工程材料教案.docx
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工程材料教案
教案用纸
第1周总第1次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第一章钢铁材料生产简介
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
了解课程内容学习方法和教学目的，理解课程的研究对象及其在机械工业中的作用、发展简史，掌握炼钢、炼铁的常识性知识。
教学重点：
理解工程材料及其在机械工业中的作用，掌握炼钢、炼铁的常识性知识。
教学难点：
了解钢铁材料的生产过程及各种冶炼方法，熟悉各种钢材的加工方法。
主要教学内容：
首先介绍课程性质、内容及学习方法
一、工程材料简介
二、钢铁材料生产过程
三、常用钢材加工方法
四、钢铁材料应用
课程回顾:
教案用纸
首先介绍课程性质、内容及学习方法
课程性质：
工程材料是机制专业学生必修的一门职业技能课。
本课程的任务是:
1.工程材料的性能与其组织结构之间的联系;
2.说明如何通过工艺手段改变材料的组织结构,以达到提高材料性能的
目的;
3.介绍常用工程材料及其应用等基本知识；
4.为工程结构和机械零件制造提供合理选用材料的方法。
教材与学时安排
金属工艺过程介绍）材料生产2h
金属学22h
热处理10h
机械材料10h
毛坯制造4h
其他：
4h
一、工程材料简介
二、钢铁材料生产过程
根据所炼钢种的要求把生铁中的含碳量去除到规定范围，并使其它元素的含量减少或增加到规定范围的过程。
简单地说，是对生铁降碳、去硫磷、调硅锰含量的过程。
这一过程基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧（如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧）来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。
化学反应主要是：
2FeO+Si
2Fe+SiO2
FeO+Mn
Fe+MnO
备注
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反应生成的一氧化碳很容易从铁水排至炉气中而被除掉。
生成的二氧化硅、氧化锰、氧化亚铁互相作用成为炉渣浮在钢水面上。
生铁中硫、磷这两种元素在一般情况下对钢是有害的，在炼钢过程中必须尽可能除去。
在炼钢炉中加入石灰（CaO），可以去除硫、磷：
2P+5FeO+3CaO
5Fe+Ca2（PO4）2（入渣）
在使碳等元素降到规定范围后，钢水中仍含有大量的氧，是有害的杂质，使钢塑性变坏，轧制时易产生裂纹。
故炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂（例如锰铁、硅铁和铝等），以除去钢液中多余的氧：
Mn＋FeO
MnO＋Fe
Si＋2FeO
SiO2＋2Fe
Al＋3FeO
Al2O3＋3Fe
同时调整好钢液的成分和温度，达到要求可出钢，把钢水铸成钢锭。
三、常用钢材加工方法
炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。
平炉炼钢的主要特点是可搭用较多的废钢（可搭用钢铁料的20～50％的废钢），原料适应性强，但冶炼时间多。
我国目前主要采用平炉炼钢。
转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉（见图），生产速度快（1座300吨的转炉吹炼时间不到20分钟，包括辅助时间不超过1小时，而300吨平炉炼1炉钢要7个小时），品种多、质量好，可炼普通钢，也可炼合金钢。
电炉炼钢是用电能作热源进行冶炼。
备注
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可以炼制化学工业需要的不锈耐酸钢，电子工业需要的高牌号硅钢、纯铁，航空工业需要的滚珠钢、耐热钢，机械工业用轴承钢、高速切削工具钢，仪表工业需要的精密合金等。
四、钢铁材料应用
备注
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第1周总第2次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第二章金属的力学性能
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
了解金属材料在外力作用下表现的力学性能，掌握力学性能指标、实际意义及测试方法。
教学重点：
理解并掌握力学性能指标、实际意义及测试方法。
教学难点：
理解并掌握力学性能指标、实际意义及常用测试方法。
主要教学内容：
第二章金属的力学性能
一、力学性能的定义及范围
二、强度
三、塑性
四、硬度
五、韧性
六、疲劳断裂
课程回顾:
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复习
第二章金属的力学性能
一、力学性能的定义及范围
1.定义:
力学性能是指材料在外加载荷作用下抵抗变形和开裂的性能。
2.指标:
强度、弹性、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
二、强度
强度:
材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
种类:
抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。
拉伸试验
备注
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屈服强度σs、条件屈服强度σ0.2、抗拉强度σb
三、塑性
塑性:
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。
断面收缩率：
ψ
是指试样拉断处横截面积Sk的收缩量与原始横截面积S0之比。
伸长率（延伸率）：
δ
是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。
四、硬度
硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。
常用测量硬度的方法：
布氏硬度HB：
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。
如:
120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
备注
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洛氏硬度HR
维氏硬度HV
五、韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。
六、疲劳断裂
表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
备注
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第2周总第3次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.1纯金属的晶体结构3.2纯金属的结晶
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
使学生了解晶体与非晶体的概念，掌握常见的晶格类型，明确金属缺陷类型。
教学重点：
掌握常见的晶格类型，明确金属缺陷类型。
教学难点：
晶格类型，明金属缺陷类型。
主要教学内容：
一、纯金属的晶体结构
1.晶体与非晶体
2.晶格与晶胞
3.常见晶格类型
4.晶体缺陷
二、纯金属的结晶
1.冷却曲线与过冷现象
2.纯金属的结晶过程
3.晶粒细化方法
4.金属同素异构转变
课程回顾:
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复习
第三章金属的晶体结构与结晶
一、晶体结构的基础知识
1.晶体与非晶体的基本概念
晶体（crystal）:
物体内部的原子（或分子）在三维空间中,按一定规律作周期性排列的固体。
晶体物质所具有的性质:
固定的熔点;各向异性等。
例如,所有的金属、食盐等。
非晶体（non-crystal）的基本概念:
物体内部的原子呈散乱分布,其物理和力学性能各向同性。
例如,普通玻璃、松香等。
2..晶体学（crystallography）的基本知识
晶格（crystallattice）:
用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。
晶胞（unitcell）:
能完全反映晶格特征的最小几何单元。
3.常见的三种晶体结构
a.体心立方晶格（body-centercubiclattice）
属于体心立方晶格的金属有:
钠（Na）;钾（K）;铬（Cr）;钼（Mo）;钨（W）;钒（V）;钽（Ta）;铌（Nb）;α-铁（α-Fe）等。
备注
b.面心立方晶格
属于面心立方晶格的金属有:
金（Au）;银（Ag）;铜（Cu）;铝（Al）;镍（Ni）;铂（Pt）;铅（Pb）;γ-铁（γ-Fe）等
c.密排六方晶格（c/a=1.633）
属于密排六方晶格的金属有:
镁（Mg）;锌（Zn）;镉（Cd）;α–钛（α–Ti）;铍（Be）等。
4.纯金属的晶体结构与特性
a.金属键---金属原子间的结合键。
b.金属键的基本特点是电子公有化。
c.电子气---当金属原子结合成晶体时,价电子不再被束缚在各个原子上,而是在整个晶体内运动,从而形成电子气。
d.金属晶体---失去价电子的金属正离子与组成电子气的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起,从而形成了金属晶体。
二、实际金属的体结构与晶体陷
1.单晶体与多晶体的基本概念
单晶体（singlecrystal）的特征:
晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。
晶体具有各向异性（aeolotropy）。
例如:
单晶硅、单晶锗等。
多晶体（polycrystal）的特征
晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。
备注
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*晶体具有各向同性（isotropy）。
例如:
常用的金属等。
2.晶体缺陷（crystaldefect）
a.点缺陷（pointdefect）
•空位（vacancy）
•间隙原子（gapatom）
•置换原子（substitutionalatom）
b.线缺陷（linedefect）----位错（dislocation）
•螺旋型位错（screwdislocation）
•刃型位错（bladedislocation）
c面缺陷（surface-defect）
•晶界（grainboundary）:
晶粒与晶粒之间的界面。
•亚晶界（sub-boundary）:
相邻晶粒位向很小（一般1～2°）的小角度晶界。
3.晶体缺陷对金属性能的影响
•原子的扩散
•金属的强化
固态的相变
备注
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第2周总第4次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.3合金的晶体结构
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
掌握固溶体、金属化合物、机械混合物的结构特点与性能特点。
教学重点：
能理解并掌握固溶体、金属化合物、机械混合物的结构特点与性能特点。
教学难点：
固溶体的理解、分类。
主要教学内容：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.3合金的晶体结构
一、基本概念
1.合金
2.组元
3.相
二、合金在固态下的相结构及性能
1.固溶体（solidsolution）
2.金属化合物（metalliccompound）
3.机械混合物
课程回顾:
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复习
第三章金属的晶体结构与结晶
3.3合金的晶体结构
一、基本概念
1.合金
2.组元
3.相
二、合金在固态下的相结构及性能
1.固溶体：
固溶体的主要类型及形成条件
a.置换固溶体
*形成特征:
R溶剂≈R溶质
b.间隙固溶体例如:
Fe-C
*形成的特征:
R溶质/R溶剂<0.59
溶剂A+溶质B=C
bccfccbcc
铁素体的晶体结构
备注
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2.金属化合物
溶剂A+溶质B=C
bccfcccph
例如:
3Fe+C=Fe3C
体心六方复杂结构
金属化合物的主要类型
1.正常价化合物
（normalcompounds）
2.电子价化合物
（electroncompounds）
3.间隙化合物
（interstitialcompounds）
金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质,
具有较高的熔点,硬度较高,脆性高。
3.机械混合物:
机械混合物的性能特点
取决于组元的相对数量。
取决于组成相的大小和形状。
具体数值介于组元性能之间。
备注
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备注
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第3周总第5次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
实验一、盐类结晶过程的观察
教学方法：
实验
教具:
教学目标：
观察金属盐类的结晶过程和结晶方式，建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。
教学重点：
观察金属盐类的结晶过程和结晶方式，建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。
教学难点：
建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。
主要教学内容：
1观察金属盐类的结晶过程和结晶方
式
2建立金属晶体以树枝方式成长的直
接概念。
课程回顾:
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实验一、盐类结晶过程的观察
一、实验目的
1观察金属盐类的结晶过程和结晶方式
2建立金属晶体以树枝方式成长的直接概念。
二、实验内容
观察透明盐类NH4Cl或过程和晶体结构。
三、实验仪器、材料
1.仪器：
生物显微镜
2.材料：
NH4Cl水溶液
四、实验方法和步骤
1.调整好生物显微镜，选择不大于100倍的放大倍数，装好物
镜和目镜，根据光源，调整好反射平面镜和凹镜。
2.将NH4Cl水溶液在酒精灯上加热，使其达到饱和状态。
3.用吸管将一滴饱和的溶液滴在经过洗净并烘干的玻璃片上，
迅速将玻璃片置于生物显微镜样品台上。
4.转动生物显微镜粗调手轮，提高镜筒，粗略地调整显微镜焦
点，再转动微调手轮，调整到视场清晰为止。
5.集中精力观察溶液在蒸发过程中所产生的结晶现象。
6.观察一滴溶液全部结晶过程后，重新取一滴继续观察，并用铅
笔在准备好的纸上分阶段描绘结晶过程和结晶组织。
备注
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第3周总第6次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.4二元合金相图
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
理解二元合金相图的建立，掌握杠杆定律、以及匀晶相图的分析。
教学重点：
理解二元合金相图的建立，能掌握杠杆定律、以及匀晶相图的分析。
教学难点：
能掌握杠杆定律、以及匀晶相图的分析。
主要教学内容：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.4二元合金相图
一、二元合金相图的建立
1.建立方法
2.建立步骤
二、匀晶相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
3.杠杆定理
课程回顾:
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第三章金属的晶体结构与结晶
3.4二元合金相图的建立与结晶过程分析
一、二元合金相图的建立
1.建立方法
名称
A金属
B金属
晶格类型
bcc
bcc
熔点
高
低
合金1
100%
0%
合金2
90%
10%
合金3
80%
20%
……..
……..
…….
合金9
20%
80%
合金10
10%
90%
合金11
0%
100%
2.建立步骤
备注
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二、匀晶相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
备注
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3.杠杆定理
作业：
分析匀晶相图，会用杠杆定律。
备注
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第4周总第7次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.4二元合金相图
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
能对共晶相图、共析相图分析。
教学重点：
理解相图中的成分、组织、性能之间的关系，能对共晶相图、共析相图分析。
教学难点：
能对共晶相图、共析相图分析。
主要教学内容：
第三章金属的晶体结构与结晶
3.4二元合金相图
一、共晶相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
二、共析相图
1.相图分析
2.合金结晶过程分析
课程回顾:
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复习
第三章金属的晶体结构与结晶
3.4二元合金相图
一、共晶相图
1.相图分析
备注
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2.合金结晶过程分析
二、共析相图
1.相图分析
备注
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2.合金结晶过程分析
作业：
能分析共晶、共析相图。
备注
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第4周总第8次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第四章铁碳合金
4.1铁碳合金的基本组织4.2铁碳合金相图
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
熟悉铁碳合金中的基本组织及性能。
掌握铁碳合金相图的构成。
教学重点：
能认识并掌握铁碳合金的基本组织及性能，掌握铁碳合金相图简图的构成。
教学难点：
铁碳合金相图简图的构成的掌握
主要教学内容：
第四章铁碳合金
一、铁碳合金的相图的基础知识
1.铁与碳形成一系列的化合物。
2.铁碳合金相图组元
3.基本组织的结构与性能。
二、相图的建立与分析。
课程回顾:
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复习
第四章铁碳合金
一、铁碳合金的相图的基础知识
1.铁与碳形成一系列的化合物。
2.铁碳合金相图组元
铁，渗碳体
3.基本组织的结构与性能。
铁素体：
碳溶于α–Fe中形成的间隙固溶体。
性能：
与纯铁相近，强度、硬度较低，塑性韧性较好。
奥氏体：
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。
性能：
硬度较低、塑性较好，易于锻压成型。
渗碳体：
铁与碳形成的金属化合物。
性能：
硬度很高、塑性、韧性几乎为零。
备注
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珠光体：
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
性能：
有较高的强度和韧度，也有一定的塑性和韧性。
莱氏体：
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
性能：
硬度很高，塑性、韧性机差。
二、相图的建立与分析。
备注
教案用纸
作业：
会分析铁碳合金相图。
备注
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第5周总第9次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
第四章铁碳合金
4.2铁碳合金相图
教学方法：
讲授
教具:
教学目标：
会利用简化的铁碳合金相图分析不同成分合金的结晶过程和室温组织，熟悉成分的变化规律。
教学重点：
会利用简化的铁碳合金相图分析不同成分合金的结晶过程和室温组织。
教学难点：
会利用简化的铁碳合金相图分析不同成分合金的结晶过程和室温组织，掌握相图在生产上的应用。
主要教学内容：
第四章铁碳合金
4.2铁碳合金相图
一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。
二、Fe-Fe3C相图的应用。
三、铁碳合金的生产及分类。
课程回顾:
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复习
第四章铁碳合金
一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。
五个重要的成份点:
P、S、E、C、K。
四条重要的线:
EF、ES、GS、FK。
三个重要转变:
包晶转变反应式共晶转变反应式、共析转变反应式。
二个重要温度:
1148℃、727℃。
备注
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二、Fe-Fe3C相图的应用。
1.选择材料方面的应用
分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。
根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。
2.制定热加工工艺方面的应用
备注
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三、铁碳合金的生产及分类。
钢铁的冶炼。
钢锭的组织、质量及缺陷。
碳素钢的分类、编号及用途。
作业：
能分析共晶、共析相图。
备注
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第5周总第10次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
实验二金属硬度测量
教学方法：
实验
教具:
教学目标：
能根据不同金属零件的性能特点，正确选择测定硬度的方法。
掌握洛氏硬度计的操作方法。
教学重点：
能根据不同金属零件的性能特点，正确选择测定硬度的方法。
掌握洛氏硬度计的操作方法。
教学难点：
能根据不同金属零件的性能特点，正确选择测定硬度的方法。
掌握洛氏硬度计的操作方法。
主要教学内容：
1能根据不同金属零件的性能特点，
正确选择测定硬度的方法。
2掌握洛氏硬度计的操作方法。
课程回顾:
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实验二金属硬度测量
一、实验目的
能根据不同金属零件的性能特点，正确选择测定硬度的方法。
掌握洛氏硬度计的操作方法。
二、实验内容
洛氏硬度实验
三、实验设备及材料
1．洛氏硬度计
2.读数显微镜
3.试样若干
四、实验步骤及实验方法
1.将试样稳妥安置在工作台上，注意使试样与台面贴紧，然后顺时针旋转手轮使试样升起至指示器的小指针指于红点。
2.转动指示器的调整盘使标记B或C对准大指针。
3.将操纵手柄向后推倒，加上总载荷，直至指示器大指针运动显著的变慢直到停顿后，保留载荷约10秒，再将手柄扳回，以卸除主载荷。
4.按指示器的大指针的刻度线读取读数。
五、注意事项
1.试样的厚度应不小于10倍印痕的深度。
2.每个试样的试验次数一般为三次，取平均值。
备注
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第6周总第11次学时2
教学班级:
课程:
工程材料及热处理授课教师:
课题：
实验三金相试样的制备
教学方法：
实验
教具:
教学目标：
了解金相显微镜的基本原理、构造和应用。
掌握试样制作过程和基本方法。
教学重点：
了解金相显微镜的基本原理、构造和应用。
掌握试样制作过程和基本方法。
教学难点：
了解金相显微镜的基本原理、构造和应用。
掌握试样制作过程和基本方法。
主要教学内容：
1.了解金相显微镜的基本原理、构造和
应用。
2.掌握试样制作过程和基本方法。
课程回顾:
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实验三金相试样的制备
一、实验目的
了解金相显微镜的基本原理、构造和应用。
掌握试样制作过程和基本方法。
二、实验内容
1.对试样进行侵蚀，并用显微镜观察显微组织，绘出组织示意图。
2.观察其他同学的试样的纤维组织。
三、实验仪器和材料
1.仪器
台式金相显微镜、金相预磨机、抛光机、吹风等。
2．材料
45钢试样，各号金相砂纸、腐蚀剂：
4%硝酸酒精。
四、实验步骤和方法
1.取样：
根据被检验金属材料和零件的特点、加工工艺及研究目的进行选择。
2.磨制：
粗磨：
试样用砂轮机磨平，同时冷却水冷却，在试样边缘导角。
细磨：
按砂纸从01、02、03、04、05、06、07等几种，每换一种砂纸将试样转动90度再磨。
3.抛光
抛光的目的是消除试样磨面的细微磨痕，直到试样磨面呈光亮而无磨痕的镜面为止。
备注
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4.侵蚀
经抛光的试样磨面在显微镜下的反光能力是一样的看不到的金属内部的组织，必须经过侵蚀。
化学侵蚀：
一般碳钢及铸铁
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