实验一 金相显微镜的使用与金相样品的制备
一、实验目的
1.了解金相显微镜的构造、原理及使用规则。
2.掌握制备金相显微试样制备的基本操作方法。
二、实验概述
金相分析是研究工程材料内部组织结构的主要方法之一，特别是在金属材料研究领域中占有很重要的地位。金相显微镜是进行显微分析的主要工具，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。金相显微分析可以观察、研究材料的组织形貌、晶粒大小、非金属夹杂物（如氧化物、硫化物等）在组织中数量和分布情况等问题，即可以研究材料的组织结构与其化学成分（组成）之间的关系，确定各类材料经不同加工工艺处理后的显微组织，可以判别材料质量的优劣等。
在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。由于光学的原因，金相显微镜的放大倍数为几十倍到两千倍，鉴别能力为250μm 左右，若观察工程材料的更精细结构（如嵌镶块等），则要用近代技术中放大倍数可达几十万倍的透射、扫描电子显微镜及X 光射线技术等。以下仅对常用的光学金相显微镜做一介绍。
1.金相显微镜的原理、构造及使用
（1）金相显微镜的基本原理
金相显微镜的光学原理如图1-1所示。光学系统包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。物镜和目镜分别由两组透镜组成。对着物体AB 的一组透镜组成物镜O 1；对着人眼的一组透镜组成目镜O 2。现代显微镜的物镜、目镜都由复杂的透镜系统组成。
图1-1 金相显微镜的光学原理示意图
物镜使物体AB 形成放大的倒立实像A ，B ，（称中间像),目镜再将A ,B ,放大成仍倒立的虚像A ,,B ,,
，
其位置正好在人眼的明视距离处(即距人眼250mm 处),人眼在目镜中看到的就是这个虚像A ,,B ,,
。
金相显微镜的主要性能如下： 1)放大倍数
显微镜的放大倍数下面公式来确定：
目
物目物f D
f L M M M ?
=
= 式中 M ——显微镜的放大倍数；M
——物镜的放大倍数；目M ——目镜的放大倍数；
物
f
——物镜的焦距；目f ——目镜的焦距； L ——显微镜的光学镜筒长度； D
——明视距离（250mm ）。
物f 、目f 越短或L 越长，则显微镜的放大倍数越大。在使用时，显微镜的放大倍数等于物镜和
目镜的放大倍数的乘积。每个物镜和目镜上均刻有其放大倍数，如：10×、20×、45×等，分别表
示其放大10倍、20倍、45倍等。
2)金相显微镜的鉴别率
显微镜的鉴别率是指它能清晰的分辨试样上两点间最小距离d 的能力。d 值越小，鉴别率就越高。鉴别率是显微镜的一个最重要的性能。它取决于物镜的数值孔径A 和所用入射光线的波长λ(即
A
d 2λ
=
)，与目镜无关，光线的波长可通过滤色片来选择。当光线的波长一定时，可以改变物镜的
数值孔径来调节显微镜的鉴别率。
3) 物镜的数值孔径
物镜的数值孔径A 表示物镜的聚光能力，如图1-2所示。
?sin n A =
式中 n ——物镜与试样之间介质的折射率；
?——物镜孔径角的一半。
图1-2 物镜的孔径角
n 越大或φ越大，则A 越大。由于φ总是小于90o，当介质为空气时（n =1）,A 一定小于1；当介质为松柏油时（n =1.5），A 值最高达到1.4。每个物镜上都有一个设计额定的A 值，它标刻在
物镜上，如0.25、0.65等。
（2）金相显微镜的构造及功能
金相显微镜的种类和类型很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。它的构造通常由光学系统、照明系统以及机械系统三大部分组成。有的还附带有照相摄影装置。现以XJB-1型台式金相显微镜为例进行说明。
XJB-1型金相显微镜的结构如图1-3（a ）所示。本仪器采用倒置式结构，结构紧凑，体积较小。底盘为圆盘形，重心较低，安放稳定。目镜筒成45°倾斜安装，观察舒适。
(1)-灯泡 (2)-聚光镜组Ⅰ (3)- 聚光镜组Ⅱ (4)-半透反光镜 (5)-辅助透镜Ⅰ (6)-物镜组 (7)-反光镜 (8)-孔径光栏 (9)-视场光栏 (10)- 辅助透镜Ⅱ (11)-棱镜Ⅰ (12)-棱镜Ⅱ (13)-视场 (14)-目镜
图1-3 XJB-1型金相显微镜
1)光学系统
XJB-1型金相显微镜的光学系统如图1-3（b）所示。其工作原理是：由灯泡发出一束光线，经过聚光镜组Ⅰ的会聚及反光镜的反射，汇聚到孔径光栏上，随后经过聚光镜Ⅱ，再将光线聚集到物镜的后焦面上，最后光线经过物镜，平行照射到试样上，使其表面得到充分均匀的照明。从试样表面反射回来的光线复经物镜和辅助透镜Ⅰ，由半透反射镜转向，再经过辅助透镜Ⅱ以及棱镜Ⅰ与Ⅱ，形成一个被观察物体的倒立放大实像，该像经过视场透镜和目镜的再度放大，即可得到所观察的试样表面的放大图像。
2)照明系统
由于金相显微镜所观察的物体是不透明的金属表面，因此显微镜上设置人工照明光源，用于试样表面的照明。在仪器底座内装有作为照明光源的低压灯泡（6～8V，15W），由变压器降压供电，靠调节次级电压（6～8V）来改变灯光的亮度。灯前部装有聚光镜，反光镜和孔径光栏等部件，视场光栏及另一聚光镜则安置在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分而均匀的照明。
3)调焦装置
粗动、微动调焦机构采用的是同轴式调焦机构。粗调焦手轮和微动调焦手轮安装在粗微动座的两侧，位于显微镜下部。旋转粗调焦手轮，能是载物台迅速地上升或下降，旋转微动调焦手轮，能是载物台缓慢地上升或下降，这是物镜精确调焦所必需。在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上、下微动0.002毫米。与此同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动升降极限位置。当旋转至极限位置时，微动手轮就自动被限制住。此时，不能再继续旋转，而应倒转回来使用。
4)载物台（样品台）
载物台用于放置金相试样，它与下面托盘之间有连接导架，移动结构采用粘性油膜连接，用手推动，可使载物台在水平面上做一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。
5)孔径光栏和视场光栏
孔径光栏安装在照明反射镜座上，刻有０～５分刻线，表示孔径的毫米数，调整它能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。转动光栏外面的直纹滚花套圈即可调节光栏的大小。通过调节光栏大小，可以提高最后映像的质量。
6)物镜转换器和物镜
转换器是球面形，上面有三个螺孔，可以安装不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，并与不同的目镜匹配使用，以获得各种所需的放大倍数。本仪器所带物镜有三种，放大倍数分别为8×，45×，100×。
7)目镜筒及目镜
目镜筒呈45°倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，便于观察。本仪器所带目镜有三种，放大倍数分别为5×，10×，15×。
（3）金相显微镜的使用及注意事项
金相显微镜是贵重的精密光学仪器，使用时必须倍加爱护，自觉遵守其操作规程，细心谨慎地使用。
初次使用显微镜前，应首先了解显微镜的基本原理、构造特点以及各主要部件的相互位置和作用等，然后了解显微镜使用注意事项。
1)显微镜的操作规程
a)选择适当的载物台，将试样放在载物台上；
b)根据观察需要，选择适宜的物镜和目镜，转动粗调焦手轮，升高载物台，将物镜和目镜分别安装在物镜转换器和目镜管上。并使转换器转至固定位置；
c)将显微镜光源灯泡的插头插在变压器5V 或6V位置上(照相时用8V)，并将变压器与电源相接，使灯泡通电发光；
d)通过调焦手轮（旋钮）进行调焦。先用双手转动粗调焦手轮，使载物台慢慢下降，令试样尽量靠近物镜（不得接触），同时用目镜观察，待看到组织后，再调节微调焦手轮直至物像清晰为止；
e)适当调节孔径光栏和视场光栏的大小以获得最佳质量的物像。
2)显微镜使用的注意事项
a)使用操作前必须将手洗干净，保持显微镜和工作台的清洁。使用时不能用手触摸物镜、目镜镜头。用镜头纸清洁镜头。
b)金相试样一定要洁净干燥，不得残留有浸蚀液和酒精等污物，以免腐蚀物镜的透镜。
c)不能用手触摸金相试样的观察面，要保持干净，观察不同部位组织时，可以平推载物台，不要挪动试样，以免划伤观察表面。
d)显微镜的照明灯泡电压一般为6V、8V，必须通过降压变压器使用，切勿将灯泡插头直接插入220V电源，以免烧毁灯泡。观察结束后应及时关闭电源。
e)操作时必须要细心，不能有任何粗暴和剧烈的动作。安装、更换镜头及其他附件时也要细心。严禁自行拆卸显微镜的镜头等重要部件。
f)使用中如出现问题和故障，应立即报告指导教师，不得自行处理。
g)使用完毕后，关闭电源，将显微镜恢复到使用前的状态，罩好仪器套，经教师检查无误后，方可离开实验室。
2.金相显微试样的制备方法
为了在金相显微镜下确切地、清楚地观察到金属内部的显微组织，金相试样必须进行精心的制备。金相试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、侵蚀等几个步骤。制备好的试样应能够观察到真实组织，没有磨痕、麻点、水迹等，并使金属组织中的夹杂物、石墨等不脱落，否则将会严重影响显微分析的正确性。
（1）取样
显微试样部位及观察面的选取，应根据被分析材料或零件的失效特点、加工工艺的性质以及研究的目的等来确定，即取样应具有代表性。例如，在检验和分析失效零件的损坏原因时，除了在损坏部位取样外，还应在完好部位取样，以便于比较性分析；在研究金属铸件组织时，由于存在偏析现象，必须从表面到中心同时取样进行观察；对轧制和锻造材料，则应同时截取横向（垂直于轧制方向）及纵向〔平行于轧制方向〕部位的材料做试样；对于一般热处理后零件，由于组织比较均匀可自由选取断面试样。
试样的截取方法是材料的性质不同而异。软的材料可用锯、车等方法；硬的材料可用水冷砂轮切片机切取或电火花线切割机切割；硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击；大件可用氧气切割等等。不论哪种方法取样，都应避免试样受热或变形，保证被观察面的金属组织不发生变化。
试样尺寸不要过大，应便于握持和易磨制。通常采用高度为10mm～15mm,观察面的边长或直径为15mm～25mm的方快形或圆柱形试样。
对于尺寸过于细小，如细丝、薄片、细管或形状不规则，以及有特殊要求（如观察表层组织）的试样，制备时比较困难，则必须采用镶嵌法（略）进行试样镶嵌。
（2）磨制
试样的磨制一般分为粗磨和细磨两道工序。
粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。将取得的试
样磨面用砂轮或锉刀磨制成平面，在砂轮上磨制时，应注
意握紧试样，压力不宜太大，并随时用水冷却，以防止试
样过热。经粗磨后的试样表面虽较平整，但仍存在有较深
的磨痕。
细磨的目的就是为了消除粗磨留下的磨痕，以获得平
整而光滑的磨面，并为下一步的抛光做好准备。细磨有手
工磨和机械磨两种。
图1-4 试样磨面上磨痕变化情况示意图手工磨是用手拿持试样，在金相砂纸上磨平。即将粗
磨好的试样用水冲洗并擦干后，依次用由粗到细的各号金相砂纸将磨面磨光。常用的金相砂纸号码有01号、02号、03号、04号几种，前者磨粒较粗，后者较细。
磨制试样时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，用力要均匀，务求平稳，否则会使磨痕过深，而且易造成磨面变形。试样退回时不能与砂纸接触，以保证磨面平整而不产生弧度。这样“单程单向”地重复进行，直至磨面上的旧磨痕被去掉，新的磨痕均匀一致为止。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°，即与上一道磨痕方向垂直，以便于观察上一道磨痕是否磨去。
为了加快磨制速度，减轻劳动强度，可采用机械磨。在预磨机的转盘上贴上水砂纸进行试样的机械磨制。水砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号、1000号等。磨制时要注意不断加水冷却，同样依照由粗到细的顺序逐次更换砂纸磨平试样。每换一道砂纸时，应将试样用水冲净，并调转90°方向磨制。
（3）抛光
细磨后的试样还需要进行抛光，目的是去除细磨时遗留下的细微磨痕，以获得光亮而无磨痕的镜面。常用抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中机械抛光应用最广，本实验主要介绍机械抛光方法。
机械抛光是在专用抛光机上进行。抛光机主要由一个电动机和被带动的一个或两个抛光圆盘（直径200～300mm）组成。抛光盘转速为200～600r/min，抛光盘上辅以呢绒布、细帆布、丝绸布等。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，常用的抛光液是Al2O3、MgO或Cr2O3的纯氧化物等细粉末（粒度约为0.3μm ～1μm）在水中的悬浮液。或在抛光盘上涂以由极细金刚石粉制成的膏状抛光剂。机械抛光就是靠极细的抛光粉剂对磨面的机械作用来消除磨痕而使其成为光亮的镜面。
抛光操作时，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。抛光时间不宜过长，试样表面磨痕全部消除而呈光亮的镜面后，即可停止抛光。试样用水冲洗干净，然后进行侵蚀，或烘干直接在显微镜下观察。
注意：在抛光机上进行试样抛光时，切记要注意安全，一定要握紧试样，注意力要集中，以防止试样脱手飞出伤人。
（4）浸蚀
经过抛光后的试样磨面是一光滑镜面，在显微镜下只能看到一片光亮，除某些非金属夹杂物、石墨、孔洞、裂纹外，无法辨别出各种组织组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显露出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。
化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂（常用酸、碱、盐的酒精或水溶液）中浸蚀或擦拭一定时间。由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电位，在浸蚀剂中旧构成了许多微电池，电极电位低的相为阳极而被溶解，电极电位高相为阳极而被保持不变。所以浸蚀后就形成了凸凹不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射情况不同，就能观察到金属的显微组织特征。
纯金属及单相合金浸蚀
时，由于晶界原子排列较乱，
缺陷及杂质较多，具有较高的
能量，故晶界易被浸蚀而呈凹
沟。在显微镜下观察时，使光
线在晶界处发生漫发射而不能
进入物镜，因此显示出一条条
黑色的晶界，如图1-5（a）所
示。对于双相合金，由于电极
电位不同，负电位的一相被浸
蚀形成凹沟，当光线照射到凹
凸不平的试样表面时，就能看
到不同的组织组成相，如图1-5
图1-5 单项和双向组织的显示图
（b）所示。
金属中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位向不同，也会使磨面上各个晶粒的浸蚀程度不尽一致，在垂直光线照射下，各个晶粒就呈现出明暗不同的颜色。
化学浸蚀剂的种类很多，按金属材料的种类和浸蚀的目的，选择适当的浸蚀剂。
浸蚀时可将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾浸蚀剂擦拭表面。浸蚀的深浅程度根据组织的特点和观察时的放大倍数来确定。
浸蚀后试样用水及酒精清洗，并用吹风机吹干。
三、实验设备及材料
本实验主要设备仪器有：光学金相显微镜，试样切割机、砂轮机、金相抛光机、电吹风机等。
所用实验材料有：低碳钢试样，工业纯铁铁素体、T8钢珠光体显微组织样品，不同型号的金相砂纸，抛光粉，硝酸酒精溶液（含4%HNO3），酒精，脱脂棉等。
四、实验内容及步骤
1.实验前必须仔细阅读实验讲义的有关内容；
2.听取实验指导教师讲解金相显微镜的构造、使用方法等内容，熟悉金相显微镜的构造及其操作规程；
3.由实验指导教师讲解金相试样制备的基本操作过程，学生每人一块试样，进行试样制备全过程的操作，直至制成合格的金相试样；
4.在金相显微镜下观察所制备试样的显微组织特征，并用铅笔描绘画出。
五、实验报告要求
在指定的报告纸上完成报告。注意：必须要写明实验名称、实验日期、学生姓名与学号。
1.写出实验目的；
2.扼要描述光学金相显微镜的使用规程，画出显微镜的光学系统示意图；
3.说明金相试样制备的过程及其注意事项；
4.在报告纸上所给定的圆圈内，用铅笔画出所制备试样的显微组织图，并注明试样的材料、组织类别、浸蚀剂及放大倍数；
六、思考题
1.金相显微镜使用时应注意些什么问题。
2.制备金相试样时，如何使试样制备得又快又好。
实验二铁碳的平衡组织和非平衡组织的观察与分析
一、实验目的
1．观察和分析碳纲和白口铸铁在平衡状态下的显微组织。
2．分析含碳量对铁碳合金的平衡组织的影响，加深理解成分、组织和性能之间的相互关系。
3．熟悉灰口铸铁中的石墨形态和基体组织的特征，了解浇铸及处理条件对铸铁组织和性能的影响，并分析石墨形态对铸铁性能的影响。
4．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
铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料的基础。所谓铁碳合金平衡状态的组织是指在极为缓慢的冷却条件下，比如退火状态所得到的组织，其相变过程按Fe—Fe3C相图进行，此相图是研究组织，制定热加工工艺的重要依据。其室温平衡组织均由铁素体F和渗碳体Fe3C两个相按不同数量、大小、形态和分布所组成。高温下还有奥氏体A，固溶体相δ。用金相显微镜分析铁碳合金的组织时，需了解相图中各个相的本质及其形成过程，明确图中各线的意义，三条水平线上的反应产物的本质及形态，并能作出不同合金的冷却曲线，从而得知其凝固过程中组织的变化及最后的室温组织。
在上述的铁碳合金中，碳除了少数固溶于铁素体和奥氏体外，其余的均以渗碳体Fe3C方式存在，即按Fe—Fe3C相图进行结晶。除此之外，碳还可以以另一种形式存在，即游离状态的石墨，用G表示，所以，铁碳合金的结晶过程存在两个相图，即上述的Fe—Fe3C相图和Fe—C相图。这两个相图常画在一起，就称为铁碳双重相图。
在实际生产中，由于化学成分、冷却速度等的不同，常得到三种不同的铸铁，即灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。
灰口铸铁是第一阶段和第二阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，其中碳全部或大部分以石墨形式存在，断口为灰暗色而得名。在工业生产上广泛应用。
白口铸铁是第一阶段和第二阶段石墨全部被抑制，完全按照Fe—Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁，其中碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口呈白色而得名，这类铸铁组织中因存在大量莱氏体，即硬又脆，不易加工，在工业上
很少应用。
麻口铸铁是第一阶段石
墨化过程部分进行而得到的
铸铁，其中碳一部分以Fe3C
形式存在，另一部分以石墨形
式存在，组织介于灰口铸铁和
白口铸铁之间，断口上黑白相
间成麻点而得名。因组织中含
有不同程度的莱氏体，性硬而
脆，在工业上也很少应用。
铁碳合金经过缓慢冷却
后，所获得的显微组织，基本
上与铁碳相图上的各种平衡
组织相同，但碳钢的不平衡状
态，即在快速冷却时的显微组
织应由过冷奥氏体等温转变
曲线图，即C曲线来确定。
1．碳钢和铸铁的平衡组织
根据Fe—Fe3C相图中含碳量的不同，铁碳合金的室温显微组织可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类。按组织标注的Fe—Fe3C相图见图2-1。
（1）工业纯铁
含碳量小于0.0218%的铁碳合金，室温显微组织为铁素体和少量三次渗碳体，铁素体硬度在80HB 左右，而渗碳体硬度高达800HB，工业纯铁中的渗碳体量很少，故塑性、韧性好，而硬度、强度低,不能用作受力零件。
（2）碳钢
含碳量在（0.0218—2.11）%之间的铁碳合金，高温下为单相的奥氏体组织，塑性好，适应于锻造和轧制，广泛应用于工业上，根据含碳量和室温组织，可将其分为三类：亚共析钢、共析钢和过共析钢。
1）亚共析钢
含碳量在（0.0218—0.77）%之间的铁碳合金，室温组织为铁素体和珠光体，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，显微组织中铁素体呈白色，珠光体呈暗黑色或层片状。
2）共析钢
含碳量为0.77%，其显微组织由单一的珠光体组成，即铁素体和渗碳体的混合物，在光学显微镜下观察时，可看到层片状的特征，即渗碳体呈细黑线状和少量白色细条状分布在铁素体基体上，若放大倍数低，珠光体组织细密或腐蚀过深时，珠光体片层难于分辨，而呈现暗黑色区域3）过共析钢
含碳量在（0.77—2.11）%之间，室温组织为珠光体和网状二次渗碳体，含碳量越高，渗碳体网愈多、愈完整。当含碳量小于1.2%时，二次渗碳体呈不连续网状，强度、硬度增加，塑性、韧性降低，当含碳量大于或等于1.2%时，二次渗碳体呈连续网状，使强度、塑性、韧性显著降低，过共析钢含碳量一般不超过（1.3—1.4）%，二次渗碳体网用硝酸酒精溶液腐蚀呈白色，若用苦味酸钠溶液热腐蚀后，呈暗黑色。
（3）白口铸铁
含碳量在（2.11—6.69）%之间，室温下碳几乎全部以渗碳体形式存在，故硬度高，但脆性大，工业上应用很少。按含碳量和室温组织将其分为三类。
1）亚共晶白口铸铁
含碳量在（2.11—4.3）%之间，室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体Ld'组成。用硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜下呈现枝晶状的珠光体和斑点状的莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。
2）共晶白口铸铁
含碳量为4.3%，室温组织由单一的莱氏体组成，经腐蚀后，在显微镜下，变态莱氏体呈豹皮状，由珠光体，二次渗碳体及共晶渗碳体组成，珠光体呈暗黑色的细条状及斑点状，二次渗碳体常与共晶渗碳体连成一片，不易分辨。呈亮白色。
3）过共晶白口铸铁
是含碳量大于4.3%的白口铸铁，在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成，经硝酸酒精溶液腐蚀后，显示出斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色粗大的片状的一次渗碳体。
（4）灰口铸铁
铁碳双重相图如图2-2所示，由铁碳双重相图可知，铸铁凝固时碳可以以两种形式存在，即以渗碳体的形式Fe3C和石墨G的形式存在。碳大部分以渗碳体Fe3C形式存在的，因其断口呈白色。而称白口铸铁，如前所述，白口铸铁硬而脆，很少用做零件。而碳大部分以石墨形式存在的，因其断口呈灰色，而称灰口铸铁。
工业生产中常采用调
整铸铁成分，加入石墨化形
成元素如C、Si、P、Al、
Cu及球化剂，或进行石墨
化退火等措施，生产各种灰
口铸铁零件。虽然灰口铸铁
的强度、塑性和韧性比钢
差，但具有优于钢的减震
性，耐磨性、铸造性和可切
削性，且生产工艺和熔化设
备简单，因而在工业上得到
普遍应用。
灰口铸铁的显微组织
可简单的看成是钢基体和
石墨夹杂物共同构成。按石
墨形态可将灰口铸铁分为
灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸
铁三种。按基体的不同又可分为三类，即铁素体、珠光体、铁素体+珠光体。灰口铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能、耐磨性和减磨性，在工业上得到广泛的应用。
2．碳钢和铸铁的非平衡组织
由碳钢的过冷奥氏体转变曲线知，不同的冷却条件，过冷奥氏体将发生不同类型的转变，转变
产物的组织形态各不相同。共析碳
钢的C曲线见图2-3所示。
（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，等温淬火的温度视钢的成分而定。
三、实验仪器及材料
1．观察表2-1中的金相样品。
2．几种基本组织的概念与特征见表2-2。
3．XJB-1型、4X型、XJP-3A型和MG型金相显微镜数台。
4．多媒体设备一套。
5．金相组织照片两套。
表2-1 碳钢和铸铁的平衡组织与非平衡组织样品
表2—2 几种基本组织的概念及金相显微镜下的特征
四、实验内容
1．实验前应复习课本中有关部分，认真阅读实验指导书。
2．熟悉金相样品的制备方法与显微镜的原理和使用。
3．认真聆听指导教师对实验内容、注意事项等的讲解。
4．用光学显微镜观察和分析表2—1中各金相样品的显微组织。
5．观察过程中，学会分析相、组织组成物及分析不同碳量的
铁碳合金的凝固过程、室温组织及形貌特点。
五、实验要求
1．画组织示意图
（1）画出下列组织示意图
1）亚共析纲20钢、40钢、60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）灰口铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁中任选一个
5）淬火马氏体：低碳和高碳马氏体任选一个
6）贝氏体：40Cr上贝氏体、T8下贝氏体任选一个
（2）画图方法如下
1）应画在30—50直径的圆内，在图下方注明：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。如下图：
2
2．回答问题
（1）分析所画组织的形成原因。并近似确定一种亚共析钢的含碳量。
（2）根据实验结果，结合所学知识，分析碳钢和铸铁成分、组织和性能之间的关系。
（3）分析碳钢（任选一种成分）或白口铸铁（任选一种成分）凝固过程。
（4）总结碳钢、铸铁和淬火组织中各种组织组成物的本质和形态特征。
注：以上问题可按具体情况选做。
实验三：碳钢热处理与硬度测定
一、实验目的
1.熟悉钢的几种基本热处理操作；
2.研究加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响；
3.了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计。
二、实验概述
钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。
1.加热温度选择
（1）退火加热温度
一般亚共析钢加热至A C3＋(20～30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A C1＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。
（2）正火加热温度
一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；过共析钢加热至A Cm＋(30～50)℃，即加热到奥氏体单相区。退火和正火加热温度范围选择见图3-1。
图3-1 退火和正火的加热温度范围图3-2 淬火的加热温度范围
（3）淬火加热温度
一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；共析钢和过共析钢则加热至A C1＋(30～50)℃，加热温度范围选择见图3-2。
淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于A C3时的淬火为完全淬火；加热温度在A C1和A C3（亚共析钢）或A C1和A CCm（过共析钢）之间是不完全淬火。在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
（4）回火加热温度
钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求），通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。
低温回火：加热温度为150℃～250℃。其目的主要是降低淬火钢中的内应力，减少钢的脆性，
同时保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。
中温回火：加热温度为350℃～500℃。其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于各种弹簧热处理。
高温回火：加热温度为500℃～650℃。其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。
2.保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解奥氏体成分均匀化，必须在热处理加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。
热处理加热时间必须考虑诸多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子的温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。
实际工作中常根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度（或直径）每毫米一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米两分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短1～２倍。
对钢件在电炉中保温时间的数据可参考表3-1。
表3-1 钢件在电炉中的保温时间选择参考数据
3.冷却方式和方法
热处理时冷却方式（冷却速度）影响着钢的组织和性能。选择适当的冷却方式，才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火采用空气冷却，大件可采用风冷。
淬火的冷却方法非常重要。冷却速度是钢在淬火过程中
最主要的因素，它直接影响淬火产物和性能。一方面冷却速
度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一
方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免工件变形和开裂。
为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和冷却方法，
使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650℃～550℃)
快冷，超过临界冷却速度，以防珠光体类型转变发生；而在
图3-3 淬火时的理想冷却曲线示意图
马氏体转变区域范围内(300℃～100℃)，则冷却减慢，以减
少淬火工件产生的应力。理想的冷却速度如图3-3所示。
淬火介质不同，其冷却能力不同，因而工件的冷却速度也就不同。合理选择冷却介质是保证淬火质量的关键。对于碳钢来说，用室温的水作淬火介质通常能保证得到较好的结果。
目前常用的淬火介质和它们冷却能力见表3-2。
表3-2 常用的淬火介质和其冷却能力数据
4.硬度是指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。它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。
洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。 维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。
显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。 （1）布氏硬度试验 1）原理
用载荷为P 的力,把直径为D 的淬火钢球压入金属试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径d ，据此计算出压痕球面积F ，然后再计算出单位面积所受的力（P/F 值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号 HB 表示。布氏硬度试验原理如图3-4所示。
设压痕深度为h 则压痕球面积为
2(22d D D D Dh F --==ππ
试样硬度值为：
22(2d D D P F P HB -==π
式中 P ——施加的载荷，kg 或N ；
D ——压头（钢球）直径，mm ； d ——压痕直径，mm ； F ——压痕面积，mm 2。
布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。单位为kg/mm 2
或N/mm 2
，但一般不标出。硬度值越高，表示材料越硬。实验室只要测出压痕直径d （毫米）,通过计算或查表即可得出HB 值。
由于金属材料又软又硬，工件有薄有厚，有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的钢球有φ2.5mm 、φ5mm 、φ10mm 三种。载荷有15.6kg 、62.5kg 、187.5kg 、250kg 、750kg 、1000kg 、3000kg
七种。当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时，只要能满足P/D 2
为常数，则同一种材料测得的布氏硬度是相同的。而不同材料所测的布氏硬度值也可以进行比较。国家标准规
定P/D 2
的比值为30、10、2.5三种。在试样厚度和截面大小允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更易于反映材料性能的真实性。另外，由于压痕大，测量的误差也小。所以，测定钢的硬度时，一般规定采用Φ10mm 钢球、3000kg 的载荷、保荷时间为10秒。试验后的压痕直径应在0.25D ﹤d ﹤0.6D 的范围之内，否则试验结果无效。因为若d 太小，则灵敏度和准确性将随之降低；若d 太大，则压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响试验结果的准确性。
图3-4 布氏硬度计试验原理示意图
布氏硬度的表示方法是：压头为钢球时用HBS,压头用硬质合金时用HBW 。若用Φ10mm 钢球，在3000kg 载荷下保荷10s,测得布氏硬度值为400时，可以表示为400HBS ，若用硬质合金球为压头，则表示为400HBW 。
在其他试验条件下，符号HB 应以相应的指数注明钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。例如，100HB5/250/30即表示：用5mm 直径钢球，在250kg 载荷下保持30s 时，所测得的布氏硬度为100。
布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。表3-3为布氏硬度的试验规范。实际测定时，应根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，按照标准试验规范，选择钢球直径、载荷及载荷保持时间。
表3-3 布氏硬度试验规程
优点：硬度值代表性全面，由于压痕面积较大，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。布氏硬度值和抗拉强度间存在一定的换算关系（见表3-4）。其换算式为经验公式，知道硬度后可以粗略的估计其强度，但铸铁不能用此经验公式。
表3-4 HB 与σb 的关系
缺点：采用的压头是淬火钢球，由于钢球本身的变形和硬度问题，致使不能测试太硬的材料。一般在450HB 以上就不能使用。由于压痕较大，不适宜成品检验。
布氏硬度试验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。 （2）洛氏硬度试验
洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。
1）原理
洛氏硬度试验的压头采用锥角为120o的金刚石圆锥头或直径为1.588毫米（1/16英寸）的钢球。载荷先后两次施加，先加预载荷P 0，然后加主载荷P 1，在总载荷的作用下，将压头压入金属材料表
面来进行的硬度测定。其总载荷为P （P=P 0+P 1）。洛氏硬度试验试验
原理如图3-5所示。
图3-5 洛氏硬度计试验原理示意
在图3-5中，0-0位置为金刚石压头没有和试样接触时的位置；1-1位置为压头与试样接触，并受到预载荷P0（规定为10kg）后压入试样的深度为h0的位置；2-2位置为压头受到主载荷P1后压头压入试样的深度为h1的位置；3-3位置为压头卸除主载荷P1后仍保留预载荷P0下时的位置，由于试样弹性变形的恢复，而使压头位置提高了h2。此时压头受主载荷作用实际压入试样的深度为h（h＝h2﹣h1）。h值的大小可用来衡量材料的软硬程度。金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为的规定，用一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度的指标，并规定每0.002毫米为一个洛氏硬度单位。用符号HR表示，则洛氏硬度值为：HR =（K－h）/0.002
此值为一无名数。并可从硬度计的表盘指示器上直接读出。
使用金刚石压头时，常数K为0.2毫米，黑色表盘刻度所示；
使用钢球压头时，常数K为0.26毫米，红色表盘刻度所示。
为了可以用一种硬度计测定出从软到硬的金属材料硬度，采用了不同的压头和总载荷，组合成几种不同的洛氏硬度标度，每一种标度用一个字母在硬度符号HR后加以注明，常用的是HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度试验规范见表3-4。
各种洛氏硬度值之间不能直接进行比较，但可通过实验测定的换算表（略）进行相对比较。
各种洛氏硬度之间，洛氏硬度和布氏硬度值间都有一定的换算关系。对于钢铁材料，大致有下列关系式：
HRC = 2HRA－104
HB = 10HRC （HRC = 40～60范围）
HB = 2HRB
2）洛氏硬度试验方法的优缺点：
优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面进行试验，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：压痕较小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等情况，使所测
硬度值的重复性差，分散度较大。
表3-4 洛氏硬度的试验规范
洛氏硬度计种类较多，
外形构造也各不相同，但构
造原理及主要部件均相同。
图3-6为洛氏硬度计外形
构造及机构示意图。
洛氏硬度计操作方法
如下：
a)按表3-4选择压头
和载荷；
b)根据试样大小和形
状选用载物台；
c)将试样上下两面磨
平，然后置于载物台上；
d)加预载荷，按顺时针
方向转动升降机构的手轮，
使试样与压头接触，并观察读数刻度盘上小针移动至小红点为止；
e)调整刻度盘（图3-7），使表盘上的长针对准硬度值的起点。如测定HRC 、HRA 硬度时，长针与表盘上黑字C 处对准；测定HRB 硬度时，长针与表盘上红字B 处对准；
f)加主载荷，平稳地扳动加载手轮，手柄自动升高至停止位置（时间为5～7秒）并停留10秒（保荷时间）；
g)卸主载荷，扳回加载手柄至原来位置；
h)读取硬度值，读数表盘上长针指示的数字为硬度的读数，HRC 、HRA 读黑色数字，HRB 读红色数字；
i)降下载物台，当试样完全离开压头后，方可取下试样；
j)用同样的方法在试样的不同位置测定三个数据,取其算术平均值为所测试样的硬度。
（3）维氏硬度试验 1）原理
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。维氏硬度试验原理图3-15所示。 所
不同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的锥面夹角为136°的
正四棱锥体压头。试验时，在载荷P （公斤力）的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d （毫米），借
以计算压痕的表面积F （毫米2
）,以P/F 的数值表示试样的硬度值，用符号HV 表示。 2）维氏硬度的优缺点
优点：它有一个连续一致的标度，试验载荷可以任意选择，所测硬度值比布氏硬度精确，可以比洛氏硬度能更好地测定极薄试样的硬度。甚至金相组织中各相的硬度。
缺点：操作较为麻烦，其硬度值需要测量对角线，然后计算或查表获得，生产率不如洛氏硬度试验高，因此，不宜用于成批生产的常规检验。适用于实验、科研等领域。
（4）显微硬度试验
显微硬度试验实质上就是小负荷的维氏硬度试验，其原理和维氏硬度试验一样，所不同的是负荷以克计量，压痕对角线长度以微米计量。试样必须制成金相试样，在显微镜下操作测量。主要用来测定各种组成相的硬度。显微硬度符号用HM 表示。
三、实验设备及材料
本实验主要设备有：箱式电阻炉，坩埚电炉，洛氏硬度计，金相显微镜，长柄铁钳等。
所用实验材料有：45钢和T12钢试样，钢的各种不平衡组织样品，金相图谱，冷却介质水和油，砂纸等。
四、实验内容
1.按表3-6所列工艺进行热处理操作实验；
2.使用洛氏硬度计测定热处理后试样的硬度；
3.观察表3-7中各种样品的显微组织。
图3-7 洛氏硬度计刻度盘 图3-8 维氏硬度计试验原理示意图
表3-6 热处理实验任务表（45钢）
表3-7 观察样品的材料、热处理工艺和显微组织
五、实验步骤
1.全班分成两组，每组一套45钢试样8块，炉冷试样由实验室事先处理好。
2.将45钢试样分别放入860℃和750℃的炉子内加热，保温时间15～20分钟后，分别进行水冷、油冷、空冷操作。
3.淬火时，试样要用钳子夹住，动作要迅速，并不断在水或油中搅动，以免影响热处理质量，注意: 严格遵守操作规程，注意安全，小心取放，避免灼伤。
4.每组从水冷试样（860℃加热后水冷的）中取出三块，分别放入200℃、400℃、600℃的炉子内进行回火处理，回火保温时间为30分钟。
5.热处理后的试样用砂纸磨去两端面的氧化皮，然后测量硬度。
6.每个学生都将自己测定的硬度值填入表3-8中（每个试样打三点），并记录下实验的全部数据资料，与供结果分析。
六、实验报告要求
在指定的报告纸上完成报告。注意：必须要写明实验名称、实验日期、学生姓名与学号、组别。
1.写出实验目的；
2.按照表3-6的样式整理、列出全部实验资料；
3.分析淬火温度、淬火介质及回火温度对45钢性能的影响，并根据铁碳合金相图、C曲线（或CCT曲线）和回火时的转变说明硬度变化的原因；
七、思考题
1.45钢常用的热处理是什么？它们的组织是什么?有何工程应用？
2.退火状态的45钢试样分别加热到600℃～900℃之间不同的温度后，在水中冷却，其硬度随加热温度如何变化？为什么？
3.45钢调质处理得到的组织和T12球化退火得到的组织在本质、形态、性能上有何差异？