金相显微镜的使用与金相组织的观察实验指导书.docx
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金相显微镜的使用与金相组织的观察实验指导书
工程材料及热处理
实验指导书
北京理工大学珠海学院机械与车辆学院
2012.10
实验二金相显微镜的使用与金相组织的观察
一、实验目的
1、熟悉金相显微镜的基本原理及使用方法。
2、观察和分析碳纲和白口铸铁在平衡状态下的显微组织。
3、识别淬火组织特征，并分析其性能特点，掌握平衡组织和非平衡组织的形成条件和组织性能特点。
二、实验概述
（一）金相显微镜的构造
图2—1LDW200—4XB型金相显微镜光学系统
光学显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。
光学显微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附有摄影装置。
现以LDW200—4XB型台式光学显微镜为例加以说明。
LDW200—4XB型光学显微镜的光学系统如图2—1所示。
由灯泡发出一束光线，经过聚光镜组
（1）及反光镜的反射将光线聚集在孔径光栏上，然后经过聚光镜组
（2），将光线会聚在物镜后焦面上。
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。
从物体表面散射出来的成像光线，复经物镜、辅助物镜片
（1）、半透反光镜、辅助物镜片
（2）、棱镜与双目棱镜组，造成一个物体的放大实像。
目镜将此像再次放大。
显微镜里观察到的就是通过物镜和目镜两次放大所得图像。
LDW200—4XB型光学显微镜的外形结构如图2—2所示。
现分别介绍各部件的功能与作用。
照明系统在底座内装有一低压卤钨灯泡，由变压器提供6伏的使用电压，灯泡前有聚光镜，孔径光栏及反光镜等安装在底座上，视场光栏及另一聚光镜安装在支架上。
通过一系列透镜作用及配合组成了照明系统，使试样表面获得充分、均匀的照明。
载物台（样品台）位于显微镜的最上部，用于放置金相样品，纵向手轮和横向手轮可使载物台在水平面上作一定范围内的十字定向移动。
孔径光栏和视场光栏通过这两个孔径可变的光栏的调节，可以调节最后映像的质量。
调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。
视场光栏的作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。
物镜转换器呈球面形，上面有三个螺钉，可安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使物镜镜头进入光路，并与不同的目镜搭配使用，可获得各种放大倍数。
目镜筒目镜筒呈45○倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90○呈水平状态配合照相装置进行金相射影。
图2—2LDW200—4XB型金相显微镜的结构
1—载物台2—双目镜3—调节螺钉
4—视场光栏圈5—孔径光栏圈6—底座
7—物镜8—纵动手轮9—横动手轮
10—粗调焦手轮11—微调焦手轮12—偏心螺钉
表2-1列出LDW200—4XB型光学显微镜物镜和目镜不同情况下放大倍数。
表2—1LDW200—4XB型光学显微镜的放大倍数
光学系统
目镜
放大倍数
物镜
10×
12.5×
干燥系统
10×（NA=0.25）（工作距离7.32mm）
100×
125×
干燥系统
40×（NA=0.65）（工作距离0.66mm）
400×
500×
油浸系统
100×（NA=1.25）（工作距离0.37mm）
1000×
1250×
（二）光学显微镜的使用方法及注意事项
1、光学显微镜的使用方法
光学显微镜是一种精密的光学仪器，必须细心谨慎使用。
初次操作显微镜之前，应首先熟悉其构造特点及主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。
在使用LDW200—4XB型光学显微镜时，应按下列步骤进行：
（1）根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜和目镜筒内，并使转换器转至固定位置（由定位器定位）。
（2）转动载物台，使物镜位于载物台中心孔的中央，然后把金相试样的观察面朝下倒置在载物台上。
（3）将显微镜的电源插头插在变压器上，通过低压（6～8v）变压器接通电源。
（4）转动粗调手轮，使载物台渐渐上升以调节焦距，当视场亮度增强时再改用微调手轮进行调节，直至物象调整到最清晰程度为止。
（5）适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。
（6）如果使用油浸系物镜，则可再物镜的前透镜上滴一点松柏油，也可以将松柏油直接滴再试样的表面上。
油镜头用完后应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用镜头纸擦干。
2、光学显微镜注意事项
在使用光学显微镜时，应注意以下事项：
（1）金相试样要干净，不得残留有酒精和浸蚀液，以免腐蚀显微镜的镜头，更不能用手指去触摸镜头。
若镜头中落有灰尘时，可以用镜头纸擦拭。
（2）操作时必须特别细心，不得有粗暴和剧烈的动作，光学系统不允许自行拆卸。
（3）在更换物镜或调焦时，要防止物镜受碰撞损坏。
（4）在旋转粗调或微调手轮时，动作要缓慢，当碰到某种障碍时应立即停下来，进行检查，不得用力强行转动，否则将会损坏机件。
（三）铁碳合金的平衡组织
铁碳合金的平衡组织是指铁碳合金在极为缓慢的冷却条件下（比如退火状态）所得到的组织。
可以根据Fe—Fe3C相图来分析其在平衡状态下的显微组织。
铁碳合金主要包括碳钢和白口铸铁，其室温组成相由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。
由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件及分布状况均有所不同，因而呈现不同的组织形态。
不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见表2-2。
表2—2各种铁碳合金在室温下的显微组织
类型
含碳量（%）
显微组织
浸蚀剂
工业纯铁
<0.02
铁素体
4%硝酸酒精溶液
碳
钢
亚共析钢
0.02～0.77
铁素体+珠光体
4%硝酸酒精溶液
共析钢
0.77
珠光体
4%硝酸酒精溶液
过共析钢
0.77～2.11
珠光体+二次渗碳体
苦味酸钠溶液，渗碳体变黑或呈棕红色
白
口
铸
铁
亚共晶白口铁
2.11～4.3
珠光体+二次渗碳体+莱氏体
4%硝酸酒精溶液
共晶白口铁
4.3
莱氏体
4%硝酸酒精溶液
过共晶白口铁
4.3～6.69
莱氏体+一次渗碳体
4%硝酸酒精溶液
铁碳合金在金相显微镜下具有下面四种基本组织：
铁素体（F）铁素体是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体。
工业纯铁用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈白色块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体周围。
渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的金属间化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐蚀性强，经4%硝酸酒精浸蚀后，渗碳体任呈亮白色，而铁素体浸蚀后呈灰白色，由此可区别铁素体和渗碳体。
渗碳体可以呈现不同的形态：
一次渗碳体直接由液体中结晶出，呈粗大的片状；二次渗碳体由奥氏体中析出，常呈网状分布于奥氏体的晶面；三次渗碳体由铁素体中析出，呈不连续片状分布于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。
珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体呈层片状交替排列的机械混合物。
经4％硝酸酒精浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织。
当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体看到的只是一条黑线，甚至珠光体片层因不能分辨而呈黑色。
莱氏体（Ld′）莱氏体在室温时是珠光体和渗碳体所组成的机械混合物。
其组织特征是在亮白色渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状珠光体。
根据含碳量及组织特点的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和铸铁三大类。
其中钢又可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种，亚共析钢随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少而珠光体的数量则相应的增加；铸铁又可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁三种。
各类铁碳合金的平衡组织如图2-3至图2-9所示。
图2-3工业纯铁（400X）图2-445钢（400X）
图2-5T8钢（400X）图2-6T12钢（400X）
图2-7亚共晶白口铸铁（400X）图2-8共晶白口铸铁（400X）
图2-9过共晶白口铸铁（400X）
（四）铁碳合金的非平衡组织
碳钢在不平衡状态即快冷条件下的显微组织不能用铁碳合金相图来分析，应由过冷奥氏体等温转变曲线图—C曲线确定。
共析碳钢的C曲线见图2—10所示。
不同冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围发生不同类型的转变，其转变产物的组织形态各不相同。
共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能见表2-3。
表2-3共析钢（T8）过冷奥氏体在不同温度转变的组织和性能
转变类型
转变产物
形成温度℃
转变机制
显微组织特征
HRC
工艺
珠光体
P
A1~650
扩散性
粗片状，F、Fe3C相间分布
2~20
退火
S
650~600
细片状，F、Fe3C相间分布
20~30
正火
T
600~550
极细片状，F、Fe3C相间分布
30~40
等温处理
贝氏体
B上
550~350
半扩散性
羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间
40~50
B下
350~Ms
竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上
50~60
等温淬火
马氏体
M针
MS~Mf
非扩散性
针状
60~65
淬火
M板条
板条状
50
1、退火组织
碳钢经退火后获得上述的平衡组织，共析钢和过共析钢经球化退火后，获得由铁素体和球状渗碳体组成的球状珠光体组织。
2、正火组织
碳钢经正火后的组织比退火细，相同成分的亚共析钢，正火后珠光体含量比退火后的多。
3、淬火组织
经淬火或等温淬火后获得不平衡组织。
碳钢淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，低碳钢淬火后组织为板条马氏体和少量的残余奥氏体，随含碳量的增加，残余奥氏体量增多，淬火马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，其形态取决于马氏体中的含碳量，低碳马氏体呈板条状，强而韧，高碳马氏体呈针叶状，硬而脆，而中碳钢淬火后得到板条马氏体和针叶状马氏体的混合组织。
4、等温淬火组织
碳钢等温淬火后获得贝氏体组织，在贝氏体转变温度范围内，等温温度较高时，获得上贝氏体，呈羽毛状，它由过饱和的铁素体片和分布片间的断续细小的碳化物组成的混合物，塑性、韧性较差，应用较少。
而等温温度较低时，获得下贝氏体，呈黑色的针叶状，它是由过饱和的铁素体和其上分布的细小的渗碳体粒子组成的混合物，下贝氏体强而韧，等温淬火的温度根据钢的成分而定。
三、实验内容与实验方法
1、实验前应复习课本中有关内容，认真阅读实验指导书。
2、每一小组同学领取表2—4中所列样品一块及对应的金相图片一张，将样品放在显微镜上观察，注意显微镜的正确使用，分析显微镜下的组织特征。
观察试样的组织时，先明确材料成分、处理条件及浸蚀剂等。
观察组织前选显微镜放大倍数，其选用原则是先用低倍（125X）观察，找出典型组织，然后再用中倍（500X）对这些地区进行仔细观察，这样整体和局部观察结合起来，才能对一块金相试样做出全面分析。
3、注意金相组织中每个相组成物和组织组成物，如铁素体、渗碳体、珠光体等的形态、数量、大小及分布特征，并联系铁碳相图分析其结晶过程及组织。
画出所观察试样的组织示意图。
4、小组之间进行场地交换（其他小组已经调整好的显微镜不要再动），观察下列组织并画出组织示意图。
（1）亚共析纲20钢、45钢、65钢中任选一个
（2）过共析钢T12退火、球化退火中任选一个
（3）白口铸铁：
亚共晶、过共晶中任选一个
（4）淬火马氏体：
低碳和高碳马氏体任选一个
5、画组织示意图的方法如下。
（1）先认识了各组织特征后，再画每个试样中典型区域的显微组织示意图，注意不要把杂质、划痕等画在图上。
（2）应画在30—50直径的圆内，在图边注明：
材料名称、含碳量、腐蚀剂和放大倍数。
并将组织组成物用细线引出标明（图2-11）。
（3）先在草纸上按要求画出，再画在正式报告上。
图2-11组织示意图画法
四、实验仪器及材料
1、LDW200—4XB型金相显微镜数台。
2、金相组织照片一套
3、金相样品一套
五、实验报告要求
1、实验目的。
2、扼要叙述光学显微镜的使用方法及必须注意的有关事项。
3、画出下列组织示意图。
（1）亚共析纲20钢、45钢、65钢中任选一个
（2）过共析钢T12退火、球化退火中任选一个
（3）白口铸铁：
亚共晶、过共晶中任选一个
（4）淬火马氏体：
低碳和高碳马氏体任选一个
序号
试样编号
材料名称
处理状态
腐蚀剂
放大倍数
显微组织
1
1
工业纯铁
退火
4%硝酸酒精
500X
F+Fe3Cш
2
2
20钢
退火
4%硝酸酒精
500X
F+P
3
3
45钢
退火
4%硝酸酒精
500X
F+P
4
4
65钢
退火
4%硝酸酒精
500X
F+P
5
5
T8
退火
4%硝酸酒精
500X
P
6
6
T12
退火
4%硝酸酒精
500X
P+Fe3Cп
7
8
亚共晶白口铸铁
铸态
4%硝酸酒精
500X
P+Fe3Cп+Ld́́́́
8
9
共晶白口铸铁
铸态
4%硝酸酒精
500X
Ld́
9
10
过共晶白口铸铁
铸态
4%硝酸酒精
500X
Fe3Cı+Ld́
10
13
T8
280Cº等温淬火
4%硝酸酒精
500X
B下+M+A΄
11
15
20
淬火
4%硝酸酒精
500X
M板
12
16
T8
淬火
4%硝酸酒精
500X
M片+A΄
13
17
45
正火
4%硝酸酒精
500X
F+S
14
19
45
860Cº淬火
4%硝酸酒精
500X
M
15
22
45
860Cº淬火+高温回火
4%硝酸酒精
500X
S回
16
25
T12
球化退火
4%硝酸酒精
500X
P球（F+Fe3C球）
17
28
40Cr
淬火+高温回火
4%硝酸酒精
500X
S回
18
30
GCr15
淬火+低温回火
4%硝酸酒精
500X
M+A΄
表2—4钢和铸铁的平衡组织与非平衡组织样品
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