1、工程材料实验指导书工程材料实验指导书附录一：金相显微镜的基本原理及使用附录一：金相显微镜的基本原理及使用金相分析是研究金属及合金内部组织及缺陷的主要方法之一，它在金属材料研究领域中占有很重要的地位。利用金相显微镜在专门制备的试样上放大倍来研究金属及合金组织的方法称为金相显微镜分析法，它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。显微分析可以研究金属及合金的组织与其化学成分的关系；可以确定各类合金材料经不同的加工及热处理后的显微组织；可以判别金属材料质量的优劣，如各种非金属夹杂物氧化我、硫化物等在组织中的数量及分布情况以及金属晶粒度的大小等。在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子
2、显微镜两大类。这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍。一、金相显微镜的基本原理、显微镜的成象原理众所周知，放大镜是最简单的一种光学仪器，它实际上是一块会聚透镜（凸透镜），利用它就可以将物体放大。其成象光学原理如图所示。图放大镜光学原理图当物体置于透镜焦距f以外时，得到倒立的放大实象B（如图（a），它的位置在倍焦距长度以外。如果将物体放在透镜焦距之内，就可看到一个放大了的正虚象 B（如图（b）。映象的长度与物体长度之比（ ）就是放大镜的放大倍数（放 大率）。由于放大镜到物体之间的距离a近似地等于透镜的焦距（a f），而放大镜到象间的距离b近似地相当于人眼的明视距离（毫米），故放大镜的放大倍数为：
3、 (1)由式（）可知，透镜的焦距f越短，则放大镜的放大倍数越大。一般采用的放大镜焦距在毫米范围内，因而放大倍数在倍之间。进一步提高放大倍数，就会由于透镜焦距缩短和表面曲率过份增大而使形成的映象变得模糊不清。为了得到更高的放大倍数，就要采用显微镜，显微镜可以使放大倍数达到倍。显微镜不象放大镜那样由单个透镜组成，而是由两组透镜所组成。金相显微镜的光学原理如图所示。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。对着物体的一组透镜组成物镜1；对着人眼的一组透镜组成目。现代显微镜的物镜、目镜都由复杂的透镜系统组成。图12 金相显微镜的光学原理示意图物镜使物体形成放大的倒立实像A
4、B（称中间像），目镜再将B放大成仍倒立的虚像”B”,其位置正好在人眼的明视距离处（即距人眼mm处），人眼在目镜中看到的就是这个虚像B。金相显微镜质量的好坏，主要取决于：（）放大倍数（）透镜的质量（）显微镜的鉴别能力显微镜的放大倍数显微镜包括两组透镜物镜和目镜。物镜的放大倍数可由下式得出，即 (2)式中：显微镜的光学筒长度（即物镜后焦点与目镜前焦点的距离）；物镜焦距。而B经目镜放大后的放大倍数则可由公式（）计算： (3)式中：明视距离（mm）；目镜焦距。显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大倍数和乘积，即： (4)显微镜的主要放大倍数通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达倍，目镜的放大倍数可达倍。
5、放大倍数用符号表示，例如物镜的放大倍数为，目镜的放大倍数为，则显微镜的放大倍数。放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。在使用显微镜观察物体时，应根据其组织的粗细情况，选择适当的放大倍数。以细节部分观察得清晰为准，不要盲目追求过高的放大倍数。因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越大，焦距必须越小，结果会带来许多缺陷，同时所看到的物体的区域也越小。透镜成象的质量单个透镜在成象过程中，由于几何光学条件的限制，映像会变得模糊不清或发生畸变，这种缺陷称为像差。像差主要包括球面像差和色像差。像差的产生降低了光学仪器的精确性。（）球面像差如图-所示，当来自点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，由于透
6、镜表面呈球形，光线不能交于一点，而使放大后的像模糊不清。些现象称为球面像差。降低球面像差的办法，除了制造物镜时采取不同透镜的组合进行必要的校正外，在使用显微镜时，也可采取调节孔径光栏，适当控制人射光束粗细，减少透镜表面面积等方法，把球面像差降低到最低程度。（）色像差如图-所示，白色光是由种单色光组成，当来自点的白色光通过透镜后，由于各单色光的波长不同，折射率不一样，使光线折射后不能交于一点。紫光折射最强，红光折射最弱，结果使成像模糊不清。此现象称为色像差。图13 球面像差示意图 图14 色像差示意图消除色像差的方法，一是制造物镜时进行校正。根据校正程度，物镜可分为消色差物镜和复消色差物镜。消色
7、差物镜常与普通目镜配合，用于低倍和中倍观察；复消色差物镜与补偿目镜配合，用于高倍观察。二是使用滤色片得到单色光。常用的滤色片有蓝色、绿色或黄色等。显微镜的鉴别能力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。在普通光线下，人眼能分辨两点间的最小距离为mm0mm，即人眼的鉴别率d为mm0mm，而显微镜当其有效放大倍数为倍时，其鉴别率d为m。显然，d值越少，鉴别率就越高。鉴别率是显微镜的一个最重要的性能。它可由下式计算： （5）式中：入射光源的波长；物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力。可以看出，波长越短，数值孔径越大，鉴别能力就越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。数值孔径可用
8、下列公式求出： （6）式中：物镜与物体间介质的折射率；通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度（见图）。一般物镜与物体之间的介质是空气，光线在空气中的折射率，若一物镜的角孔径为，则其数值孔径为： sin1 sin.若在物镜与试样之间滴入一种松柏油（），则其数值孔径为：. sin.这样就增大了物镜的数值孔径。物镜在设计和使用中指定以空气为介质的称为“干系物镜”（或干物镜），以油为介质的称为“油浸系物镜”（或油物镜）。从图可以看出，油物镜具有较高的数值孔径，因为透过油进入到物镜的光线比透过空气进入的多，使物镜的聚光能力增强，从而提高了物镜的鉴别能力。 (a)干物镜 （b）油物镜物镜的数值孔径与放大倍
9、数一起刻在镜头外壳上，例如镜头上刻有.或在的下面刻有.等数字，这个.或.即表示物镜的数值孔径。高倍物镜通常都为油浸系，油镜头用“油”（或iL，）或外壳涂一黑圈来表示。一金相显微镜的构造和使用金相显微镜的构造和使用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，有的显微镜还附有摄影装置。现以型台式金相显微镜为例加以说明。型金相显微镜的光学系统如图所示。由灯泡发出的光线经聚光透镜组及反光镜聚集到孔径光栏，再经过聚光镜聚集到物镜的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样的表面。从试样反射回来的光线复经物镜组和辅助透镜，由半反射镜转向，
10、经过辅助透镜以及棱镜造成一个被观察物体的倒立的放大实象，该象再经过目镜的放大，就成为在目镜视场中能看到的放大映象。型金相显微镜的外形如图所示。现分别介绍其各部件的功能及使用。图16 XJB-1型金相显微镜的光学系统 图17 XJB-1型金相显微镜外形结构图照明系统：在底座内装有一低压（v，）灯泡作为光源，由变压器降压供电，靠调节次级电压（）来改变灯光的亮度。聚光镜、孔径光栏及反光象等装置均安装在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上，它们组成显微镜的照明系统；使试样表面获得充分、均匀的照明。显微镜调焦装置：在显微镜体两侧有粗动和微动调焦手轮，两者在同一部位。随粗调手轮的转动，支承载物台的
11、弯臂作上下运动。在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微调手轮使显微镜本体沿着滑缓慢移动。在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下微动.毫米。与刻度手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。载物台（样品台）：用于放置金相样品，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。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
12、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。目镜筒：目镜筒呈倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。表列出了型金相显微镜的物镜和目镜不同配合情况下的放大倍数。表 型金相显微镜的放大倍数光学系统 目镜物镜 干燥系统干燥系统油浸系统金相显微镜的使用规则及注意事项金相显微镜是一种精密的光学仪器，使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之前道先应熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。（）金相显微镜的使用规程：）
13、首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（）变压器接通电源。）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，并使转换器转到固定位置（由定位器定位）。）将试样放在样品台中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。）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（但不利与试样相碰），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程度为止。）适当调节 径光栏和视场光栏，以获得最佳质量和物象。）如果使用油浸系物镜，则可在物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上。油镜头用后应立即用棉花沾取二甲苯溶
14、液擦净，再用擦镜纸擦干。（）使用注意事项金相显微镜是贵重的精密光学仪器，在使用时必须十分爱护，自觉遵守实验室规章制度和操作程序。）初次操作显微镜前，应首先了解显微镜的基本原理、构造以及各主要附件的作用等，并要了解显微镜使用注意事项。）金相试样要干净，不得残留有酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜的透镜。使用时不能用手触摸透镜。擦镜头要用镜头纸。）照明灯泡电压一般为。必须通过降压器使用，千万不可将其灯泡插头直接插入电源，以免烧毁灯泡。）操作要细心，不得不粗暴和剧烈的动作。安装、更换镜头及其他附件时要细心。严禁拆卸显微镜和镜头等重要附件。）调焦距时应先将载物台下降，使样品尽量靠近物镜（不能接触），然后用目镜
15、观察。先用双手旋转粗调焦旋钮，使载物台慢慢上升，待看到组织后，再调节微调焦旋钮直至图像清晰为止。）使用时如出现故障应立即报告老师，不得自行处理。）使用完毕，关闭电源。将显微镜恢复到使用前状态，盖上仪器罩，经老师检查无误后，方可离开实验室。附录 金相试样的制备 为了在金相显微镜下确切地、清楚地观察到金属内部的显微组织，金属试样必须进行精心制备。试样制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。一取样显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。例如在检验和分析失效零件的损坏原因时，除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏处较远的部位截取试以便比较；在研究金属铸件组织时，由于存在偏析现象，必
16、须从表面层到中心同时取样进行观察；对于轧制和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）的金相试样，以便于分析比较表层缺陷及非金属夹杂物的分布情况；对于一般热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样的截取可在任一截面进行。确定好部位后就可把试样截下，试样的尺寸通常采用直径1mm，高1mm的圆柱体或边长1mm的方形试样（如图所示）。 图21 金相试样的尺寸试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下，对极硬的材料（如淬火钢）则可采用砂轮片切割或电脉冲加工。不论采用哪种方法，在切取过程中均不宜使试样的湿度过于升高，以
17、免引起金属组织的变化，影响分析结果。二镶嵌当试样的尺寸太小（如金属丝、薄片等）时，直接用手来磨制很困难，需要使用试样夹或利用样品镶嵌机，把试样镶嵌在低溶点合金或塑料（如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂等）中，如图所示。三磨制 试样的磨制一般分粗磨和细磨两道工序。 图22粗磨：粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进行，但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力不宜过大，否则受热引起组织变化；试样边缘的棱角若无保存必要，可先行磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。细磨：经粗磨后试样表面虽较平整，但仍还存在有较深的磨痕（如图所示）。细磨的目
18、的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，为下一步的抛光作好准备。将粗磨好的试样用水冲洗擦干后就开始进行细磨。细磨是在一套粗细程度不同的金相砂纸上，由粗到细依次顺序进行的。细磨时将砂纸放在玻璃板上，手指紧握试样，并使磨面朝下，均匀用力向前推行磨制。在回程时，应提起试样不与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度。每更换一号砂纸时，须将试样的研磨方向调转，即与上一道磨痕方向垂直，直到将上一号砂纸所产生的磨痕全部消除为止。 图23 试验磨面上磨痕变化示意图为了加快磨制速度，减轻劳动强度，可采用在转盘上贴水砂纸的预磨机进行机械磨光。水砂纸按粗细有号、号、号、号、号、号、号、号等。用水砂纸磨制时，要
19、不断加水冷却，由号逐次磨到号砂纸，每换一道砂纸，将试样用水冲洗干净，并调换方向。四抛光细磨后的试样还需进行抛光，目的是去除细磨时遗留下的磨痕，以获得光亮而无磨痕的镜面。试样的抛光有机械抛光、电解抛光和化学抛光等方法。机械抛光机械抛光在专用抛光机上进行。抛光机主要由一个电动机和被带动的一个或两个抛光盘组成，转速为r/minr/min。 抛光盘上放置不同材质的抛光布。粗抛时常用帆布或粗呢，精抛时常用绒布、细呢或丝绸，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液一般采用、gO或等粉末（粒度约为m1m）在水中的悬浮液（每升水中加入粉末g10g），或在抛光盘上涂以由极细金刚石粉制成的膏养抛光剂。抛光时应将试样
20、磨面均匀地、平正地压在旋转的抛光盘上。压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动。抛光时间不宜过长，试样表面磨痕全部消除而呈光亮的镜面后，抛光即可停止。试样用水冲洗干净，然后进行侵蚀，或直接在显微镜下观察。电解抛光电解抛光时把磨光的试样浸入电解液中，接通试样（阳极）与阴极之间的电源（直流电源）。阴极为不锈钢板或铅板，并与试样抛光面保持一定的距离。当电流密度足够大时，试样磨面即产生选择性的溶解，靠近阳极的电解液在试样表面上形成一层厚度不均的薄膜。由于薄膜本身具有较大电阻，并与其厚度成正比，如果试样表面高低不平，则突出部分薄膜的厚度要比凹陷部分的薄膜厚度薄些，因此突出部分电流密度较大，溶解
21、较快，于是，试样最后形成平坦光滑的表面。电解抛光用的电解液一般由以下三种成分组成：（）氧化性酸，是电解液的主要成分，如过氯酸、铬酸和正磷酸等；（）溶媒，用以冲淡酸液，并能溶解在抛光过程中磨面所产生的薄膜，如酒精、醋酸酐和冰醋酸等；（）一定数量的水。这种方法的优点是速度快，只产生纯化学的作用而无机械力的影响，因此可避免在机械抛光时可能引起的表层金属的塑性变形，从而能更确切的显示真实的金相组织。但电解抛光操作时的工艺规程不易控制。五浸蚀经抛光后的试样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（如nS及石墨等）外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀
22、”，才能清楚地显示出显微组织的真实情况。钢铁材料最常用的浸蚀剂为硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液。各种金属材料常用的浸蚀剂见表至表。是常用的金相组织显示方法是化学浸蚀法。其主要原理是利用浸蚀剂对试样表面的化学溶解作用或电化学作用（即微电池原理）来显示组织。对于纯金属或单相合金来说，浸蚀是一个纯化学溶解过程。由于金属及合金的晶界上原子排列混乱，并有较高能量，故晶界处容易被浸蚀而呈现凹沟（如图所示），同时由于每个晶粒原子排列的位向不同，表面溶解速度也不一样，因此试样被浸蚀后会呈现轻微的凹凸不平，在垂直光线的照射下将显示出明暗不同的晶粒。图24 单相和两组织的显示图对于两相以上的合金而言，浸蚀主要是一个
23、电化学腐蚀过程。由于各组成在具有不同的电极电位，试样浸入浸蚀剂中就在两相之间形成无数对“微电池”。具不负电位的一相成为阳极，被迅速溶入浸蚀剂中形成凹洼；具有正电位的另一相则为阴极，在正常电化学作用下受浸蚀而保持原有平面。当光线照射到凹凸不平的试样表面时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下就能看到各种不同的组织和组成相（如图（b）所示。浸蚀方法是将试样磨面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。浸蚀时间要适当，一般试样磨面发暗时就可停止，如果浸蚀不足可重复浸蚀，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，接着用酒精冲洗，最后用吹风机吹干。这样制得的金相试样即可在显微镜下进行观察和分析研究。实验一 金属材料
24、的硬度试验一实验目的了解硬度测定的基本原理及应用范围。了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。按动按钮，平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续秒（此时压头位置为图中的位置），再顺时针旋转摇柄，直至自锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若干格，这说明弹性变形得到恢复，指针所指位置反映了压痕的实际深度（此时压头位置相当于图中的位置）。由表盘上可直接读出洛氏硬度值，、读外圈黑刻度，读内圈红刻度。逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。二概述三参见指导书四试验结果五实验方法指导实验内容及步骤：（）领取各自的试样（）在进行试验操作前必须先阅读并弄清布氏和洛氏试验机的结构及注意事项
25、（）按规定的操作顺序在洛氏硬度试验机测定试样的硬度值实验设备及材料注意事项：（）试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测试。（）圆柱形试样应放在带有“型槽的工作台上操作，以防试样滚动。（）加载时应细心操作，以免损坏压头。（）加预载荷（kgf）时若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检查原因。（）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。（）金刚钻压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。（）应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围将不能获得准确的硬度值。硬度试验试样参考硬度值列表如下：序号
26、钢号热处理状态退火正火水淬退火正火水淬水淬回火水淬回火水淬回火球化退火正火水淬水淬回火金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应为作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其它机械性能（如强度指标及塑性指标和）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。硬度的试验方法很
27、多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：（）试验时应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。（）金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：式中：材料的抗拉强度值；布氏硬度值；系数。退火状态的碳钢 .合金调质钢 .有色金属合金 .（）硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。（）硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合
28、于成品检验。（）设备简单，操作迅速方便。三、布氏硬度（）（一）布氏硬度试验的基本原理布氏硬度试验是施加一定大小的载荷，将直径为的钢球压入被测金属表面（如图所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号表示。其计算公式如下：凹 (1-1)式中：布氏硬度值；载荷（kgf）；图11 布氏硬度试验原理图凹压痕面积（mm）。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为：凹h (1-2)式中：钢球直径（mm）；h压痕深度（mm）。由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将（）式中h改换成d来表示，这可根据图（b）中ab的关系求出： (1-3)将式(1-2)和(1-3)代入式(1-1)即得: (1-4)式中只有d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知和值就可计算出值。在实际测量时，可由测出之压痕直径d直接查表得到值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如kgf）和钢球直径（如mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能
