機械工程材料學
實驗指導書
廣西大學機械工程學院金相實驗室編
1999. 03
金相實驗室規則
一、保持實驗室安靜、整潔、進入實驗室前必須換鞋。
二、未經教師許可，不得任意進入其它與實驗課無關的房間，不得私自拆卸實驗室儀器及觸動與本實驗無關的儀器裝置和器材。
三、實驗時，開關電流，要小心謹慎，以防觸電，要節約水電和實驗器材。
四、實驗過程中，儀器裝置如出現故障或損壞，應立即報告指導教師，並如實作出儀器損壞情況的書面報告，經調查後，視具體情況予以適當處理。
五、使用實驗儀器裝置要嚴格遵守有關操作規程或實驗指導書中所列的注意事項。
六、不遵守本規則，要受到批評，必要時將被停止實驗操作，造成嚴重後果者將呈報系、院處理。
實驗課學習方法指導
實驗課是主要的教學環節之一，通過實驗課不僅使學生了解本學科實驗方法獲得操作技能，而且還鞏固在課堂教學上所學過的基本原理。
每次進行實驗之前，學生應仔細地閱讀實驗指導書和與實驗課有關的課堂講述內容，實驗課上，指導教師可作檢查性提問。
學生應獨立進行每個實驗，仔細保護實驗裝置，節約器材，養成愛護國家財產的良好習慣。
實驗時應將觀察結果、實驗資料記錄在實驗報告紙上，為此，上實驗課時，要準備好必要的繪圖用具如鉛筆、圓規、三角板、橡皮等，實驗完畢時，應清理好所用實驗裝置器材，使之歸原，教師宣布實驗課結束後，學生方可離開實驗室。
實驗課記錄要在實驗課上交教師審閱，實驗後一周，要提交正式的實驗報告，以做考試（查）的參考成績。
實驗一金屬材料的顯微鏡分析
一、實驗目的：
1、了解金相顯微鏡的一般構造和使用方法。
2、熟悉顯微鏡的試樣製備方法。
二、理論概述：
1、金相顯微鏡試樣的製備
用金相顯微鏡來研究金屬的顯微組織和缺陷的方法稱為顯微鏡分析，顯微鏡分析能測定金屬的晶粒度大小，顯露金屬的顯微組織特徵，測定金屬的鍍層（鍍鋅、鍍銅等）和化學熱處理（滲碳、氮化等）擴散層的深度，鑑定金屬中非金屬夾雜物（氧化物、硫化物等）和各種缺陷。此外，顯微鏡分析還能確定金屬進行熱加工（鍛、軋、鑄、熱處理等）工藝是否正確，判斷金屬的機械效能。在許多情況下，還能找到零件破損的原因。
在利用顯微鏡檢驗以上這些情況時，必須先製備金相試樣。由於金屬對一般光線的不透明性，金屬試樣表面既要平整如鏡，又要界限分明，以便在顯微視場中不同程度地反射光源，而顯示出清晰的影象。
顯微鏡試樣的製備過程如下：
（1）試樣的擷取和磨平
金相試樣是用手鋸車床來截切的。若金屬很脆（如白口鐵），可用錘下小快樣品，若合金很硬則用細的人工剛玉（氧化鋁）或金剛砂輪片切截樣品。
截下的試樣表面要用砂輪磨平或銼刀挫平。
截切及磨平樣品時應用水冷卻，避免樣品的溫度公升高而影響合金組織的變化，所以試樣的尺寸最好如圖一所示。但試樣尺寸往往受到被研究的製件尺寸的限制，而不能按標準尺寸擷取，例如絲狀件、薄片件及小快破損件等。這時，試樣的尺寸則取決於絲的直徑，薄片的厚度。
如果試樣尺寸過於細小，如絲、帶、片、管及形狀極不規則，不能穩定裝在顯微鏡的載物盒上，這是則需要採用鑲嵌的方法---鑲樣，鑲嵌的方法很多，常用的有膠木粉鑲樣、易熔合金鑲樣、塑料鑲樣及機械嵌鑲法等，下圖為機械嵌鑲和低熔點鑲樣法的示意圖。
（2）磨光
試樣的磨光是將磨平的試樣表面用砂紙磨光，以消除粗大的磨痕，磨光可在磨片機進行（機械磨光），也可用手工磨光，手工磨光是在金相砂紙上進行，金相砂紙按粗細分為01號、02號、03號、04號、05號、06號等6種，磨光時依次從01號磨到06號，但一般鋼鐵試樣磨到04號已經足夠細了。
手工磨光的操作方法：先在厚玻璃板上鋪上01號砂紙，用手將試樣需磨表面壓在砂紙上，然後沿與粗磨後磨痕方向垂直方向進行磨削，直到消除前一道磨痕為止。用同樣的方法從粗到細依次換上各重砂紙進行磨製。
磨好的試樣表面具有很細的摸痕且呈銀白色。
手工磨光操作要領：
①壓在試樣上的力要均衡，試樣表面與砂紙完全接觸並向前推動（不要往後拖）。
②每換一種號數的砂紙磨製時，磨製方向都應與上一道磨痕方向垂直，並注意勿使前一道磨製的砂粒掉在細砂紙上，磨片和手都要洗淨。
（3）拋光
拋光的目的在於保持不變形地消除表面遺痕，而獲得無疵的鏡面。拋光法有三種：機械法、電解法和化學機械法。本次實驗採用機械拋光法。
機械拋光法是在轉動的圓盤拋光機上進行。圓盤上敷以尼絨拋光布，並用拋光劑潤滑拋光濟為金剛砂、氧化鉻粉等，和水調成懸濁液)。拋光時，將式樣麻麵平整地壓在已有的拋光機的圓盤表面上，並隨時轉動試樣和適當新增拋光濟，拋光鐵和鋼時，一盤不超過3分鐘，待麻痕消除，磨麵具有光亮的鏡面為止，然後用水沖洗，並繼續以酒精洗滌，再用棉花、濾紙有幹或用冷風吹幹，對於比較精密的不能擦乾，不能擦乾或烘乾。
（4）浸蝕
拋光後的試樣，除觀察鋼中的非金屬夾雜物或鑄鐵中的石墨可以不經浸蝕外，一般均應浸蝕才能觀察到顯微組織。例如純鐵試樣經磨平、磨光和拋光後，這是在顯微鏡下只觀察到乙個亮的表面，經浸蝕後，由於晶界易浸蝕而凹陷，光線在晶界產生漫射作用，在顯微鏡下呈現暗黑色線條，因而顯示出晶界的形狀，如圖3，圖4所示，晶粒的不同染色或呈現明暗的區別是由於晶粒的方向性或不同的截面上晶粒性質的不同，使我們不但觀察到晶界，而且觀察到各種不同光彩不同亮度的晶粒。
浸蝕的方法有浸入擦蝕法，浸入法是把拋光洗滌乾淨後的試樣表面直接浸入腐蝕劑中數秒中，擦蝕法是用夾鉗將棉花蘸藥劑後，在試樣表面輕輕擦拭。在一般情況下，試樣表面微微發暗和失去金屬光澤是蝕透的標誌。
對於不同的金屬和合金，以及研究的目的不同，所用浸蝕劑和浸蝕程度是不同的，這都要根據具體情況而定。通常對鋼鐵試樣採用4%的硝酸酒精溶液浸蝕就可達到一般所需要的目的。
2、金相顯微鏡的構造和使用方法
金相顯微鏡是用於分析金屬及合金的顯微組織的一種光學儀器，金相顯微鏡按光學行程和機械系統的不同，可分為台式、立式和臥式三大類。現就我們實驗課中所使用到的小型台式金相顯微鏡為例，簡要地介紹金相顯微鏡的構造。
由於金屬不是透明體，因此金相顯微鏡用照明方法的反射法，不同於一般生物顯微鏡（透射法），普通台式金相顯微鏡的外行結構如圖5所示。
金相顯微鏡主要由三部分組成：（注：見圖1、2）
（1）機械系統：其作用在於通過轉動粗動手輪和微調手輪以調節焦距，在觀察者眼中造成一清晰的象，另一方面通過移動載物台，以觀察試樣上不同部位的組織。
（2）光學系統：主要由目鏡和物鏡所組成，顯微鏡放大倍數為目鏡和物鏡單獨放大倍數的乘機，物鏡是由許多不同形狀的透鏡所組成，目鏡是由兩個平凸透鏡組成。
（3）照明系統：由於金屬不是透明的，為供給試樣照明需要，一般使用垂直照明，其光線行程如圖6所示。
金相顯微鏡的使用步驟：
（1）首先將降壓器接通電源（220伏）
（2）將顯微鏡照明裝置與降壓變壓器接通，使燈泡點亮。
（3）將備好的試樣裝在載物台上，並用壓片壓好。
（4）對時轉動粗動手輪2，使物鏡6漸漸與試樣接近（注意不要相碰）。這時從目鏡7觀察，當看到顯微鏡的內圓圈0由暗漸漸變亮時，表示快看到圖象，此時應更為緩慢旋動手輪2，在發現影象後，若不夠清楚，則需慢慢轉動微動手輪3進行調節。
（5）光源亮度不合適，可調節孔徑游標欄來達到要求。
（6）顯微鏡用畢後，先切斷電源，然後將插銷自變壓降壓器取下，並把試樣拿下，將一切按原樣整理好。
三、實驗器材
1、台式金相顯微鏡
2、拋光機
3、吹風機（用冷風吹幹試樣）
4、各種鋼及鑄鐵試樣
5、各號金相砂紙及玻璃板
6、裝有酒精及浸蝕劑的小玻璃皿
7、棉花球、夾子、拋光液等
四、實驗方法
學生分為兩組，一組製作試樣，一組了解金相顯微鏡的構造原理和使用方法，然後輪換。
1、每人領一塊試樣，按前述方式製作，但暫不浸蝕。
2、用顯微鏡觀察本人所磨製的未經浸蝕的試樣表面特徵，包括夾雜物，缺陷石墨等。
3、本人所製的試樣浸蝕後，再進行觀察其顯微鏡組織。
4、觀察立式和臥式顯微鏡，重點了解主要結構和使用調整。
五、實驗報告要求
1、簡述製樣過程及顯微鏡構造簡圖。
2、描繪試樣浸蝕前後的表面特徵和金相組織。
實驗二鐵碳合金平衡組織的觀察
一、實驗目的
1、認識鐵碳合金平衡組織的特徵。
2、了解含碳量對碳鋼組織的影響。
二、理論概述
fe-fe3相圖的的平衡組織是指碳和白口鑄鐵冷卻後的顯微組織，也就是指在一定溫度一定成分和壓力下，合金處於最穩定狀態的組織，要得到這些組織，只有在極緩慢的冷卻條件下才可能，一般將碳鋼經退火後的組織近似地視為平衡組織。
從fe-fe3c相圖上可以看出，所有碳鋼和白口鑄鐵在室溫時人組織都是由鐵素體（f）與滲碳體（fe3c）這兩個基本相組成，但是由於含碳量的不同，ｆ與fe3c的數量，發布條件、形狀、分布和混合情況也不同，因而便顯現出各種不同特徵。
1、工業純鐵工業純鐵中實際上有微量的碳（<0.02%）,室溫下其顯微組織為100%的鐵素體單相組織。浸蝕後的純鐵式樣，在顯微鏡下可觀察到呈亮白色的鐵素體晶粒，含碳量稍高時，可觀察到從晶界上析出的三次滲碳體。
2、亞共析鋼含碳量＝0.0218～0.77%的鐵碳合金，其常溫組織為鐵素和珠光體，在顯微鏡下鐵素體呈白色，珠光體呈黑色（在低放大倍數下觀察時，珠光體的層片組織分辯不出隨著含碳量增加，f量會減少而p量增加。
3、共析鋼含碳量=0.77%的鐵碳合金，其室溫組織為100%珠光體，在較大放大倍數下觀察時（比如500×），可清晰地看出珠光體的層片組織（形若指紋），當放大倍數更高時（比如850×），可以看到在白亮色的鐵素體基體上分布著白亮的條狀滲碳體。晶體呈黑暗色，在電子顯微鏡下，（2500×）此種形狀的結構看得最清楚。
4、過共析鋼含碳量=0.77%~2.11%的鐵碳合金，其室溫組織為珠光體和二次滲碳體，二次滲碳體的特徵非常明顯，在顯微鏡下呈白色沿晶界網狀分布，珠光體的鑑別同前。
隨著含碳量增加，fe3c網更粗連線更完整。
5、亞共晶白口鑄鐵含碳量2.11~4.3%的鐵碳合金，其室溫組織織比較複雜，由萊氏體 、珠光體和二次滲碳體組成，顯微鏡下，大塊暗色為珠光體（呈骨骼狀分布），點狀組織為萊氏體中的珠光體，白亮基體為滲碳體。
實驗指導書實驗報告
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數字邏輯實驗報告指導書2019
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