金相实验报告
目录
一、实验步骤及原理 1
（一）磨样 1
方式 1
工序 1
磨制方法 2
（二）抛光 2
机械抛光 2
1. 原理 2
2．分类 3
3.操作 3
（三）腐蚀 4
1.概述 4
2.目的 4
3.化学侵蚀法的原理 4
4.进一步腐蚀的方法 5
5.操作步骤 5
（四）拍照 5
二、金相显微镜的原理、构造及使用 5
1、原理 5
2、构造 6
3、使用 6
（五）硬度测试 7
1.硬度 7
2.洛氏硬度 7
3.布氏硬度 8
4.显微硬度 8
三．实验结果 9
（一）金相照片 9
（二）硬度值 9
四.参考资料来源 10
一、实验步骤及原理
磨样---抛光---腐蚀---拍照---分析
观察宏观硬度HB,HRC
观察显微硬度
（一）磨样
l 方式：
手工磨和机械磨
l 工序：
粗磨和细磨
粗磨 — 获得一个平整的表面
细磨 — 消除磨痕
A:粗磨
粗磨的目的是为了整平试样，并磨成合适的外形。粗磨一般在砂轮机上进 图1. 试样磨痕示意图 （1）
行。对很软的材料，可用锉刀锉平。使用砂轮机粗磨时，必须注意接触压力不可过大，若压力过大，可能使砂轮碎裂造成人身和设备事故，同时极易使磨面温度升高引起组织变化，并且使磨痕加深，金属扰乱层增厚，给细磨抛光带来困难。粗磨时需冷却试样，防止受热而引起组织变化。粗磨后需将试样和双手清洗干净，以防将粗砂粒带到细磨用的砂纸上，造成难以消除的深磨痕。
B:常规细磨方法
细磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一个工序——抛光做准备。常规的细磨有手工磨光和机械磨光两种方法。手工磨光是用手握持试样，在金相砂纸上单方向推移磨制，拉回时提起试样，使之脱离砂纸。细磨时可以用水作为润滑剂。我国金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号等几种(表2-2)。细磨时，依次从粗到细研磨，即从01号磨至05号；每次换下一道砂纸之前，必须先用水洗去样品和手上的砂粒，以免把粗砂粒带到下一级的细砂纸上去。同时要将试样的磨制方向调转90°，即本道磨制方向与上一道磨痕方向垂直，以便观察上一道磨痕是否全部消除。
图2. 磨样操作图 （1）
为加快磨制速度，减轻劳动强度，可在转盘上贴有水砂纸的预磨机上进行机械磨光。水砂纸按粗细有200号、300号、400号—900号等。磨制时由200号开始，逐次磨到900号砂纸，磨制时要不断加水冷却。每换一道砂纸，必须用水将试样冲洗干净，并将磨制方向调换90°。
l 磨制方法
l 砂纸平铺在玻璃板上，一手按住砂纸，另一手握住试样，使试样磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制。
l 磨制以“单程单向”方式重复进行。
l 在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并使试样的磨制方向调转90°。
l 砂纸—粗砂纸—1号-01-02-03-04
图3. 抛光试样表面
（二）抛光
抛光的目的是除去细磨后留下的细微磨痕，使试样表面成为光滑无痕的镜面。常用的抛光方法有：机械抛光、电解抛光、化学抛光。
l 机械抛光
1. 原理
机械抛光的原理是利用抛光微粉的磨削、滚压作用，把金相试样表面抛成光滑的磨面。机械抛光在抛光机上进行。常用的抛光机上装有一个或多个电动盘（直径约为200—250mm），盘上铺以抛光布，由电动机带动的水平抛光盘的转速一般为300—500转/分，这次试验我们所用的机器是300转/分。目前国产金相抛光机有单盘P—1型、双盘P—2型两种，均由电动机（0.18kW）带动抛光盘旋转，转速为350r/min。抛光盘用铜或铝制成，直径为200~250mm。
图4. 抛光机
2. 分类
机械抛光可分为粗抛与精抛两个步骤。粗抛的目的是尽快除去磨光时的变形层。常用的磨料为10—20mm的Al2O3、Cr2O3或Fe2O3微粉，加水配成悬浮液后使用。而精抛的目的是除去粗抛产生的变形层。常用抛光微粉的性能和用途见表2-3。
表1 常用抛光微粉的种类、性能及用途
抛光时应将试样的磨面均匀、平正地压在旋转的抛光盘上，并将试样从中心至边缘往返移动。压力不宜过大，抛光时间也不宜过长，一般情况下抛光3—5分钟即可。抛光时需向抛光盘上不断滴注抛光液，以产生磨削和润滑作用。当磨痕全部消除而呈现镜面时，停止抛光。用净水把试样冲洗干净，再用软布或棉花拭干，或用风筒吹干，然后进行浸蚀。
3. 操作
1. 将试样磨面均匀地、平整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。
2.抛光时间不宜过长，磨面上磨痕全部消除而呈光亮的镜面后，即
可停止抛光。
3.抛光后的试样用水冲洗干净，然后进行侵蚀。
图5. 磨制和抛光表面对比
（三）腐蚀
1.概述
金相样品制备中的一道工序，有2种方法：化学腐蚀法和电解腐蚀法。常用的方法是化学侵蚀法，其优点是显示全面，操作便捷，经济便宜，重现性好，因此在生产及科研中广泛应用。
2.目的
腐蚀前：试样表面是平整光亮、无痕的镜面，至于金相显微镜下观察时，除能见到非金属夹杂物、孔洞、裂纹、石墨和铅青铜中的铅质点以及极硬相在抛光时形成的浮凸外，仅能看到光亮一片，看不到显微组织。
腐蚀后： 各组织间、晶界和晶内产生一定的衬度，金属组织得以显示。
3.化学侵蚀法的原理
纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射进入物镜的光线不同，可看到明暗不同的晶粒。
两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。两个组成相具有不同的电极电位，在腐蚀剂中，形成极多微小的局部电池。具有较高负电位的一相成为阳极，被溶入电解液中而逐渐凹下去；具有较高正电位的另一相为阴极，保持原来的平面高度。因而在显微镜下可清楚地显示出合金的两相。
图6. 纯铁组织显示原理图。
在显微镜下观察时，光线在晶界处被散射，不能进入物镜而显示出黑色晶界；在晶粒平面上的光线则散射较少，大部分反射进入物镜呈现亮白色的晶粒。
纯铁的显微组织，黑色为晶界，明亮色为晶粒。
4.进一步腐蚀的方法
选择腐蚀法：在腐蚀过程中腐蚀剂对各个相有不同程度的溶解。必须适用合适的腐蚀剂，如果一种腐蚀剂不能将全部组织显示出来，就应采取两种或更多的腐蚀剂依次腐蚀，使之逐渐显示出各相组织。
薄膜染色法：利用腐蚀剂与磨面上各相发生化学反应，形成一层厚薄不均的膜(或反应沉淀物)，在白光的照射下，由于光的干涉使各相呈现不同的色彩，从而达到辨认各相的目的。
5.操作步骤
针对低合金我们使用化学侵蚀剂为硝酸酒精溶液。
1. 将以抛光好的试样用水冲洗干净，用酒精擦掉表面残留的脏物
2. 将试样磨面滴上腐蚀剂，抛光的磨面逐渐失去光泽
3. 待试样腐蚀合适后马上用水冲洗干净，用吹风机吹干试样磨面，即可放在显微镜下 观察
（四）拍照
利用金相显微镜来拍试样表面的金相图，从而观察并分析金相组织。这种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，是研究工程材料内部组织结构的主要方法。金相显微镜的作用十分重要，因此下面将详细介绍它的原理、构造及使用方法。
二．金相显微镜的原理、构造及使用
1、原理
(2)
图7. 金相显微镜光学原理图
物体AB位于物镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立的放大实像A`B`，这个像位于目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实像再放大成虚像A``B``，其位于观察者的明视距离处（距人眼250mm），供人眼观察。
经过物镜和目镜的两次放大，那么人眼观察到的像的放大倍数M即为物镜的放大倍数M1与目镜的放大倍数M2的乘积。由于在成像的过程中，物镜处在前一级放大，那么物镜不能鉴别的组织中的细微部分，目镜也是鉴别不到的。
2、构造
金相显微镜的类型很多，有台式的、卧式的等，但无论是哪种类型，它们都是由光学系统、照明系统、机械系统和附件等部分构成。下面一一介绍：
光学系统：由光源、反光镜、物镜组、目镜及多组聚光镜组组成。
显微镜的光学系统主要由物镜和目镜组成，由物体来的光线通过物镜和目镜进行放大成像。物镜是显微镜最主要的光学部件。物镜的好坏直接影响显微镜放大后的影像质量。位于物镜最前端的是平面透镜。称为前透镜，起放大作用，在它以后的其他透镜都是校正透镜，用以校正前透镜所引起的各种像差。物镜有三个重要的性能指标，下面一一介绍：
放大率： 它是指物镜独立放大实物倍数的能力，它取决于物镜前透镜的焦距。焦距越短，放大倍数越高。
数值孔径： 它表示物镜的聚光能力。数值孔径大的物镜聚光能力强，从实物射入物镜的光线多，成像就鲜明。常用N·A表示，N·A＝η·sinΦ，式中Φ为孔径角的一半，η为介质的折射率。
鉴别率： 指物镜分清最细微组织的能力，它是物镜最重要的特征。最小距离d，可由下式求得 
（λ代表入射光源的波长；N*A代表数值孔径）。
目镜的主要作用是将物镜放大的实像再次放大。当显微观察时，人眼能在明视距离处看到经目镜再次放大的虚像。
目镜的构造比物镜简单的多，仅由为数不多的几片透镜组成，由于通过目镜的光束近于平行，目镜的像差并不严重，孔径角也小，所以目镜的鉴别能力低，放大倍数也不高。目镜的类型、规格等也常以文字符号标注在目镜的外壳上，实验中常用的目镜为10、12.5、15、10（带有刻度尺的）等几种，其所示的数字即为目镜的放大倍数。
照明系统：由安装在底座上的低压灯泡（光源）、滤色片、孔径光栏、视场光栏、照明器和聚光镜组成。
金相显微镜与生物显微镜不同，它是利用反射光将不透明的物体进行放大成像的。金属试样不透明，需要有照明装置。将光线投射在试样表面，借金属表面本身的反射能力，使部分光线被反射而进入物镜，从而形成一个倒立的实像，随后在目镜中形成一个虚像。
机械系统：由载物台、物镜转换器、目镜筒、粗调和微调手轮、视场光栏和孔径光栏组成。
附件：主要包括显微摄影装置，偏光、暗场装置等
3、使用
（1）一手握住灯座，一手转动压有直纹的偏心圈，使二者红色标点相对应，此时即可抽出灯座，更换灯泡或检查灯泡外表是否清洁，安装是否妥当，然后将灯座再插入底座内，4型金相显微镜用6V15W低压钨丝灯泡。
（2）灯泡电线与电源变压器次级相联，将变压器与电源相接，开亮灯泡。
（3）选用适当的载物台，将试样放在载物台上。
（4）按检验需要，选择物镜和目镜，并把它们分别装在物镜转换器上和目镜筒内。
（5）缩小视场光栏，利用调节螺钉，使视场光栏中心与目镜视场中心大致重合，然后再打开视场光栏，使其恰好消失于目镜视场之外。
（6）调节孔径光栏使其直径在10mm左右，在其玻璃面放置一磨沙滤色片或一绘图纸，移动或转动灯座以调节灯泡位置，使孔径光栏获得最明亮均匀的照明，此时转动偏心圈将灯座固定。
（7）根据观察要求和物镜特性，调节孔径光栏大小。
（8）调节粗动调焦手轮，先使物镜与试样距离约1~2mm。然后从目镜中观察，当镜筒中调节的亮度最大或出现模糊像时，再用微动调焦手轮仔细调焦，直到物像清晰位置。
（五）硬度测试
1.硬度
金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力，硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。
2.洛氏硬度
（1）原理
用一个圆锥角为120度的金刚石圆锥体或一定直径的硬质合金球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。
图
图8. 洛氏硬度原理图
（2）实验器材：洛氏硬度计
图9. 洛氏硬度计
（3）应用举例
HRA：硬质合金，硬化薄钢板，表面薄层硬化钢
HRB：低碳钢，铜合金，铁素体可锻铸铁
HRC：淬火钢，高硬度铸件，珠光体可锻铸铁
（4）优缺点
优点：操作迅速简便，压痕较小，适宜成品检验。可以各种金属材料的硬度，也可以测量较薄工件或表面薄层的硬度。
缺点：压痕面积较小，所测硬度值的代表性差，重复性差，分散度较大。
3.布氏硬度
（1）原理
用一定大小的试验力F，把直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d (mm)，根据 d 从已备好的布氏硬度表中查出HB值。
图10. 布氏硬度原理图
（2）实验器材:布氏硬度计
图11. 布氏硬度计
（3）适用范围
布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁，轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。
（4）优缺点
优点：硬度值代表性全面，压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均性能。试验数据稳定，数据重复性强。
缺点：压痕面积较小，所测硬度值的代表性差，重复性差，分散度较大。
4.显微硬度
（1）原理
显微硬度试验原理和布氏硬度相同，所不同的是显微硬度试验的压头不是球体，而是两相对面间夹角为136°金刚石四棱锥体。我们可以根据压痕的对角线的距离直接读出硬度值
（2）试验器材：显微硬度计
图12. 显微硬度计
（3）应用举例
可测定金属箔，极薄的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。
（4）优缺点
优点：试验力可任意选取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为精确。
缺点：硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此工作效率比较低。
三．实验结果
（一）金相图
1. 45号钢（退火处理）
(一) ´100 （二） ´500
2. 铸铁
（一） ´100 （二） ´500
3. 45号钢（淬火处理）
（一） ´100 （二）´500
（二）硬度值
四 参考资料来源
(1) http://wenku.baidu.com/view/39559716a21614791711286a.html
(2) http://wenku.baidu.com/view/4a736137a32d7375a4178051.html?from=rec&pos=0&weight=10&lastweight=5&count=5
(3) 硬度测试原理摘自：《工程材料力学性能》 合肥工业大学 束德林主编