实验一、金相基本技术

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1、实验一、金相基本技术一、实验目的（1）了解并熟悉金相显微试样的制备过程，初步掌握金相显微试样制备的基本方法。（2）了解金相显微镜的基本原理及结构，初步掌握金相显微镜的正确使用方法。（3）学习金相显微分析在金属学中的应用。二、实验原理及内容 金相显微分析的主要任务是利用金相显微镜来研究金属、合金的显微组织。在金相显微 分析中，金相试样的制备及显微镜的基本原理及结构是最基本的知识。（一）、金相显微试样的制备： 金相显微分析时所用的试样必须经过精心的制作，才能在显微镜下清楚地观察到其组织 结构。因为，利用显微镜观察金属的显微组织时，是靠光线从试样观察面上的图I -1光线在不同表面上的反射倩祝a）试样

2、表面光滑，光线反射入物崗，能成像FCb）试样表面粗糙，光线散射，不能成像（c）部分反射光线进入物镜成像，但若咅超过物铳焦距允许限度#则两平面不能同时聚黛戒龈反射来进行。如果试样观察面上的反射光线进入物镜，我们可以从目镜中观察到反射的像（明 视场），否则便观察不到。由图 1-1 所示可知：未经制备的试样，其表面粗糙，相当于无穷 多个与镜筒面垂直的光滑平面，这是不能成像的。因此，首先把试样观察面制成光滑平面， 但光滑平面在显微镜下，只能看到光亮一片，还看不到组织结构的特征。所以随后必须用一 定的浸蚀剂浸蚀试样观察面，使其耐浸蚀性弱的区域被不同程度浸蚀而呈现微观的凹凸不平 这些区域的反射光线被散射而

3、成黑暗，由于暗亮相衬，则可显示出组织结构特征。金相试样的制备过程是：取样一 镶 一 磨制（粗磨与细磨_抛光 浸蚀。 现分述如下：1取样：选择合适的有代替性的试样，是准备金相显微分析的极其重要的第一步，忽视取样的重 要性，往往会影响分析结果的正确程度，甚至可能得出错误的结论。（1）取样部位的选择：取样部位必须根据显微分析的目的、被分析材料或零件的特点，工艺过程及热处理情况 来进行选择。例如：研究零件破裂原因时，显然应在破裂部位取样，同时应在离破裂较远的部位取样，以资 比较。研究铸造合金时，由于组织不均匀，从铸件表面到中心必须同时进行金相观察，所以对 小型铸件应直接截取垂直于模壁的横断面作为试样，

4、对大型铸件，则应在横断面上从表面到 中心分别截取几个不同部位的试样。研究轧制材料表层缺陷及非金属夹物的分布，应在垂直轧制方向截取横向试样；如研究 材料中夹杂物的形状、类型以及材料的变形程度，则应在平行于轧制方向截取纵向试样。研究一般热处理后的零件时，由于组织比较均匀，可以截取任一断面的试样。对表面热 处理后的零件，要注意观察表面情况。总之，取样部位的正确与否是极其重要的。（2）试样的切取方法： 试样从钢材或零件上截取时，应保证被检验的截面组织不因切取操作而产生任何变化， 不然，将得出错误的结果，导致错误的结论。因此，不同的材料应采用不同的切取方法。a. 较软材料：可采用机械切割（如锯、车、刨等

5、方法）法。b. 较硬材料：可采用砂轮切片机或电火花等方法切取，当必须注意采用冷却措施，尽量 减少受热层深度，并应预留大于一般受热层深度的余量,以便在试样磨制过程中将其磨掉。c. 大型或大截面零件或钢材：可采用氧气切割，但必须留有足够的余量，以备在随后机 械切取试样时将其切除。d. 硬而脆的材料：可采用锤击切取。（ 3 ）试样的尺寸大小：一般以高15mm，观察面的边长或直径为1525mm的方型或为圆形最为适宜。2 样的镶嵌：符合上述尺寸的试样不必镶样，倘若试样尺寸过于小，如丝、片、带、管等，或形状极 不规则，不便于磨制抛光时，就必须把它们镶嵌起来。镶样的方法很多，如低熔点金属镶嵌法，塑料镶嵌法及

6、机械镶嵌法等，上述方法均有其 优缺点。目前最常用的是塑料镶嵌法。3 试样的磨制：磨制的目的是使试样的检验面获得初步的平整和光滑，为试样的抛光作好准备。磨制可 分为粗磨和细磨：（ 1 ）粗磨：试样粗磨时除极软的材料可用锉刀锉平外，一般均采用砂轮机。粗磨的目的有两个：一 是用砂轮将试样的棱角磨掉（需要保留棱角的，如表面热处理及脱碳层检验用试样除外）， 以免在以后的磨制和抛光时划破手指和损伤砂纸或抛光布；另一是在砂轮的侧面将检验面大 致磨平。在磨平时，应使被磨平面和砂轮侧面基本平行，并使试样沿砂轮轮径向往复地缓慢移动， 以避免在同一地带磨制，把砂轮磨成凹槽，致使被磨面凸起。另外，在磨制时试样应不断用

7、 冷水进行冷却，以防因温度升高而造成试样内部组织发生变化。试样表面磨平后，可用粗砂纸（或水磨砂纸）或砂带机进一步磨制。磨制方向应与砂轮 磨痕垂直，一直磨到砂轮的磨痕全部消失为止。（2）细磨：细磨的目的是为了消除试样经粗磨后所留下的较深较粗的痕迹，为下一道抛光工序作好 准备。细磨的方法有手工磨光和机械磨光两种。手工磨光是在金相砂纸上进行的。金相砂纸按粗细分为五种（01，02，03，04，05）， 01 号最粗，05 最细，磨制时依次从 01 号到 05 号。有色金属应磨到05 号，而钢铁材料则磨 到 04 号便可。手工磨制时应注意以下几点：a. 在砂纸上应尽量使试样整个磨面受压均匀，压力适当，以

8、免磨痕太深，难以消除。b. 磨制方向应与粗磨（或上一道砂纸）后的磨痕方向垂直，以便观察前一道磨痕是否消 除，同时保证新磨痕方向均匀一致。更换一道砂纸时，再将试样转90 度磨制。c. 试样在砂纸上不能往返磨制，而应是向前推动磨制，拉回时应将试样提起脱离砂纸， 以保证试样磨面平整，不产生弧度。d. 每当更换下一道砂纸时，应把试样、工作台及手擦洗干净，以免把粗沙砾带到下一道 细砂纸上。e. 磨制较软材料时，可在砂纸上涂上一层润滑油（如机油、肥皂水等），以免沙砾嵌入 金属内。机械磨光才常用的是蜡盘或砂纸盘。蜡盘就是把混有金刚砂（氧化铝）的熔化石蜡及硬 脂酸浇在抛光盘上，待凝固车平后装在抛光机上即可使用

9、。金刚砂（或氧化铝）的粒度有粗 有细，因此可做成不同粗细的蜡盘。采用蜡盘磨制试样速度快，效率高。在生产检验中大量 使用。砂纸盘就是把水砂纸剪成圆形用水玻璃粘在抛光盘上使用。水砂纸牌号有：240#；360#； 600#；800#等，依次从粗到细。用蜡盘和砂纸磨制试样时，必须不断加水冷却。4试样的抛光：抛光是磨制试样的最后一道工序，其目的是去试样磨面上磨细后的均匀微细的磨痕，使 磨面呈光亮而无磨痕的镜面。由于抛光所用的磨料是极细的，它只能去除磨面一层极薄的一层金属，因此抛光前对试 样磨细的质量有一定的要求。若磨面上有较深的磨痕，抛光是难以去除的，若一定要把较深 的磨痕去除，势必要延长抛光的时间或加

10、重抛光时所用的压力，这样会造成磨面上金属流动 和扰乱、夹杂物脱落以及形成麻点缺陷。试样抛光可分为机械抛光、电解抛光和化学抛光。（1）机械抛光：机械抛光是抛光中较常用的一种抛光法，它是在抛光机上进行的。抛光机上装有一个或 多个抛光圆盘，由电动机带动旋转，转速一般为 200500 转/分，圆盘上盖有抛光布，布上润 有抛光液。抛光布抛光时采用的抛光布有粗布、帆布、粗呢、绒布、丝绸、丝绒等。选择抛光布 的种类，应根据不同的金属及要求而定。抛光粉也称抛光磨料，常用的抛光粉有氧化铝、氧化铬、氧化镁、金刚砂等。除抛光 膏以外，抛光粉要配成抛光液使用。抛光时应该注意的几个问题：a. 试样磨面应均匀地压在抛光盘

11、上，但压力不宜过大，开始时可稍重一些，随后压力逐 渐减轻，并使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘缓慢移动，试样本身也应自转，以防止 钢中的夹杂产生拖尾现象。b. 抛光过程中，要不断加入抛光液，但要适量。若抛光液过多，会使钢中夹杂物及铸铁 中的石墨脱落；若抛光液过少，则使抛光面变得晦暗和易有黑斑。c. 抛光时间不宜过长，以避免抛光面产生扰乱层，造成金相观察时得出错误的结论。只 要能消除细磨时的磨痕，得到光亮的镜面，则抛光变可结束，进行浸蚀。（2）电解抛光： 对于强度低、塑性大的金属，如奥氏体不锈钢等，用机械抛光很难避免金属的流动和形 成扰乱金属层，在检验中容易造成假象而做出错误的结论。在这种情况

12、下，采用电解抛光有 它独特的优点。电解抛光的优点是：操作简单、速度快，更主要的是是抛光时无机械力的影 响，不致引起表面层金属的流动和扰乱，而能正确地显示出试样的真实组织。电解抛光的原理是利用阳极腐蚀法。即将经过细磨的试样放于一定化学成分的电解液中 以试样为阳极，及以其他一定的金属为阳极、通以一定强度的直流电，这时，试样上的凸出 部分应通电而溶解于电解液中，经过适当的时间，试样的磨面便显示出清晰的显微组织。其 装置如图 1-2 所示。电解抛光可在电解抛光机上进行，也可在简单的电解槽中进行。 5试样的侵蚀：试样经抛光后，在显微镜下是呈现光亮的，除观察非非金属夹杂物或铸铁中的石墨等可 以不用侵蚀外，

13、只有经过侵蚀才显示出金属的显微组织。常用的金相显微组织显示方法有化 学侵蚀法、电解侵蚀法及特殊物理显示法。 最常用的是化学侵蚀法。图I2电解雌示意图I芒样| 2 搅拌誥扌3温麼计1 4抛光梱5恒温水杷b E阴扱7抛光液口侵蚀方法有侵入法和擦拭法。侵蚀的深浅应根据组织特点和观察的放大倍数来确定，如高倍观察时，侵蚀应浅些；低倍观察时，则侵蚀应深些；单相组织要重些；双相或多相组织应轻一些。侵蚀时应仔细观察侵蚀面的侵蚀情况（如光泽及色彩的变化），图1 一 3显微镜成像放大原理侵蚀后用清水将侵蚀剂冲洗干净，必要时可用酒精洗侵蚀面，最后用吸水纸洗干或用 吹风机吹干，便可进行显微观察。二）金相显微镜的构造：

14、金显微镜是进行显微分析的主要工具，它可以观察、研究金属中细小的、用粗晶分析 不能观察到的组织和缺陷。实验中常用的光学金相显微镜都是由三个基本部分所组成，即光学系统（物镜、目镜、 平面镜、透镜、光圈等）以及传动系统，除此之外，尚可附加照相设备。详细构造见实物。1. 显微镜的放大作用：图 1-3 表示在显微镜中得到放大物象的光学见简图。所观察的试样 AB 放在物镜之前， 较其焦距略远一点，光线由试样的观察面透过物镜，经折射后形成一倒立放大的实像 1B1， 并落在目镜的焦距之内，结果便得到仍是倒立的放大的虚像B，这就是在显微镜中我们所 观察到的像其位置正好在人眼的明视距离处（即距离人眼250MM）。

15、由图 1-3可知，物镜直接放大物体，而目镜仅放大由物镜所得到的物像。如果物镜不能 保证得到高质量的物像，目镜也就无能为力了。显微镜的放大倍率：AB/AB的比例就是显微镜的放大倍率，它由下式决定：M=L/f1*D/f2=M *M .（1）物目式中：M显微镜的总放大率；fl物镜的焦距；f2目镜的焦距；L显微镜的光学镜筒长度；D明视距离（=250MM）；M物物镜的放大倍率；M 目目镜的放大倍率。目由式（1）可知，当分fl，f2越短或L越长，则显微镜的放大倍率越大。通常显微 镜的放大倍率就是物镜和目镜的放大倍率的乘积，但有的小型显微镜，因其镜筒长度比光学 镜筒长度短，故应乘上一个系数。2物镜和目镜：，（1）物镜：物镜是显微镜中最重要的零件，它具有四个重要的性能。放大率物镜的放大倍数是指物镜独自放大事物若干倍的能力。当它与目镜配合时， 二者放大倍数的乘积才是显微镜的放大倍数。但应注意，物镜上所刻的放大倍数就是指在一 定光学镜筒长度（显微镜设计时规定的）时的放大倍数。因此若将一台显微镜上的物镜按在 另一台光学镜筒长度不一样的显微镜上，那它的放大倍数就不是刻在该物镜上的放大倍数了数值孔径数值孔径的大小表示物镜聚光能力的强弱。数值孔径大的物镜，聚光能力 强，从试样上反射而进入