工程材料与热加工
实验指
导
书
襄樊学院机械与汽车工程学院
机械基础教研室
实验一 硬度实验
一、实验目的
1、了解布氏硬度计、洛氏硬度计、里氏硬度计的主要构造及操作方法。
2、初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、里氏硬度值的测定方法。
3、初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系和热处理能改变材料硬度的概念。
二、实验概述
硬度试验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。因此，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性、冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。
目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。其中以布氏硬度和洛氏硬度应用最广。它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。
1、布氏硬度
布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷F的作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径为d的压痕。计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。但实际试验时都是用读数显微镜测出压痕直径d，再根据d值，查对照表得出所测的硬度值。
当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料。
在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D、施加载荷F和载荷保持时间。
布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。但因压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。
2、洛氏硬度
洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm
的钢球为压头，在先后两次截荷（初载荷与主载荷）作用下，压入被测试金属表面，然后卸除主截荷，在保留初载荷情况下，测出由主截荷引起的塑性变形的压力深度h，再由h值确定洛氏硬度值。h值愈大时，被测试金属的洛氏硬度值愈低；反之，则愈高。在实际试验时，都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。
洛氏硬度试验时，可用不同压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC适用于测量硬度值高于230HBS的较硬金属；HRB适用于测量硬度值低于230HBS的较软金属；HRA适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。
洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，可以测定成品或较薄金属的硬度，故目前生产上应用广泛。
退火状态碳钢的硬度一般是随着含碳量的增加而逐渐增加。
3、里氏硬度
●工作原理
用规定质量的冲击体在弹力作用下，以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。计算公式如下：
HL＝1000×VB/VA
式中：HL——里氏硬度值
VB——冲击体回弹速度
VA——冲击体冲击速度
●适用范围
碳钢、铸铁、合金钢
●主要用途
已安装的机械或永久性组装部件。
模具型腔。
重型工件。
压力容器、汽轮发电机组及其设备的失效分析。
试验空间很狭小的工件。
轴承及其它零件。
要求对测试结果有正规的原始记录。
金属材料仓库的材料区分。
大型工件大范围内多处测量部位的快速检验。
三、实验设备及注意事项
1、布氏硬度计
布氏硬度试验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。常见的布氏硬度计有液压式和机械式两大类。用机械式布氏硬度计试验时，先将试样放在工作台上，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升至试样与压头接触，并在手轮打滑后，再开动电动机，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆与摇杆向下运动，此时压头在砝码通过大杠杆、小杠杆及压轴作用下，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动摇杆上升而卸除载荷。在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测出压痕直径d，根据d的大小查表即可求得布氏硬度值。
2、洛氏硬度实验注意事项
（1）清理试样表面。被测表面应无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物。
（2）根据试样材料选择压头及载荷。根据试样形状选择合适的工作台。工作台表面、试样的支承面和压头表面均应清洁。
（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按洛氏硬度计的操作顺序进行试验，试验中心必须保证载荷平衡地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。然后由指示器上读得硬度值并作好记录。
（4）移动试样，并在另一位置继续进行试验，两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不得小于3mm，前后共测三点，计算后两次试验得出硬度值的平均值，并作好记录。
3、里氏硬度计使用前的准备和检查
（1）在制备试样表面过程中，应尽量避免由于受热、冷加工等对试样表面硬度的影响。
（2）被测表面过于粗糙，则会引起测量误差。因此，试样的被测表面必须露出金属光泽，并且平整、光滑、不得有油污。
（3）曲面：试样的试验面最好是平面。当被测表面曲率半径R小于30mm的试样在测试时应使用小支承环或异型支承环。
（4）试样应有足够的厚度
四、实验材料
五、实验步骤
1、布氏硬度试验
（1）清理试样表面。被测表面应是无氧化皮及外来污物的光洁平面，以保证能准确测量压痕直径。
（2）根据试样材料及厚度，按布氏硬度试验规范选择钢球压头的直径、载荷大小及截荷保持时间。
（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作顺序进行试验，使试样表面留下一个压痕。试验时，应使载荷均匀平衡地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。
（4）移动试样后重做一次试验，使试样表面又留下一个压痕。为了使实验结果精确，相邻两压痕的中心距离应不小于压痕直径的4倍；压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍；压痕直径d的大小应在0.24D～0.6D范围内；压痕深度应小于试样厚度的1/10。
（5）自工作台上取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压痕直径，然后计算其平均值并做好记录。
（6）根据压痕直径d，查对照表求得各试样的布氏硬度值。
2、洛氏硬度试验步骤
（1）硬度计试验程序HBRV－187.5型
（2）将机身后端电源插头接上电源后，打开机身右侧下方的光源开关，使在投影屏上能看到清晰的影像。
（3）根据试验要求选用压头（120°金刚石圆锥 HRC），并将压头安装在主轴的孔中，安装时应使压头的肩部与主轴端面紧密接触，然后适当拧紧紧固螺钉。
（4）根据试验需要选择试验负荷（150kg HRC），转动机身右侧的变换旋钮，使所需负荷数字对正标记。
（5）将手柄推向后方，然后将试样放在工作台上，转动手轮使试样的试面与压头接触，继续转动手轮，使试样升高，直到投影屏上的基线与左边刻度“100”接近重合。
（6）旋转投影屏下的调整旋钮，使分划板上的刻度100与投影屏横线重合。
（7）拉动手柄，使主负荷缓慢施加在试样上，投影屏上的刻线慢慢回行而停止在一定位置。
（8）将手柄推向后方，使主负荷卸除，此时投影屏上横线对准标尺的数字，即为洛氏硬度值（左边读HRC）。
3、里氏硬度实验
（1）装打印纸
●用拇指和中指轻轻捏住打印仓盖两端的长条棱状凸起部位，稍稍用力使打印仓盖向上旋起。向前上方按打印机搬把，使出纸口抬起并处于打开状态。
●向打印仓中装入打印纸，拉起打印纸并对准朝向打印仓一端的出纸口并装入。
（2）启动
●将冲击装置插头插入位于仪器上的冲击装置插口。
●按键接通电源，仪器进入测量状态。
（3）加载
●向下推动加载套锁住冲击体；对于DC型冲击装置，则可将加载杆吸于试验表面，将DC型冲击装置插入加载杆，直到停止位置为止，此时就完成加截。
●将冲击装置支承环紧压在试样表面上，冲击方向应与试验面垂直。
（4）测量
●按动冲击装置上部的释放按钮，进行测试。此时要求试样、冲击装置、操作者均稳定，并且作用力方向应通过冲击装置轴线。
●试样的每个测量部位一般进行五次试验。数据分散不应超过平均值的±15HL。
（5）读取测量值
（6）打印输出结果
（7）按键关机
六、实验报告
（1）洛氏硬度数值
（2）里氏硬度试验结果处理
用五个有效试验点的平均值作为一个里氏硬度试验数据。
TH160里氏硬度计
（3）分析碳钢的含碳量与硬度间关系，并画出其关系曲线图。
（4）分析热处理对硬度的影响
（5）比较各种硬度计的原理及适用范围。
实验二 碳钢的平衡组织分析及热处理后的组织识别
一、实验目的
①了解金相试样的制备过程及金相显微镜的使用。
②识别碳钢平衡组织的显微特征并分析成份对组织的影响。
③明确化学成分与组织变化间的关系，加深对Fe－Fe3C相图的理解
④识别碳钢热处理后的显微组织特征及其相与组织组成物的分布规律。
二、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的制备。试样制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。
1、取样
取样部位及观察面的选择，必须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因素来确定。
例如，研究铸造合金时，由于它的组织不均匀，应从铸件表面、中心等典型区域分别切取试样，全面地进行金相观察。
研究零件的失效原因时，应在失效的部位取样，并在完好的部位取样，以便作比较性的分析。
对于轧材，如研究材料表层的缺陷和非金属夹杂物的分布时，应在垂直轧制方向上切取横向试样；研究夹杂物的类型、形状、材料的变形程序、晶粒被拉长的程度、带状组织等，应在平行于轧向切取纵向试样。
在研究热处理后的零件时，因为组织较均匀可自由选取断面试样。对于表面热处理后的零件，要注意观察表面情况，如氧化层、脱碳层、渗碳层等。
取样时，要注意取样方式，应保证不使试样被观察面的金相组织发生变化。对于软材料可用锯、车等方法；硬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），可用锤击；大件可用氧气切割，等等。
试样尺寸不要太大，一般以高度为10mm～15mm，观察面的边长或直径为15mm～25mm的方形或圆柱形较为合适。
2、镶样
一般试样不需镶样。尺寸过于细小，如细丝、薄片、细管或形状不规则，以及有特殊要求（例如要求观察表层组织）的试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来。
镶样方法很多，有低熔点合金的镶嵌、电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌、夹具夹持法等。目前一般多用电木粉镶嵌，采用专门的镶样机。用电木粉镶嵌时要加一定的温度和压力，这可使马氏体回火和软金属产生塑性变形。在这种情况下，可改用夹具夹持法。
可以用环氧树脂加凝固剂来镶嵌试样，其配方如下：环氧树脂100g,磷苯二甲酸二丁脂20g,乙二胺20g。但必须停留7h～8h后方可使用。
3、磨制
1）粗磨
软材料（有色金属）可用锉刀锉平。一般钢铁材料通常在砂轮机上磨平，磨样时应利用砂轮侧面，以保证试样磨平。打磨过程中，试样要不断用水冷却，以防温度升高引起试样组织变化。另外，试样边缘的棱角如没有保存的必要，可最后磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时划砂纸或抛光布。
2）细磨
细磨有手工磨和机械磨两种。手工磨是用手拿持试样，在金相砂纸上磨平。我国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号磨至05号。必须注意，每更换一道砂纸时，应将试样的磨制方向调转90°，即与上一磨痕方向垂直，以便观察上一道磨痕是否被磨去。另外，在磨制软材料时，可在砂纸上涂一层润滑剂，如机油、汽油、甘油、肥皂水等，以免砂粒嵌入试样磨面。
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200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号等。用水砂纸磨制时，要不断加水冷却，由200号逐次磨到900号砂纸，每换一道砂纸，将试样用水冲洗干净，并调换90°方向。
4、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。
1）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200r/min～600r/min。抛光盘上旋转不同材质的抛光布。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Al2O3、MgO或Cr2O3等粉末（粒度约为0.3μm－1μm）在水中的悬浮液（每升水中加入Al2O3粉末5g～10g），或在抛光盘上涂以由极细金刚石制成的膏状抛光剂。抛光时应将试样磨面均匀地、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，试抛光即可停止。样用水冲洗干净，然后进行侵蚀，或直接在显微镜下观察。
2）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匀的薄膜。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此，因此突出部分电流密度较大，溶解较快，于是，试样最后形成平坦光滑的表面。
3）化学抛光
化学抛光的实质与电解抛光相类似，也是一个表层溶解过程，但它完全是靠化学溶剂对于不均匀表面所产生的选择性溶解来获得光亮的抛光面的。它操作简便，抛光时将试样浸在抛光液中，或用棉花沾取抛光液，在试样磨面上来回擦洗。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。
除观察试样中某些非金属夹杂物或铸铁中的石墨等情况外，金相试样磨面经抛光后，还须进行浸蚀。常用化学浸蚀来显示金属的显微组织。对不同的材料，显示不同的组织，可选用不同的浸蚀剂。
浸蚀时可将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾浸蚀剂擦试表面。浸蚀的深浅根据组织的特点和观察时的放大倍数来确定。高倍观察时，浸蚀要浅一些，低倍略深一些。单相组织浸蚀重一些，双相组织浸蚀轻些。一般浸蚀到试样磨面稍发暗时即可。浸蚀后用水冲洗。必要时再用酒精清洗，最后用吸水纸（或毛巾）吸干，或用吹风机吹干。
三、金相显微镜的基本原理及使用
1、金相显微镜的基本原理
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）金相显微镜的放大倍数
放大倍数由下式来确定：
式中M——金相显微镜放大倍数；
——物镜的放大倍数；
——目镜的放大倍数；
——物镜的焦距；
——目镜的焦距；
L——金相显微镜的光学镜筒长度；
D——明视距离（250mm）
、越短或L越长，则金相显微镜的放大倍数越大。在使用时，显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积。
2）金相显微镜的鉴别率
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0.15mm～0.30mm，即人眼的鉴别率d为0.15mm～0.30mm，而显微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21μm。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。
显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜无关，光线的波长可通过滤色片来选择，蓝光的波长（λ＝0.44μm）比黄绿光（λ＝0.55μm）短，所以鉴别率较黄绿光的大25％。当光线的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径来调节显微镜的鉴别率。
3）物镜的数值孔径
数值孔径A表示物径的集光能力。
A＝nsinφ
式中 n——物镜与试样之间介质的折射率；
φ——物镜孔径角的一半
n越大或φ角越大，则A越大。由于φ总是小于90°的，所以在空气介质（n＝1）中使用时，A一定小于1，这类物镜称干系物镜。
当物镜与试样之间充满松柏油介质（n＝1.5时），A值最高可达1.4。这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）。每个物镜都有一个设计额定的A值，它标刻在物镜体上。
4）放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系
显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合。如45倍的物镜乘10倍的目镜或15倍的物镜乘30倍的目镜都是450倍，所以对于同一放大倍数，存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这里，应该首先确定物镜，然后根据计算选定目镜，并必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的500～1000倍之间，即
M＝（500～1000）A
这个范围称有效放大倍数范围。若M＜500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若M＞1000A，则造成虚伪放大，细微部分将分辨不清。
5）透镜成像的缺陷
（1）球面像差
当来自A点的单色光（即一定波长的光线）通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，而使放大后的像模糊不清。此现象称为球面像差。
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，适当控制入射光束粗细，减少透镜表面面积等方法，把球面像差降低到最低程度。
（2）色像差
白色光是由7种单色光组成，当来自A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。
消除色像差的方法，一是制造物镜时进行校正。根据校正程序，物镜可分为消色差物镜和复消色差物镜。消色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。
2、金相显微镜的构造
金相显微镜的种类和形式很多，但最常见的形式有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜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。有的显微镜还附带有照相摄影装置。现以国产XJP－3A型双目金相显微镜为例进行说明。
由灯泡发出一束光线经过聚光镜组1及反光镜，被会聚在孔径光栏上，然后经过聚光镜组2，再将光线聚集在物镜的后焦面上。最后光线通过物镜，用平行光照明样品，使其表面得到充分均匀的照明。从物体表面上散射的成像光线，复经物镜、辅镜物镜片1、半透反光镜、辅助物镜片2、棱镜，造成一个物体的放大实像。该像被目镜再次放大。
XJP－3A型双目金相显微镜采用倒置式。其优点是：结构紧凑，体积较小；重心低，安放稳定；目镜筒成45°倾斜，观察舒适。由于试样放在载物片上（试样被观察表面与截物片上表面重合），其观察面必然垂直于光轴，并且与试样高度无关，所以操作较方便。其各部分结构分述如下：
1）底座组
底座后端装有低压灯泡作为光源，利用灯座孔上面两边斜向布置的两个滚花螺钉，可使灯泡作上下和左右移动；转松压有直纹的偏心圈，灯座就可带着灯泡前后移动，然后转紧偏心圈，灯座就可坚固在灯座孔内。
灯前有聚光镜，反光镜和孔径光栏组成的部件，这组装置是照明系统的一部分，其余尚有视场光栏及另外安装在支架上的聚光镜。通过以上一系列透镜及物镜本身的作用，从而使试样表面获得充分均匀的照明。
2）调焦机构
粗动、微动调焦机构采用的是同轴式调焦机构。粗动调焦手轮和微动调焦手轮是安装在粗微动座的两侧，位于仪器下部。旋转粗动调焦手轮，能使载物台迅速地上升或下降，旋转微动调焦手轮，能使载物台作缓慢的上升或下降，这是物镜精确调焦所必需的。在粗调旋钮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。微动旋钮转动内部一组齿轮，使其沿着滑轨缓慢移动。在右侧旋钮上刻有分度，每小格表示微动升降2μm，估读值为1μm。镜体齿轮上刻有两条白线，相连支架上有一条白线，用以表示微动升降的极限位置。微调时不可超出这一范围。否则将会损坏机件。
3）物镜转换器
旋动转换器可使物镜镜头进入光路，转换器呈球面形，上面有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，用手指捏住转换器外圆，转动转换器，就可实现更换不同倍数的物镜，并与不同的目镜搭配使用，即获得各种放大倍数。
4）载物台
XJP－3型载物台采用的是手推式，方形（其前方带弧形）结构，与仪器主体协调。载物台连接面采用粘性油膜与托盘联结。用双手拇指和食指按住载物台两侧，轻轻用力推动，就可使载物台前后、左右在水平面上作一定范围的移动，以改变试样的观察部位。载物台与托盘之间有四方导架，目的是避免载物台滑出托盘之外。载物台上可安装试样压片组，用以压紧试样。XJP－3A双目金相显微镜采用的机械移动式载物台，使用更为方便。
5）物镜与目镜
XJP－3型双目显微镜是采用消色差物镜（40×为半平场消色差物镜）配合平场目镜（5×为惠更斯目鏡）可获得良好像质。XJP－3A型双目金相显微镜是采用的平场消色差物镜（100×为半平场消色差物镜）配合平场目鏡（5×为惠更斯目镜），像面平坦，像质更佳，观察更为舒适，摄影质量更高。XJP－3、XJP－3A型双目金相显微镜配的是双筒目镜组。
6）孔径光栏和视场光栏
孔径光栏装在照明反射镜座上面，刻有0～5分刻线，它表示孔径大小的毫米数。视场光栏装在物镜支架下面，可以旋转滚花套圈来调节视场光栏大小。在套圈上方有两个滚花螺钉，用来调节光栏中心。通过调节孔径和视场光栏的大小，可以提高最后映像的质量。
表一中列出了XJP－3A型金相显微镜的物镜和目镜不同配合情况下的放大倍数。
表一 XJP－3A型金相显微镜的放大倍数
3、显微镜使用注意事项
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，自觉遵守实验室的规章制度和操作程序。
1）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。
2）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。
3）照明灯泡电压一般为6V。必须通过降压变压器使用，千万不可将其灯炮插入直接插入220V电源，以免烧毁灯泡。
4）操作要细心，不得有粗暴和剧烈的动作。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。
5）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。
6）使用时如出现故障应立即报告老师，不得自行处理。
7）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。
四、实验原理及概述
认识铁碳合金的平衡组织是分析鉴别钢铁材料质量及性能的基础，所谓平衡组织是指铁碳合金以极为缓慢的冷却速度冷至室温所得到的组织，在一般工业生产及实验条件下，经退火的碳钢组织可以看成是平衡组织。
由Fe－Fe3C相图可以看出，铁碳合金的室温平衡组织组成物有铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体而组成相主要是铁素体，渗碳体（含Fe3CI、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fe3C共晶、Fe3C共析等五种）两个基本相。对于含碳量不同的铁碳合金，由于铁素体和渗碳体的析出条件、质量分数、形态与分布都不同，从而使其经WHNO3＝4％的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下表现出不同的显微形貌。
1、碳钢及白口铁中的基本相及组成物的显微形貌。
（1）铁素体 在亚共析钢的成分范围内，含碳量较低时铁素体呈白色的块状若Wc≈0.6%，则铁素体会由白色块状变成白色的断续网状。
（2）渗碳体 一次渗碳体呈白色条带状分布在莱氏体之间；二次渗碳体是从奥氏体晶界上析出的，当奥氏体转变成珠光体后，二次渗碳体便呈白色（或黑色）连续网状分布在珠光体边界上；三次渗碳体分布在铁素体上会变成黑褐色，铁素体仍呈白色。这样就可以区分铁素体和渗碳体。
（3）珠光体 在珠光体中铁素体和渗碳体都为片层状，因两者的边界易腐蚀，在显微镜分辨率较低的情况下，看到的只是较密的黑条与白条相间排布的形貌（称层状珠光体），若放大倍率较低，条间分不清楚，珠光体就表现为黑色的块状。
（4）莱氏体 室温下，莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物，渗碳体含Fe3C共晶及Fe3CⅡ两者没有边界，连成一体，呈白亮色的基体，珠光体则呈黑色的点状，短条状及小块状。
2、灰铸铁的显微形貌
灰铸铁的显微组织可根据其基体与石墨的形态来鉴别，灰铸铁的基体有铁素体基，珠光体基及铁素体十珠光体基三类，石墨的形态主要有片状，球状及团絮状几种。
①普通灰铸铁 普通灰铸铁基体有铁素体，铁素体十珠光体，珠光体，其石墨为片状。
②球墨铸铁 球墨铸铁基体也有三类，与普通灰铸铁相同，其石墨为球状。
③可锻铸铁 可锻铸铁基体为铁素体，珠光体两类，其石墨为团絮状。
五、各种金属材料的组织及分析
1、碳素钢室温下平衡组织及分析
①亚共析钢：20钢，45钢
a、材料：20钢 状态：退火 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：20钢在显微组织中，白色块状为铁素体，暗色的层片状为珠光体，组织的组成物铁素体和珠光体的质量分数依照杠杆原理分别为
F%=74.1%
P%=25.9%
相组成物为F和Fe3C，其质量分数分别为：
F％＝97％
Fe3C％＝3％
b、材料：45钢 状态：退火 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：黑色块状部分为珠光体，白色块状部分为铁素体，组成物铁素体和珠光体的质量分数为：
F%＝41.6% P%＝58.4%
②共析钢
材料：T8钢 状态：退火 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：片状为珠光体，即铁素体与渗碳体成层片状相间排列，形如指纹，室温下组织组成物为珠光体，则P％＝100％，相组成物为铁素体和渗碳体，质量分数分别为：
F%＝88.5% Fe3C%＝11.5%
③过共析钢
材料：T12 状态：退火 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：基体为片状珠光体，晶界上的白色网状为二次渗碳体（由于放大倍数低，片状珠光体未能显示出来），组织组成物为Fe3CⅡ和P，其质量分数分别为：
Fe3CⅡ％＝7％ P％＝93％
2、碳钢热处理组织
①材料：45钢 状态：调质（淬火＋高温回火） 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：回火索氏体在白色铁素基体上分布着细小的线黑色片状渗碳体。
②材料：T12钢 状态：淬火后低温回火 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：回火马氏体及残余奥氏体
③材料：20钢 状态：渗碳 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：低碳钢经渗碳后表层含碳量增高，成为过共析成份，在该层组织中，白色网络状都分为二次渗碳体，黑色部分为片状珠光体，由表层向里，含碳量逐渐降低，组织为共析组织，并过渡到亚共析组织，再向里即为原材料20钢的组织。
3、铸铁组织观察
①材料：灰口铸铁（HT） 状态：铸态 浸蚀剂：4％销酸酒精溶液
组织及说明：在线黑色细片状珠光体上分布着片状石墨
②材料：球墨铸铁（QT） 状态：铸态 浸蚀剂：4％硝酸酒精溶液
组织及说明：在白色铁素体及浅黑色珠光体基体上分布着球状石墨
4、其它材料组织说明
六、实验报告
分析讨论合金成份、组织、性能间的关系。
1、绘出碳素钢室温下平衡组织，并标注材料名称、状态、浸蚀剂、放大倍数和组织说明（用箭头标明图中各个组成物的名称）
亚共析钢： 20钢 45钢
共析钢： T8
过共析钢 T12
2、碳钢在热处理状态下的组织特征及性能分析。
3、珠光体组织在低倍观察和中倍观察时有何不同？为什么?
实验三 碳钢的热处理
一、实验目的
（1）了解普通热处理（退火、正火、淬火、回火）的方法。
（2）分析碳钢热处理时的冷却速度及回火温度对其组织与硬度的影响。
（3）分析碳钢的含碳量对淬火后硬度的影响。
（4）观察碳钢在普通热处理后的组织，并识别其组织特征。
（5）加深认识碳钢的成分、热处理工艺与其组织、性能间的关系。
二、实验概述
钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温与冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。普通热处理有退火、正火、淬火及回火等。
（一）碳钢热处理工艺
1、加热温度
碳钢普通热处理的加热温度，在生产中，应根据工件实际情况作适当调整。
热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大，氧化，脱碳严重，变形、开裂倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求。
2、加热时间
热处理的加热时间（包括升温时间与保温时间）与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。在实验室中，通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：
t=α×D式中 t ――加热时间（min） α――加热系数（min/mm）
D――工件有效厚度（mm）
当碳钢工件的有效厚度D≤50mm，在800-960℃箱式电阻加热炉中加热时，α＝1-1.5（min/mm）。
回火的保温时间，要保证工件穿透加热，并使组织充分转变。组织转变时间一般不大于0.5h，但穿透加热时间则随回火温度、工件有效厚度、装炉量及加热方式而异。生产中，一般为1-3h。由于实验所用试样较小，故可用0.5h。
3、冷却方法
钢退火一般采用随炉冷却到600℃以下再出炉空冷。正火采用空气中冷却。淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内（650-500℃）的冷却速度应大于马氏临界冷却速度，以保证工件不转变为珠光体型组织；而在Ms附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。对形状简单的单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。回火一般在空气中冷却。
（二）碳钢热处理后的组织与性能
1、珠光体型组织
它是过冷奥氏体高温（Ar1与C曲线鼻尖）转变的产物。随奥氏体冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、托氏体。它们都是铁素体与渗碳体的层状细密混合物，但铁素体与渗碳体片层间距离依次变小，使强度和硬度递增。由于正火的冷却速度较快，过冷度较大，因而发生了伪共析转变，使组织中珠光体量增多，片层间距减小。托氏体是极细珠光体，在光学金显微镜下不能分辨其层状形态，易浸蚀成黑色团絮状。
2、贝氏体型组织
它是过冷奥氏体中温（C曲线鼻尖至Ms处）转变的产物。上贝氏体与下贝氏体是同含碳过饱的铁素体与渗碳体组成的两相混合物。上贝氏体在光学显微镜下呈羽毛状。下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针片状。下贝氏体的性能与上贝氏体相比较，它不仅具有较高的硬度、强度与耐磨性，而且下贝氏体的韧性与塑性均高于上贝氏体。
3、马氏体组织
它是过冷奥氏体低温（Ms以下）转变的产物。马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体。低碳马氏体组织呈板条状，它不仅具有较高的强度与硬度，同时还具有良好的塑性与韧性。高碳马氏体组织呈针片状，性能硬而脆。通常，共析钢和过共析钢在正常加热淬火后，得到的马氏体是很细小的，在光学显微镜下不易分辨出它的形态。
4、回火组织
淬火组织为马氏体（带有少量残余奥氏体）的碳钢，在低温回火后获得回火马氏体。它是由含碳过饱和的α固溶体与其共格的η碳化物组成。回火马氏体仍保留着原来马氏体的针片状或板条状形态，但由于在过饱和α固溶体上分布着大量高度弥散的η碳化物，使回火马低体比淬火状态马氏体容易被腐蚀，故在光学显微镜下呈暗黑色。回火马氏体性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。
中温回火获得回火托氏体。它是由尚未发生再结晶的铁素体与弥散分布的极细粒状渗碳体组成。这些极细的粒状渗碳体在光学显微镜下无法分辨，且因铁素体尚未再结晶，故仍保持原来马氏体形态。回火托氏体具有高的屈服点、弹性极限和较好的韧性。
高温回火得到回火索氏体，它是由已再结晶的铁素体与细粒状渗碳体所组成。由于铁素体已发生再结晶，故基本上已失去马氏体的形态。在放大500倍以上的情况下，可以看到渗碳体微粒。回火索氏体具有优良的综合力学性能。回火温度更高时，形成回火珠光体，它是由多边形铁素体和较大的粒状渗碳体组成，其光学显微组织形态与球化退化后的显微组织形态相似。
（三）碳钢含碳量对淬火后硬度的影响
在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。但碳的质量分散ωc>0.8％的钢，淬火后硬度增加不明显。
一般低碳钢淬火后，硬度在40HRC左右；中碳钢淬火后，硬度可达50-60HRC；高碳钢淬火后，硬度高达62-65HRC.
三、实验设备、用品及试样
（一）实验设备
（1）实验用可程式箱式电阻炉
（2）布洛维硬度计
（3）金相显微镜。
（二）实验用品
（1）淬火水槽
（2）淬火油槽
（3）夹钳、砂纸、手套等。
（三）实验试样
四、实验方法与步骤
（1）学生按实验组领取实验试样，并打上钢号，以免混淆。
（2）决定20钢、45钢的热处理加热温度与保温时间。调整好控温装置，并将三块20钢、45钢试样放入已升到加热温度的电炉中进行加热与保温后，分别进行空冷、油冷与水冷。最后，测定它们的硬度，并作好记录。
（3）首先测定三块淬火状态45钢的硬度，然后分别放入200℃、400℃、600℃的电炉中回火30min。回火后的冷却，一般可用空冷。测定回火后试样的硬度，并作好记录。
（4）各组将20钢、45钢分别按它们的正常淬火温度加热、保温后取出在盐水中冷却，然后测定淬火后硬度，并作好记录。
（5）观察钢热处理状态的金相试样的显微组织，识别其组织组分及形态特征，并绘出实验报告中指定的几中组织示意图。
五、实验注意事项
（1）往炉中放、取试样时，应先切断电炉的电源。开、关炉门要快，以免炉门打开时间过长而使炉温下降。
（2）往炉中放、取试样时，操作者应戴上手套，并使用夹钳，以防烧伤。夹钳必须擦干，不得沾有水或油。
（3）淬火冷却时，试样要用夹钳夹紧，动作要迅速，并要在冷却介质中不断搅动。夹钳不要夹在测定硬度的表面上，以免影响硬度值。
（4）淬火水槽温度应保持在20-30℃左右，水温过高应及时更换冷却水。
（5）测定硬度前，必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。每个试样应在不同部位测定三次硬度，计算后两次测得的平均值，并作好记录。
六、试验报告
1、钢加热奥氏体化后的冷却速度对其组织与性能的影响
（1）根据实验记录，填写上表。
（2）根据实验数据，说明钢加热奥氏体化后，冷却速度对钢组织与性能的影响。
2、回火温度对淬火钢组织、性能的影响
（1）根据实验记录，填写下表。
（2）根据实验数据，绘出回火温度与钢硬度的关系曲线，并联系组织，分析其性能变化的原因。
3、碳钢的含碳量对淬火后硬度的影响
（1）根据实验记录，填写下表。
（2）根据实验数据，绘出钢中含碳量与淬火后硬度间的关系曲线，并分析其原因。
4、各种热处理状态的显微组织及其形态特征，见下表：
