材料显微结构与性能实验指导书(1)

实验一、显微硬度法测定材料硬度一、实验目的1. 了解显微硬度测试的意义。

2. 了解影响显微硬度的因素。

3. 学习显微硬度测试的原理与方法。

二、实验概述一般硬度测试的基本原理是：在一定时间间隔里，施加一定比例的负荷，把一定形状的硬质压头压入所测材料表面，然后，测量压痕的深度或大小。

习惯上把硬度试验分为两类：宏观硬度和显微硬度。

宏观硬度是指采用1 Kgf(9.81 N)以上负荷进行的硬度试验。

显微硬度是指采用1Kgf(9.81 N)或小于1 Kgf(9.81 N)负荷进行的硬度试验。

1. 维氏（Vickers）硬度试验法(1)维氏压头：二相对棱面间的夹角为136˚金刚石正方四棱角锥体，即为维氏压头（图8-1a）。

(2)维氏硬度：维氏压头在一定的负荷作用下，垂直压入被测样品的表面产生凹痕，其每单位面积所承受力的大小即为维氏硬度。

维氏硬度计算公式：())/(8544.12sin2222mmKgfdPdPSPHv===α式中：Hv—维氏硬度（kgf/mm2）；P—负荷（kgf）；S—压痕面积（mm2）；d—压痕对角线长度（mm2）;α—压头二相对棱面的夹角（136˚）在显微硬度试验中，此公式表示为：H V=1854.4P/d2式中：H V—维氏硬度（gf/mm2）P－负荷（gf）d—压痕对角线长度（μm）2. 显微硬度测试要点显微硬度测量的准确程度与金相样品的表面质量有关，需经过磨光、抛光、浸蚀，以显示欲评定的组织。

(1)试样的表面状态被评定试样的表面状态直接影响测试结果的可靠性。

用机械方法制备的金相磨面，由于抛光时表层微量的范性变形，引起加工硬化，或者磨面表层由于形成氧化膜，因此所测得的显微硬度值较电解抛光磨面测得的显微硬度值高。

试样最好采用电解抛光，经适度浸蚀后立即测定显微硬度。

(2)选择正确的加载部位压痕过分与晶界接近，或者延至晶界以外，那么测量结果会受到晶界或相邻第二相影响；如被测晶粒薄，压痕陷入下部晶粒，也将产生同样的影响。

材料科学基础实验指导书上海工程技术大学材料工程学院中心实验室2003.1目录实验一(1)金相显微镜的构造及使用———2(2)金相试样的制备———————10实验二铁碳合金平衡组织观察————-—17实验一（1）金相显微镜的构造及使用一、实验目的1.了解金相显微镜的光学原理和构造。

2.初步掌握金相显微镜的使用方法及利用显微镜进行显微组织分析二、概述利用金相显微镜来观察金属及合金的内部组织及缺陷，是材料研究方法中最基本的实验技术。

它在金相研究领域中占有很重要的地位，利用金相显微镜在专门制备的试样上放大 100～1000 倍来观察金属及合金的组织与缺陷的方法称为金属的显微分析法。

显微分析方法可以大致了解金属及合金的组织与化学成份的关系；可以确定各类金属经不同的加工与热处理后的显微组织的变化与性能的关系；可鉴别金属材料中存在的缺陷，如各种非金属夹杂物——氧化物，硫化物等在组织中的数量及分布情况，晶粒度大小、裂纹的走向、各种表面组织以及焊接组织的情况等。

在进行显微分析时，使用的主要仪器是金相显微镜。

金相显微镜主要是利用光线的反射将不透明物体（如金属，岩石，塑料等）放大后进行观察研究的。

在讨论金相显微镜的构造和应用之前，需要先简要地介绍一些有关显微镜的基本理论。

三、显微镜理论的基础知识图1—1放大镜的光学原理图众所周知，放大AB—物体A’B’物象f—焦距镜是最简单的一种光学仪器，它实际上就是一块凸透镜，利用它就可以将物体放大,其成像光学原理如图 1—1所示。

当物体 ( AB ) 放在透镜与其焦点 ( F ) 之间，则经过透镜的光线就会分散开来，从放大镜后面观察，可以看到一个放大了的正虚象 ( A’ B’)，此像的长度与物体长度的比值（即A’B’/AB）就是放大镜的放大率（放大倍数）。

显微镜不是像放大镜那样由单个透镜组成，而是由两个（实际上是两组）透镜所组成的。

对着所观察物体的透镜叫做物镜，而对着眼睛的透镜叫做目镜。

[工程材料]实验指导书金属实验一铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1．观察和识别铁碳合金平衡组织的特征。

2．了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的对应变化关系。

3．学习金相显微镜的使用。

二、实验设备及材料 1．金相显微镜；2．铁碳合金试样一套； 3．金相图谱。

三、实验原理及方法（一）显微组织概述铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。

我们可根据Fe-Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。

图1-1 Fe-Fe3C相图铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，它们的性能与其显微组织密切相关。

对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对相图的理解。

从相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温组织均由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相组成。

但由于含碳量不同，结晶条件不同，铁素体和渗碳体的相对数量、形态、分布和混合情况均有所不同，因而呈现不同的组织形态。

其基本特征如下：1．铁素体（F）是碳溶于α-Fe中的固溶体。

具有良好的塑性，硬度较低。

用3-4％硝酸酒精浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。

2．渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3-4％硝酸酒精浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成暗黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体和渗碳体。

按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：一次渗碳体是直接由液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。

3．珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，在一般退火处理情况下是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。

材料性能综合实践指导书福建⼯程学院材料性能综合实践指导书（材料科学13级卓越⾦属⽆机⽅向）姓名：学号：班级：指导教师：材料科学与⼯程学院·材料科学教研室2016年7⽉实验⽅式、要求及考核⽅法实验⽅式学⽣分组进⾏实验操作，测试实验所要求的参数。

实验注意事项1．学⽣必须认真预习，仔细阅读实验指导书和有关书籍，了解实验⽬的、实验原理、实验⽅法和实验步骤。

2．服从实验指导教师安排，了解实验所⽤设备和仪器操作⽅法，严格遵守操作规程。

3．实验过程中要集中精⼒，认真操作，如实记录各种实验数据，并仔细观察和分析各种实验现象。

4．实验中如出现异常情况，及时汇报指导教师，实验数据须交指导教师检查、签字。

考核⽅法本课程的实验教学结合实际操作和实验报告完成情况，综合评定成绩。

⽬录实验⼀RPYⅢ型材料热膨胀系数测定 (3)实验⼆SX1934型数字式四探针测试仪测量块状电阻 (4)实验三硬度实验 (5)实验四冲击韧性实验 (8)实验五⾦属材料摩擦磨损性能试验 (12)实验六拉伸实验 (21)实验七压缩实验 (33)实验⼋弯曲实验 (35)实验九材料的⾮线性光学测试 (38)实验⼀ RPYⅢ型材料热膨胀系数的测定⼀、实验⽬的1、掌握热膨胀分析的基本原理、仪器结构和使⽤⽅法。

2、掌握热膨胀系数的概念及其测定⽅法。

⼆、基本原理物体的体积或长度随着温度的升⾼⽽增⼤的现象称为热膨胀，它是衡量材料的热稳定性好坏的⼀个重要指标。

⽬前，测定材料线膨胀系数的⽅法有很多，有⽰差法（或称⽯英膨胀计法）、双线法、光⼲涉法、重量温度计法等。

⽰差法具有⼴泛的实⽤意义。

三、实验步骤1、试样及其制备。

按标准测定试样尺⼨。

试样端⾯应加⼯，使两端⾯平⾏，且平整，并保证其端⾯与试样主轴垂直。

2、将试样放⼊膨胀试样室内，调整⽀架将试样放⼊⾼温炉中，装好位传感器和感温探头。

3、开启计算机，进⼊仪器使⽤界⾯，选择试验类型，载荷、升温速率、最⼤变形量，调节试验架螺旋测微仪，使位移传感器在零点附近。

实验九合金钢、铸铁、有色合金的显微组织观察实验项目名称：钢在热加工后常见的缺陷实验项目性质：普通实验所属课程名称：金属材料与热处理实验计划学时：2一、实验目的1、观察和研究各种不同类型合金材料的显微组织特征。

2、了解这些合金材料的成分、显微组织对性能的影响。

二、实验内容和要求合金钢的性能之所以比碳钢优越，主要是由于合金元素在钢中所起的作用，它们的加入改变了钢的内部组织与结构，其相变温度也是很大变化的。

铸铁的组织（除白口铸铁外）可以认为是钢的基体上分布着不同形态、尺寸和数量的石墨，其中石墨的形状及数量变化对性能起着重要作用，所以正确认识和鉴别各类铸铁的金相组织对估计和评定铸铁的质量和性能有着重要意义。

有色金属和合金具有某些独特的优异性能，例如铝合金比重小而强度高；铜及铜合金导电性极好，耐蚀性强；铅与锡合金具有良好的减摩性等，而这些性能特点也无不与其内部组密切相关。

下面着重研究和分析各种不同类型合金材料的组织特点。

（一）合金钢合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在基本相有：合金铁素体、奥氏体、碳化物（包括渗碳体、特殊碳化物）及金属间化合物等。

其中合金铁素体与合金渗碳体及大部分合金碳化物的组织特征与碳钢的铁素体和渗碳体无明显区别，而金属间化合物的组织形态则随种类不同而各异，合金奥氏体在晶粒内常常存在滑移线和孪晶特征。

（1）高速钢高速钢是高合金工具钢，以具有良好的热硬性（或红硬性）著称。

这里以典型的W18Cr4V（简称18-4-1）钢为例加以分析研究。

W18Cr4V的化学成分为：0.7~0.8%C，17.5~19%W，3.8~4.4%Cr，1.0~1.4%V，≤0.3%Mo。

由于钢中存在大量的合金元素（大于20%）因此除了形成合金铁素体与合金渗碳体外，还会形成各种合金碳化物（如Fe4W2C、VC等），这些组织特点决定了高速钢具有优良的切削性能。

高速钢的热处理状态有铸态组织，退火组织、淬火及回火后的组织。

实验一碳钢的平衡组织观察一、实验目的：1. 熟悉碳素钢在平衡状态下的显微组织，建立铁碳合金的组织与Fe—Fe3C，Fe—C状态图之间关系的概念。

2. 熟悉铁碳合金的组织及计算其含碳量的方法。

3. 熟悉金相显微镜的使用。

二、实验内容说明：1. 概述：铁碳平衡相图是研究钢铁材料性能、+-工艺及组织之间关系的基础。

铁碳合金在平衡状态时的组织是指缓慢冷却后的组织，其相变过程均按照Fe—Fe3C状态进行。

图1为铁碳状态图。

铁碳合金在室温时组织的基本构成成份可以为单相组织与复相组织两种。

单相组织——铁素体及渗碳体。

（1）铁素体（α）：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶体，其最大含量是0.02%（727℃）而室温时只能溶碳0.0008%。

（2）渗碳体：是铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量为6.69%。

复相组织——珠光体，珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。

它是由含碳0.77%的奥氏体在727℃时所形成的共析体，其反应如下γ727℃p（α+Fe3C）。

珠光体通常呈层片状组织，在一定温度下等温，也可形成球状珠光体。

2.碳钢在平衡状态下的显微组织：根据状态图，碳钢的组织有三种类型。

（1）亚共析钢（C小于0.77%的铁碳合金）：组织为铁素体十珠光体。

含碳量愈高，铁素体的含量就愈少，珠光体的相对含量便愈大。

如图所示白色的铁素体、黑色的珠光体。

按照Fe—Fe3C图用杠杆定律求出已知含C%的钢所含铁素体与珠光体的百分数。

例如：0.2%C的钢，其组织中珠光体、铁素体的相对百分数如下：珠光体（%）0.2/0.8=25%铁素体（%）（0.8-0.2）/0.8=75%与此相反，我们也可以根据显微镜下看到的珠光体百分数和铁素体的百分数来估计钢的含C 量百分数。

如组织中有60%面积为珠光体，40%面积为铁素体，则钢的含C量为：0.8×60%=0.48%（2）共析钢（0.77%C）：组织中为纯珠光体，用光学显微镜观察可看到黑白相间的层片组织。

显微组织（金相）观察一﹑实验目的：(1)观察和识别铁碳合金的显微组织特征。

(2)牢固建立铁碳合金中成分和组织之间的变化规律。

二﹑实验仪器：1、水冷式砂轮切割机2、金属镶嵌机3、研磨机和SiC水砂紙4、拋光机和拋光液(氧化鋁粉加水)5、吹风机6、腐蚀液7、压平器8、金相(光学)显微镜(反射式)光学显微镜三、实验原理：1、*倍率= 物镜倍率×目镜倍率(5X，10X，20X，40X，50X，100X，200X) (10X) 光学显微镜可用放大倍率为50X~2000X(一般所用最高倍率为1000X)。

2、试验程序：(1)切取试片：水冷式砂轮切割机(2)鑲埋：金属镶嵌机(3)研磨：研磨机，SiC水砂纸：120#→1200#(4)拋光：拋光机，氧化铝粉：1μ→0.3μ→0.06μ(5)腐蚀：1~5%Nital (硝酸酒精溶液)(6)压平试片：压平器(7)显微组织观测：光学显微镜四、实验步骤：1、材料：热处理试验后之试片(退火、正常化、淬火、回火四根试片)。

2、试验步骤：（1）切取试片：水冷式砂轮切割机。

（2）粗磨：试片切取后，若有不平整表面可用粗砂纸磨平。

（3）鑲埋：利用金属镶嵌机（4）细磨：以手磨或研磨机研磨，所用研磨纸为120目→180目→240目→320目→400目→600目→800目→1000目→1200目SiC 砂紙，当每次更换较细砂紙研磨时，转90度方向产生新的磨痕。

（5）用水洗净试片。

（6）精磨(拋光)：以研磨拋光机拋光，拋光液为氧化鋁粉水溶液，其顆粒大小依序为1μ→0.3μ→0.06μ。

（7）用水洗净试片。

（8）用酒精洗净拋光面。

（9）吹干试片：用热风吹风机。

（10）检查拋光面：以金相显微镜确认条痕是否完全被磨平或有无彗星状流線存在。

（11）腐蚀：对炭钢材料而言，可使用4%Nital腐蚀液腐蚀。

（12）用水及酒精洗净试片。

（13）吹干试片。

（14）显微镜观察。

五、试验結果：材质：组织：（用铅笔描出）倍率：浸蚀液：六、思考题：在观察金相试样时应该注意哪些因素？。

实验六铁碳合金显微组织的观察及分析实验项目名称：碳钢非平衡组织观察实验项目性质：普通实验所属课程名称：金属材料与热处理实验计划学时：2一、实验目的（1）观察碳钢经不同热处理后的基本组织。

（2）了解热处理工艺对钢组织和性能的影响。

（3）熟悉碳钢几种曲型热处理组织一一M、T、S、M回火、S回火等组织的形态及特征。

二、实验内容和要求碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织；经淬火得到的是不平衡组织。

铁碳合金缓冷后的显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）来确定。

图1-1为共析碳钢的C曲线图。

10 1" 0 10* 10*图1-1共析钢的C曲线铁碳相图能说明慢冷时合金的结晶过程和室温下的组织以及相的相对量，C 曲线则能说明一定成分的钢在不同冷却条件下所得到的组织。

C曲线适用于等温冷却条件；而CCT曲线（奥氏体连续冷却曲线）适用于连续冷却条件。

按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。

通过金相显微镜观察，可看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。

1•共析钢等温冷却时的显微组织共析钢过冷奥氏体在不同温度等温转变的组织及性能列于表1-1中。

2•共析钢连续冷却时的显微组织共析钢奥氏体，在慢冷时（相当于炉冷，见图1-1的v i）应得到100%珠光体；当冷却速度增大到V2时（相当于空冷），得到的是较细的珠光体，即索氏体或屈氏体；当冷却速度增大到V3时（相当于油冷），得到的为屈氏体和马氏体；当冷却速度增大到V4、V5 （相当于水冷），很大的过冷度使奥氏体骤冷到马氏体转变开始点（Ms）后，瞬时转变马马氏体。

其中与C曲线鼻尖相切的冷却速度（V4）称为淬火的临界冷却速度。

3•亚共析钢和过共析钢连续冷却时的显微组织亚共析钢的C曲线与共析钢相比，只是在其上部多了一条铁素体先析出线，见图1-2所示。

实验指导书实验一铁碳合金平衡组织显微分析一、实验目的1．了解碳钢和白口铸铁在平衡状态下的显微组织。

2．分析成分（含碳量）对碳钢和白口铸铁显微组织的影响，理解成分、组织与性能之间的相互关系。

二实验内容及步骤1．实验前复习教材中有关内容和预习实验指导书。

2．在显微镜下对各种试样进行观察和分析，确定其组织组成物。

3．画出所观察的显微组织示意图。

4．根据显微组织中珠光体所占面积的百分数近似地确定一种亚共析钢的平均含碳量。

三、实验设备及材料1．金相显微镜2．金相图谱3．各种铁碳合金显微试样Ⅰ-1 工业纯铁；Ⅰ-2 20 钢；Ⅱ-1 亚共晶白口铸铁;Ⅰ-3 T8 钢；Ⅱ-2 共晶白口铸铁；Ⅰ-4 T12 钢; Ⅱ-3 过共晶白口铸铁四、实验注意事项1．在观察显微组织时，可先用低倍全面进行观察，然后用高倍对部分区域进行详细观察。

2．要正确使金相显微镜，特别要注意：将显微镜的灯泡（6~8V）插头，插在变压器上，切勿直接插在200V的电源插座上，否则灯泡立即烧坏。

3．对试样，不得用手触摸试样表面或将试样重叠起来，以免损伤试样表面。

4．画显微组织图时，应抓住其形态特点，注意不要将磨痕或杂质画在图上。

五、实验报告要求1．实验目的。

2．画出所观察过的显微组织示意图（在直径为30mm的圆内画，并将组织组成物名称以箭头引出标明，在图的下面注明材料名称、含碳量、侵蚀剂、放大倍数，以及简单的描述。

）。

3．根据所观察的组织，近似地估算一种亚共析钢的含碳量。

实验报告实验一铁碳合金平衡组织显微分析学生姓名班级学号实验日期指导教师。