晶形态除了受被焊金属成分得影响外，还与焊接速度、焊接电流、板厚与接头形式等工艺因素有关。（)碳钢焊接热影响区金属得组织变化以20号钢为例，根据其焊接热影响区金属得组织特征，可以分为四个区域(如图3所示）熔合区紧邻焊缝得母材与焊缝交界处得金属称为熔合区或半熔化区,焊接时，该区金属处于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间，在一般熔化焊得情况下，此区仅有23个晶粒得宽度,甚至在显微镜下也难以辩认.熔合区化学成分不均匀,组织粗大，往往就是粗大得过热组织或粗大得淬硬组织。它对焊接接头得强度,塑性都有很大得影响。其性能常常就是焊接接头中最差得。）粗晶区该区得加热温度范围为1100150。由于受
26、热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重得长大现象，冷却后得到晶粒粗大得过热组织,故称为过热区。此区得塑性差,韧性低,硬度高.其组织为粗大得铁素体与珠光体。在有得情况下，如气焊导热条件较差时,甚至可获得魏氏体组织。粗晶区得显微组织见图-（b）)细晶区此区加热温度在C10之间。在加热过程中,铁素体与珠光体全部转变为奥氏体,即产生金属得重结晶现象.由于加热温度稍高于A3,奥氏体晶粒尚未长大，冷却后将获得均匀而细小得铁素体与珠光体，相当于热处理时得正火组织,故又称为正火区或相变重结晶区。 该区得组织比退火 （或轧制)状态得母材组织细小,如图(c）不完全重结晶区图4焊接接头金相组织（a)接头组织（b）过热粗晶
27、区魏氏组织；（c）正火区(）不完全结晶区组织(e)母材组织焊接时，加热温度在Ac1Ac3之间得金属区域为不完全重结晶区.当碳钢得加热温度超过Ac1时，珠光体先转变为奥氏体。温度进一步升高时,部分铁素体逐步溶解于奥氏体中,温度越高，溶解得越多，直至Ac时,铁素体将全部溶解在奥氏体中。焊后冷却时又从奥氏体中析出细小得铁素体,一直冷却到Ar1时，残余得奥氏体就转变为共析组织珠光体。由此瞧出：此区只有一部分组织发生了相变重结晶过程，而始终未溶入奥氏体得铁素体,在加热时会发生长大，变成较粗大得铁素体组织，所以该区域金属得组织就是不均匀得，晶粒大小不一，一部分就是经过重结晶得晶粒细小得铁素体与珠光体，另一
28、部分就是粗大得铁素体(图(d） ）。由于组织不均匀,因而机械性能也不均匀。如果焊前母材为冷轧状态，则在加热温度为Ac1以下得金属中，还存在一个再结晶区。处于再结晶区得金属,在加热得过程中,将发生金属得再结晶过程,即经过冷变形后得碎晶粒在再结晶温度作用下重新排列得过程。四、实验方法与步骤(1)将已焊好试件制成试块，然后把试片四周用砂轮打去毛刺，并把四个角打磨成圆角。（2)用金相砂纸打磨纸上.试片研磨完生,用清水冲洗,进行机械抛光,抛光后再用清水冲洗试片。(3)将抛光好得试片，用4%得硝酸酒精溶液腐蚀,大约经过510s左右,立即用清水冲洗，然后用无水乙醇轻轻擦去水分，并用吹风机吹干。（4）把已制备好得试片在显微镜下进行观察与分析(5）分清焊接接头各区域后，仔细辨认各区域组织得特征,绘制各区域组织示意图。五、实验报告要求1、实验目得2、实验设备3、实验内容（)绘出碳钢焊接接头得组织变化区划图;分析碳钢焊接接头各区域组织变化得特征,说明各组织得生成机理及对焊接接头性能得影响。()分别绘出焊接接头得焊缝区、熔合区、焊接热影响区（过热区、正火区、部分相变区）以及母材得金相显微组织，标明相应得放大倍数；并分析各区域得机械性能。
