材料科學基礎i
實驗指導書
主編劉克家
參編陳錕，胡靜霞
課程：《材料科學基礎i》
適用專業：材料科學與工程
上海應用技術學院
2023年12月
目錄實驗一結晶過程的觀察 3
一、實驗目的 3
二、實驗裝置及材料 3
三、實驗原理 3
四、實驗步驟 5
五、注意事項 5
六、實驗報告要求 5
實驗二金屬表面滲鍍層的顯微組織觀察 6
一．實驗目的 6
二．實驗原理 6
三．實驗步驟 10
四．實驗報告要求 10
實驗三二元合金凝固組織觀察 11
一．實驗目的 11
二．合金中的基本組織特徵 11
三．實驗步驟 15
四．實驗報告要求 15
實驗四聚合物晶態結構的偏光顯微鏡觀察 17
一、實驗目的 17
二、實驗內容說明 17
三、實驗步驟 18
四、實驗報告要求 20
實驗一結晶過程的觀察
一、實驗目的
1．觀察透明鹽類的結晶過程及其晶體組織特徵。為理解、掌握金屬的結晶理論建立感性認識。
2．觀察具有枝晶組織的金相**及其有枝晶特徵的鑄件或鑄錠表面，建立金屬晶體以樹枝狀形態成長的直觀概念。
二、實驗裝置及材料
1．帶ccd的生物顯微鏡；
2．投影儀；
3. 接近飽和的氯化銨或硝酸鉛水溶液（由實驗室預先配製好）；
4．乾淨玻璃片、吸管；
5．電爐或電吹風；
6．有枝晶組織的金相**；
7．有枝晶的金屬鑄件實物。
三、實驗原理
晶體物質由液態凝固為固態的過程稱結晶。結晶過程亦為原子呈規則排列的過程，包括形核和核長大兩個基本過程。
由於液態金屬的結晶過程難以直接觀察，而鹽類亦是晶體物質，其溶液的結晶過程和金屬很相似，區別僅在於鹽類是在室溫下依靠溶劑蒸發使溶液過飽和而結晶，金屬則主要依靠過冷，故完全可通過觀察透明鹽類溶液的結晶過程來了解金屬的結晶過程。
在玻璃片上滴一滴接近飽和的氯化銨（nh4cl）或硝酸鉛[pb(no3)2]水溶液，隨著水分蒸發，溶液逐漸變濃而達到飽和，繼而開始結晶。我們可觀察到其結晶大致可分為三個階段：第一階段開始於液滴邊緣，因該處最薄，蒸發最快，易於形核，故產生大量晶核而先形成一圈細小的等軸晶，接著形成較粗大的柱狀晶。
因液滴的飽和程式是由外向裡，故位向利於生長的等軸晶得以繼續長大，形成伸向中心的柱狀晶。第三階段是在液滴中心形成雜亂的樹枝狀晶，且枝晶間有許多空隙（如圖1-1所示）。這是因液滴已越來越薄，蒸發較快，晶核亦易形成，然而由於已無充足的溶液補充，結晶出的晶體填不滿枝晶間的空隙，從而能觀察到明顯的枝晶。
圖1-1 中心雜亂的樹枝狀晶區(100×)
實際金屬結晶時，一般均按樹枝狀方式長大（如圖1-2 所示）。但若冷速小，液態金屬的補給充分，則顯示不出枝晶，故在純金屬鑄錠內部是看不到枝晶的，只能看到外形不規則的等軸晶粒。但若冷速大，液態金屬勢必補縮不足而在枝晶間留下空隙，其巨集觀組織就可明顯地觀察到樹枝狀晶。
某些金屬如銻鑄錠表面，即能清楚地看到枝晶組織，如圖1-3 所示。若金屬在結晶過程中產生了枝晶偏析，由於枝幹和枝間成分不同，其金相試樣浸蝕時，浸蝕程度亦不同，枝晶特徵即能顯示出來，見圖1-4。
圖1-2 樹枝晶生長圖（100×）
圖1-3 銻錠表面浮凸的樹枝狀晶圖1－4 鉛銻合金的顯微組織
四、實驗步驟
1．在乾淨玻璃片上，用吸管滴上一滴配製好的氯化鉸或硝酸鉛水溶液，液滴不宜太厚，否則因蒸發太慢而不易結晶。
2．將上述滴有溶液的玻璃片放在電爐上烘烤，或用電吹風吹，以加速水分蒸發。
3．將玻璃片置於生物顯微鏡下，從液滴邊緣開始觀察結晶過程，並畫下結晶過程示意圖。
4．觀察具有樹枝晶組織的金相**及鑄件實物（可用放大鏡）。
五、注意事項
1．溶液烘烤時間不宜過長，一般以肉眼觀察到邊緣稍許發白為宜。
2．實驗時應注意試樣的清潔，不要讓異物落入液滴內，以免影響結晶過程的觀察。更應注意不能讓液滴流到顯微鏡部件上，尤其不能讓它碰到物鏡，以免損壞顯微鏡。
六、實驗報告要求
1．簡述實驗目的。
2．繪出所觀察到的鹽類溶液結晶過程示意圖，並簡述結晶過程。
3．根據實驗，簡述枝晶成長過程並總結結晶規律。
實驗二金屬表面滲鍍層的顯微組織觀察
一．實驗目的
在金相顯微鏡下觀察滲硼和滲碳的滲層組織，並結合相圖進行組織分析。
二．實驗原理
滲碳是指為了增強工件表面的含碳量，將工件放入滲碳介質中加熱保溫，使碳原子滲入工件表層的表面處理工藝。
滲碳分為三個階段：
1. 分解活性碳原子階段
滲碳劑在920~950℃時，將產生分解，並析出活性碳原子。以氣體滲碳用的滲碳劑煤油為例，它熱分解後產生的各種氣體成分（如表2-1）。
表2-1 煤油熱分解後產生的氣體成分
表中cnh2n+2、cnh2n+2、co、co2等氣體都能起滲碳作用，它們在高溫下直接和鋼件的表面接觸，並進一步分解出活性強、滲入能力大的活性碳原子。滲碳時只有分解產生的碳呈原子態才具有滲碳能力，當碳以分子狀態存在時就失去了滲碳能力。
2. 吸收階段
如20低碳綱在高溫下轉變成單一的奧氏體組織時， 由於其周圍有大量活性碳原子，碳就會順利地滲入奧氏體中，並形成間隙固溶體。從鐵碳平衡相圖可知，鋼在920℃時，γ鐵中碳的最大固容量可達到1.2%，因而對含碳0.
2 %的20鋼，其表面可增碳至過共析的高碳層。
在固體滲碳時，木炭在密封的滲罐中，在920℃以上的高溫下呈不完全燃燒，從而生成co，由於它是很不穩定的氣體，當與鋼表面接觸就會分解出活性碳原子被鋼吸收，其反應式如下：
2co → co2 +[c] → c(γ-fe)
3. 擴散階段
擴散階段，就是被鋼件表面吸收的活性碳原子向鋼件深處遷移，並形成一定厚度的擴散層即是滲碳層。
擴散層的厚度隨著保溫時間的增加而增加，其厚度的增大速度大致遵循拋物線規律，其公式如下：
δ2 = k·τ
其中：δ---擴散層深度（mm）
τ---擴散時間（h）
k---常數
經過高溫下滲碳的工件，隨著冷卻方式的不同，會得到平衡和不平衡狀態兩種組織。同時，由於滲碳、淬火等工藝的操作不正確常會出現各種缺餡。下面介紹平衡狀態的滲碳組織。
平衡狀態組織：低碳鋼或低合金鋼，經過高溫滲碳後在緩慢冷卻條件下，可得到平衡狀態組織。其組織由表及裡分為過共析層、共析層、亞共析過渡層和心部原始組織。
過共析層在工件的最表面，其碳濃度最高，在一般的工藝條件下，這一層的碳含量在0.8～1.0%之間；共析層是緊接著過共析層的滲碳層，共析層的碳含量在0.
77%左右，其組織全都為片狀珠光體；亞共析過渡層是緊接著共析層的滲碳層，它從開始析出鐵素體起，一直延伸到與心部組織交界為止；心部原始組織就是原材料的組織。
圖2-1是20crmnti鋼的滲碳層組織，其表層白色塊狀相為滲碳體（fe3c），灰色針狀相為高、中碳馬氏體，其餘為殘餘奧氏體，殘餘奧氏體含量及左而右漸漸減少。
圖2-1 20crmnti鋼的滲碳層組織 400x
滲碳表面的碳濃度、梯度和滲碳深度的大小，會直接影響到工件的使用效能和壽命。表2-2為20crmnti鋼的表面碳濃度高低對淬火後疲勞強度的影響
表2-2 20crmnti鋼的表面碳濃度高低對淬火後疲勞強度的影響
從以上資料可看出，表層含碳濃度在0.8～1.0%之間時，各種效能都比較好，但如果表層含碳濃度低於0.
8%，就對耐磨性不利。若高於1.1%，不但效能不好，而且由於碳化物增多，在淬火後不能完全消除，往往會形成塊狀或網狀，促使硬化層硬度增大，使用時容易剝落，降低工件的使用壽命。
適當的滲碳層深度取決於零件的使用條件以及心部鋼材的強度，滲碳淬火後，表層高碳層的強度高於心部的強度，當工件受外力作用時，表面應力最大，並向心部漸漸減少，所以工件滲碳淬火的硬化層，應能保證傳遞到心部的應力小於心部材料的強度，以保證工件不所破壞，這就是選擇滲碳層深度的原則。
另外，為保證工件有足夠的耐磨性，要使在整個磨損層內的碳濃度不低於共析成分，因而要求滲碳層內過共析層及共析層的總和應比允許磨損量稍大一點。
由fe-b二元相圖可知，隨著滲層含硼量的增加，從內部到表面依次形成：α固溶體，ε硼化物（fe2b），ζ硼化物（feb）以及η硼化物等相。滲硼層一般由單層的fe2b相或雙層的feb + fe2b相組成，fe2b和feb通常呈「指狀」結構，
如圖2-2的45鋼粉末滲硼的金相組織，其表面黑色相為feb，接下來呈「指狀」結構的相為fe2b，在fe2b指間基體上分布的條塊狀相為 fe23(cb)碳化物，「指尖」針狀相為含硼滲碳體[fe3(cb)]。
圖2-2 45鋼滲硼的金相組織 320x
滲硼之所以形成呈「指狀」結構的硼化物，是因為硼原子的擴散是優先沿著硼化物的c軸方向進行的，這種擇優擴散使晶粒沿著c軸方向迅速生長。而基體中碳和合金元素都阻礙了硼的擴散，因而減低了晶粒生長的擇優取向性。因此高碳鋼和高碳合金鋼的滲硼層和基體間形成了較為平整的介面，使得高碳鋼和高碳合金鋼的滲層結合力較差，受衝擊時滲層較易剝落，而低合金鋼滲層呈「指狀」結構鍥入基體較深，因而與基體的結合牢固。
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