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1、工程材料基础工程材料基础实验指导书实验指导书长沙学院机电工程系长沙学院机电工程系2007.042007.04 实验规则实验规则一、实验前必须做好预习,认真阅读实验指导书，明确本次实验的目的，了解实验内容、步 骤及注意事项等。并按规定做好预习报告。实验指导教师在实验课前检查学生的预习报告，了 解对本次实验预习的程度，如发现不做预习及报告、对实验了解不够者,则不准参加实验(待了 解清楚后另行补做)。 二、实验课不迟到，不早退，不旷课。病假、事假需有医生或班主任证明。无故迟到或早 退两次者实验成绩记为不及格。无故旷课者不允许补做实验，该次实验成绩记为零分。 三、实验时必须听从教师的指导，严格遵守仪器
2、设备操作规程，切实注意人身安全及仪器 设备安全，不得随意动用与本次实验无关的仪器设备等实验室用品。必须遵守学生实验守则。 不准打闹、喧哗，严肃课堂纪律。 四、凡实验中规定的独自操作内容，必须由学生本人独立完成。不得他人替代，违者将扣 减本人及相关人的实验成绩。 五、实验中如遇到仪器设备异常，应及时向指导教师报告，不得擅自处理。如有学生损坏 仪器、设备等实验物品，则根据情节轻重按照学校相关规定进行全部或部分赔偿。 六、学生在实验中必须节省水、电、药品及各种消耗品。对一切浪费现象给予批评。 七、实验完毕后，将仪器、设备、试样等实验物品整理好，放回原处，交给指导教师检查 验收；将实验原始数据做记录整
3、理，交给指导教师签字。经教师允许后，方可离开实验室。 八、按要求认真做好实验报告，并按时上交。如报告未交者，不准参加下一次实验。 九、保持好实验室的清洁卫生。进入实验室时，应清除身上尘土和鞋底的泥土，实验完毕 后，应清理干净实验台面及场地，并摆放好凳子。实验目录1实验一：金相显微镜的使用与金相样品的制备金相显微镜的使用与金相样品的制备实验二：铁碳的平衡组织和非平衡组织的观察与分析碳的平衡组织和非平衡组织的观察与分析实验三：碳钢热处理与硬度测定实验四：合金钢、铸铁及有色金属的显微组织观察与分析实验一 金相显微镜的使用与金相样品的制备金相显微镜的使用与金相样品的制备一、实验目的 1.了解金相显微镜
4、的构造、原理及使用规则 2.掌握制备金相显微试样制备的基本操作方法 二、实验概述 金相分析是研究工程材料内部组织结构的主要方法之一，特别是在金属材料研究领域中占 有很重要的地位。金相显微镜是进行显微分析的主要工具，利用金相显微镜在专门制备的试样 上观察材料的组织和缺陷的方法，称为金相显微分析法。金相显微分析可以观察、研究材料的 组织形貌、晶粒大小、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物等）在组织中数量和分布情况等问题， 即可以研究材料的组织结构与其化学成分（组成）之间的关系，确定各类材料经不同加工工艺 处理后的显微组织，可以判别材料质量的优劣等。 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
5、显微镜两大类。由于光学的2原因，金相显微镜的放大倍数为几十倍到两千倍，鉴别能力为 250m 左右，若观察工程材料的 更精细结构（如嵌镶块等） ，则要用近代技术中放大倍数可达几十万倍的透射、扫描电子显微镜 及 X 光射线技术等。以下仅对常用的光学金相显微镜做一介绍。 1.金相显微镜的原理、构造及使用 （1）金相显微镜的基本原理 金相显微镜的光学原理如图 1-1 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 AB 的一组透镜组成物镜 O1；对着人眼的一组透镜组 成目镜 O2。现代显微镜的物镜、目镜都由复杂的透镜系统组成。物镜使物体 AB 形成放大的倒立实
6、像 A，B，（称中间像),目镜再将 A,B,放大成仍倒立的虚像 A,B,，其位置正好在人眼的明视距离处(即距人眼 250mm 处),人眼在目镜中看到的就是这个虚 像 A,B,。 金相显微镜的主要性能如下： 1)放大倍数 显微镜的放大倍数下面公式来确定：目物目物fD fLMMM式中 显微镜的放大倍数； 物镜的放大倍数； MM目镜的放大倍数； 物镜的焦距；目M物f目镜的焦距； 显微镜的光学镜筒长度；目fL明视距离（250mm） 。D、越短或越长，则显微镜的放大倍数越大。在使用时，显微镜的放大倍数等于物f目fL物镜和目镜的放大倍数的乘积。每个物镜和目镜上均刻有其放大倍数，如：10、20、45 等，分
7、别表示其放大 10 倍、20 倍、45 倍等。 2)金相显微镜的鉴别率显微镜的鉴别率是指它能清晰的分辨试样上两点间最小距离 d 的能力。值越小，鉴别率d 就越高。鉴别率是显微镜的一个最重要的性能。它取决于物镜的数值孔径和所用入射光线的A波长(即)，与目镜无关，光线的波长可通过滤色片来Ad2选择。当光线的波长一定时，可以改变物镜的数值孔径来调节显图 1-1 金相显微镜的光学原理示意图图 1-2 物镜的孔径角3微镜的鉴别率。 3)物镜的数值孔径 物镜的数值孔径 A 表示物镜的聚光能力，如图 1-2 所示。sinnA 式中 物镜与试样之间介质的折射率；n物镜孔径角的一半。越大或 越大，则越大。由于
8、总是小于 90，当介质为空气时（=1）,一定小nAnA 于 1；当介质为松柏油时（=1.5） ，值最高达到 1.4。每个物镜上都有一个设计额定的值，nAA 它标刻在物镜上，如 0.25、0.65 等。 （2）金相显微镜的构造及功能 金相显微镜的种类 和类型很多，最常见的有 台式、立式和卧式三大 类。它的构造通常由光 学系统、照明系统以及 机械系统三大部分组成。 有的还附带有照相摄影 装置。现以XJB-1 型台 式金相显微镜为例进行 说明。 XJB-1 型金 相显微镜的结构如图 1- 3（a）所示。本仪器采用 倒置式结构，结构紧凑， 体积较小。底盘为圆盘 形，重心较低，安放稳 定。目镜筒成 45
9、倾斜 安装，观察舒适。图 1-3 XJB-1 型金相显微镜(1)-灯泡 (2)-聚光镜组 (3)- 聚光镜组 (4)-半透反光镜(5)-辅助透镜(6)-物镜组 (7)-反光镜 (8)-孔径光栏 (9)-视场光栏(10)- 辅助透镜(11)-棱镜(12)-棱镜(13)-视场 (14)-目镜41)光学系统 XJB-1 型金相显微镜的光学系统如图 1-3（b）所示。其工作原理是：由灯泡发出一束光线， 经过聚光镜组的会聚及反光镜的反射，汇聚到孔径光栏上，随后经过聚光镜，再将光线聚 集到物镜的后焦面上，最后光线经过物镜，平行照射到试样上，使其表面得到充分均匀的照明。 从试样表面反射回来的光线复经物镜和辅
10、助透镜，由半透反射镜转向，再经过辅助透镜以 及棱镜与，形成一个被观察物体的倒立放大实像，该像经过视场透镜和目镜的再度放大， 即可得到所观察的试样表面的放大图像。 2)照明系统 由于金相显微镜所观察的物体是不透明的金属表面，因此显微镜上设置人工照明光源，用 于试样表面的照明。在仪器底座内装有作为照明光源的低压灯泡（68V，15W） ，由变压器降压 供电，靠调节次级电压（68V）来改变灯光的亮度。灯前部装有聚光镜，反光镜和孔径光栏等 部件，视场光栏及另一聚光镜则安置在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得 充分而均匀的照明。 3)调焦装置 粗动、微动调焦机构采用的是同轴式调焦机构。粗调焦
11、手轮和微动调焦手轮安装在粗微动 座的两侧，位于显微镜下部。旋转粗调焦手轮，能是载物台迅速地上升或下降，旋转微动调焦 手轮，能是载物台缓慢地上升或下降，这是物镜精确调焦所必需。在右侧手轮上刻有分度格， 每一格表示物镜座上、下微动 0.002 毫米。与此同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动 升降极限位置。当旋转至极限位置时，微动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。 4)载物台（样品台） 载物台用于放置金相试样，它与下面托盘之间有连接导架，移动结构采用粘性油膜连接， 用手推动，可使载物台在水平面上做一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。 5)孔径光栏和视场光栏
12、孔径光栏安装在照明反射镜座上，刻有分刻线，表示孔径的毫米数，调整它能够控 制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏在物镜支架下面，其作用是控制视 场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。转动光栏外面的直纹滚花套圈即可调节光栏的大小。通 过调节光栏大小，可以提高最后映像的质量。 6)物镜转换器和物镜 转换器是球面形，上面有三个螺孔，可以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，并与不同的目镜匹配使用，以获得各种所需的放大倍数。本仪器所带物镜有 三种，放大倍数分别为 8，45，100。 7)目镜筒及目镜 目镜筒呈 45倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，便于观察。本仪器所带目镜
13、有三种，放 大倍数分别为 5，10，15。 （3）金相显微镜的使用及注意事项 金相显微镜是贵重的精密光学仪器，使用时必须倍加爱护，自觉遵守其操作规程，细心谨 慎地使用。 初次使用显微镜前，应首先了解显微镜的基本原理、构造特点以及各主要部件的相互位置 和作用等，然后了解显微镜使用注意事项。 1)显微镜的操作规程 a)选择适当的载物台，将试样放在载物台上； b)根据观察需要，选择适宜的物镜和目镜，转动粗调焦手轮，升高载物台，将物镜和目 镜分别安装在物镜转换器和目镜管上。并使转换器转至固定位置；5c)将显微镜光源灯泡的插头插在变压器 5V 或 6V 位置上(照相时用 8V)，并将变压器与电 源相接，
14、使灯泡通电发光； d)通过调焦手轮（旋钮）进行调焦。先用双手转动粗调焦手轮，使载物台慢慢下降，令 试样尽量靠近物镜（不得接触） ，同时用目镜观察，待看到组织后，再调节微调焦手轮 直至物像清晰为止； e)适当调节孔径光栏和视场光栏的大小以获得最佳质量的物像。 2)显微镜使用的注意事项 a)使用操作前必须将手洗干净，保持显微镜和工作台的清洁。使用时不能用手触摸物镜、 目镜镜头。用镜头纸清洁镜头。 b)金相试样一定要洁净干燥，不得残留有浸蚀液和酒精等污物，以免腐蚀物镜的透镜。 c)不能用手触摸金相试样的观察面，要保持干净，观察不同部位组织时，可以平推载物 台，不要挪动试样，以免划伤观察表面。 d)显
15、微镜的照明灯泡电压一般为 6V、8V，必须通过降压变压器使用，切勿将灯泡插头直 接插入 220V 电源，以免烧毁灯泡。观察结束后应及时关闭电源。 e)操作时必须要细心，不能有任何粗暴和剧烈的动作。安装、更换镜头及其他附件时也 要细心。严禁自行拆卸显微镜的镜头等重要部件。 f)使用中如出现问题和故障，应立即报告指导教师，不得自行处理。 g)使用完毕后，关闭电源，将显微镜恢复到使用前的状态，罩好仪器套，经教师检查无 误后，方可离开实验室。 2.金相显微试样的制备方法 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，金相试样必须进行精心 的制备。金相试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、侵蚀
16、等几个步骤。制备好的试样应能够 观察到真实组织，没有磨痕、麻点、水迹等，并使金属组织中的夹杂物、石墨等不脱落，否则 将会严重影响显微分析的正确性。 （1）取样 显微试样部位及观察面的选取，应根据被分析材料或零件的失效特点、加工工艺的性质以 及研究的目的等来确定，即取样应具有代表性。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，还应在完好部位取样，以便于比较性分析；在研究金属铸件组织时， 由于存在偏析现象，必须从表面到中心同时取样进行观察；对轧制和锻造材料，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部位的材料做试样；对于一般热处理后零 件，由于组织比较均匀可自由选取断面试样。 试样的截取方法是材料的性质不同而异。软的材料可用锯、车等方法；硬的材料可用水冷 砂轮切片机切取或电火花线切割机切割；硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击；大件可用 氧气切割等等。不论哪种方
