工程材料学实验_金相与硬度.pdf

工程材料学实验工程材料学实验 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1 目目 录录 前前 言言 金相分析基础知识金相分析基础知识 材料硬度试验基础知识材料硬度试验基础知识 实验一 金相显微镜的使用与金相样品的制备 实验二 碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分析 实验三 综合实验 参考文献参考文献 附录附录 1 数码显微镜及其使用操作规程 附录附录 2 常见钢铁材料的金相图谱 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 前前 言言 本实验指导书是配合理工类非材料专业学生学习工程材料基础课程的课内教学实验所编写的。目的是加强学生动手实践能力，加深理解课堂学习的知识，特别是通过开放性的学生自主综合实验，使非材料专业的工科学生也能深刻理解材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系，为学生以后在工作研究中解决工程材料方面的相关问题打下良好科学基础，从实验的角度配合实现工程材料基础课程的教学目标。从培养理工类非材料专业学生能够合理选材并正确制定零件的加工工艺路线能力的目标出发，以钢铁材料为例，围绕工程材料的成分-工艺-组织-性能之间的关系主线，本实验指导书安排了“金相显微镜的使用与金相样品的制备”（实验一）和“碳钢和铸铁的平衡组织和非平衡组织的观察与分析”（实验二）两个基本实验和一个“综合实验”(实验三)。鉴于非材料专业的同学在材料实验方面缺乏基本知识，在正式实验内容之前安排了“金相分析基础知识”和“材料硬度试验相关知识”两节预备知识。为保证安全正确地完成实验内容，指导书中还节选了部分主要设备的操作规程以及部分钢铁材料的金相图谱，供实验时特别是自主实验时参考。由于编者的水平有限，加之时间要求的紧迫，本实验指导书有不当之处敬请批评指正。编者 2005 年 7 月 22 日 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 金相显微分析基础知识金相显微分析基础知识 金相分析在材料研究领域占有十分重要的地 位,是研究材料内部组织的主要手段之一。金相显微分析法就是利用金相 显微镜来观察为之分析而专门制备的金相样品，通过放大几十倍到上千倍来研 究材料组织的方法。现代金相显微分析的主要仪器为：光学显微镜和电子显微 镜两大类。这里仅介绍常用的光学金相显微镜及金相样品制备的一些基础知识 （一）光学金 相显微镜 基础知识（一）光学金 相显微镜 基础知识 一 金相显微 镜的构造一 金相显微 镜的构造 金相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。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统 和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带有多种功能及摄影装置。目前，已把显微镜与计算机及相关的分析系统相连，能更方便、更快捷地进行金相分 析研究工作。1.1 光学系 统：光学系 统：其主要构件是物镜和目镜，它们主要起放大 作用。并获得清晰的图象。物镜的优劣直接影响成象的质量。而目镜是将 物镜放大的象再次放大。1.2 照明系 统：照明系 统：主要包括光源和照明器以及其它主要附件（1）光源的种类：包括白炽灯（钨丝灯）、卤钨灯、碳弧灯、氙灯和水银灯等。常用的是白炽灯和氙灯，一般白炽灯适应于作为中、小 型显微镜上的光源使用，电压为 612 伏，功率 1530 瓦。而氙灯通过瞬间 脉冲高压点燃，一般正常工作电压为 18 伏，功率为 150 瓦，适用于特殊功能的 观察和摄影之用。一般大型金相显微镜常同时配有两种照明光源，以适应普 通观察和特殊情况的观察与摄影之用。（2）光源的照明方式：主要有临界照明和科勒照明。散光照明和平 行光照明适应于特殊情况使用。1）临界照明：光源的象聚焦在样品表面上，虽然可得到很高的亮度，但对光源本身亮度的均匀性要求很高。目前很 少使用。2）科勒照明：特点是光源的一次象聚焦在孔 径光栏上，视场光栏和光源一次象同时聚焦在样品表面上，提供了一个 很均匀的照明场，目前广泛使用。3）散光照明：特点是照明效率低，只适应投 射型钨丝灯照明。4）平行光：照明的效果较差，主要用于暗场 照明，适应于各类光源。（3）光路形式 按光路设计的形式，显微镜有直立式和倒立 式两种，凡样品磨面向上，物镜向下的为直立式，而样品磨面向下，物镜 向上的为倒立式。（4）孔径光栏和视场光栏 孔径光栏位于光源附近，用于调节入射光束 的粗细，以改变图象的质量。缩小孔径光栏可减少球差和轴外象差，加大 衬度，使图象清晰，但会使物镜的分辨率降低。视场光栏位于另一个支架上，调节视场光栏的大小可改变视域的大小，视场光栏愈小，图象衬度愈佳，观察 时调至与目镜视域同样大小。（5）滤色片 用于吸收白光中不需要的部分，只让一定波 长的光线通过，获得优良的图象。一般有黄色、绿色和蓝色等。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4 1.3 机械系 统机械系 统 主要包括载物台，镜筒、调节螺丝和底座。（1）载物台：用于放置金相样品。（2）镜筒：用于联结物镜、目镜等部件。（3）调节螺丝：有粗调和细调螺丝，用于图 象的聚焦调节。（4）底座：起支承镜体的作用。二 光学显微 镜的放大 成像原理 及参数二 光学显微 镜的放大 成像原理 及参数 2.1 金相显 微镜的成 像原理金相显 微镜的成 像原理 显微镜的成象放大部分主要由两组透镜组成。靠近观察物体的透镜叫物镜，而靠近眼睛的透镜叫目镜。通过物镜和 目镜的两次放大，就能将物体放大到较高的倍数，见图 1，显微镜的放大光学原 理图。物体 AB 置于物镜前，离其焦点略远处，物体的反射光线穿过物镜折射 后，得到了一个放大的实象 A1B1，若此象处于目镜的焦距之内，通过目镜观察 到的图象是目镜放大了的虚象A2B2。2.2 显微镜 的放大倍 数显微镜 的放大倍 数 物镜的放大倍数 M 物=A1B1/ABLF1 目镜的放大倍数=A2B2/A1B1DF2 则显微镜的放大倍数为：M 总=M 物M 目=LF1DF2=L250F1F2 式中：L为光学镜筒长度（即物镜后焦点到 目镜前焦点的距离）F1物镜的焦距。F2目镜的焦 距 D明视距离（人眼的正常明视距离为 250mm）即显微镜总的放大倍数等于物镜放大倍数和 目镜放大倍数的乘积。一般金相显微镜的放大倍数最高可达 1600 到 2000 倍。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 5 由此可看出：因为 L 光学镜筒长度为定值，可见物镜的放大倍数越大，其焦距越短。在显微镜设计时，目镜的焦点位置 与物镜放大所成的实象位置接近，并使目镜所成的最终倒立虚象在距眼睛 250 毫米处成象，这样使所成的图象看得很清楚。显微镜的主要放大倍数一般通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100 倍，目镜的最高放大倍数可 达 25 倍。放 大倍数分别标注在物镜和目镜各自的镜筒上。在用金相显微镜观察组织时，应 根据组织的粗细情况，选择适当的放大倍数，以使组织细节部分能观察清楚为 准，不要只追求过高的放大倍数，因为放大倍数与透镜的焦距有关，放 大倍数 越大，焦距越小，会带来许 多缺陷。2.3 透镜象 差：透镜象 差：透镜象差就是透镜在成象过程中，由于本身 几何光学条件的限制，图象会产生变形及模糊不清的现象。透镜象差有多 种，其中对图象影响最大的是球面象差、色象差和象域弯曲三种。显微镜成象系统的主要部件为物镜和目镜，它们都是由多片透镜按设计要求组合而成，而物镜的质量优劣对显微镜的 成象质量有很大影响。虽然在显微镜的物镜、目镜及光路系统等设计制造过程 中，已将象差减少到很小的范围，但依然存在。（1）球面象差：1）产生原因：球面象差是由于透镜的表面呈 球曲形，来自一点的单色光线，通过透镜折射以后，中心和边缘的光线不能 交于一点，靠近中心部分的光线折射角度小，在离透镜较远的位置聚焦，而靠 近边缘处的光线偏折角度大，在离透镜较近的位置聚焦。所以形成了沿光轴分布 的一系列的象，使图象模糊不清。这种象差称球面象差，见图 2 所示。2）校正方法：a 采用多片透镜组成透镜组，即将凸透镜与 凹透镜组合形成复合透镜，产生性质相反的球面象差来减少。b 通过加光栏的办法，缩小透镜的成象范围。因球面象差与光通过透镜的面积大小有关。在金相显微镜中，球面象差可通过改变孔径 光栏的大小来减小。孔径光栏越大，通过透镜边缘的光线越多，球面象差 越严重。而缩小光栏，限制边缘光线的射入，可减少球面象差。但光栏太小，显微镜的分辨能力降低，也使图象模糊。因此，应将孔径光栏调节到合适的大 小。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 6（2）色象差：1）产生原因：色象差的产生是由于白光是由 多种不同波长的单色光组成，当白光通过透镜时，波长愈短的光，其折射率 愈大，其焦点愈近。而波长越长，折射率越小，其焦点愈远，这样一来使 不同 波长的光线，形成的象不能在同一点聚焦，使图象模糊所引起的象差，即色 象差。见图 3 所示。2）校正方法：可采用单色光源或加滤色片或 使用复合透镜组来减少。（3）象域弯曲：1）产生原因：垂直于光轴的平面，通过透镜 所形成的象，不是平面而是凹形的弯曲象面。称象域弯曲。见图 4 所示。2）校正办法：象域弯曲的产生，是由于各种 象差综合作用的结果。一般的物镜或多或少地存在着象域弯曲，只有校正极 佳的物镜才能达到趋于平坦的象域。2.4 物镜的 数值孔径物镜的 数值孔径 物镜的数值孔径用 NA 表示（即 Numderical Apertuer），表示物镜的聚光能力。数值孔径大的物镜，聚光能力强，即 能吸收更多的光线，使图象更加明显，物镜的数值孔径 NA 可用公式表示为：NA=nsin PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7 其中：n是物镜与样品间介质的折射率 通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成角 度，即孔径半角。可见，数值孔径的大小，与物镜与样品间介 质 n 的大小有关，以及孔径角的大小有关。见图 5 所示。当物镜与物体之间的介质为空气时，光线在空气中的折射率为 n=1，若物镜的孔径半角为 30，则数值孔径为：NA=n sin=1sin30=0.5 若物镜与物体之间的介质为松柏油时，介质的折射率 n=1.52,则其数值孔径为：NA=n sin=1.52sin30=0.76 物镜在设计和使用中,指定以空气为介质的称 干系物镜或干物镜，以油为介质的称为油浸系物镜或油物镜。干物镜的 n=1，sin 值总小于 1，故数值孔径 NA 小于 1，油物镜因 n=1.5 以上，故数值 孔径 NA 大于 1。物镜的数值孔径的大小，标志着物镜分辨率的高低，即决定 了显微镜分辨率的高低。2.5 显微镜 的鉴别能 力（分辨 率）显微镜 的鉴别能 力（分辨 率）显微镜的鉴别能力是指显微镜对样品上最细 微部分能够清晰分辨而获得图象的能力。它主要取决于物镜的数值孔径 NA 之值大小，是显微镜的一个重要特性。通常用可辨别的样品上的两点间的 最小距离 d 来表示，d 值越小，表示显微镜的鉴别能力越高。见图 6 所示。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 8 显微镜的鉴别能力可用下式表示：d=2NA 其中：入射光的波长，NA表示物镜的 数值孔径。可见分辨率与入射光的波长成正比，越短，分辨率越高；其与数值孔径成反比，数值孔径 NA 越大，d 值越小，表明 显微镜的鉴别能力越高。2.6 有效放 大倍数有效放 大倍数 用显微镜能否看清组织细节，不但与物镜的 分辨率有关，且与人眼的实际分辨率有关。若物镜分辨率很高，形成清晰 的实象，而配用的目镜倍数过低，也使观察者难于看清，称放大不足。但若选 用的目镜倍数过高，即总放大倍数越大，看得并非越清晰。实践表明，超出一定的范围，放得越大越模糊，称虚伪放大。显微镜的有效放大倍数取决于物镜的数值孔 径。有效放大倍数是指物镜分辨清晰的 d 距离，同样也被人眼分辨清晰所必须 的放大倍数，用 Mg 表示：Mg=d1d=2 d1 NA 其中 d1人眼的分辨率，d物镜的分辨率 在明视距离 250mm 处正常人眼的分辨率为 0.150.30m，若取绿光=550010-7mm 则：Mg（min）=20.15NA550010-7550NA Mg（max）=20.30NA550010-71000NA 这说明在 550NA1000NA 范围内的放大倍数 均称有效放大倍数。但随着光学零件的设计完善与照明方式的不断改进，以上范围并非严格限制。有效放大倍数的范围，对物镜和目镜的正确选择十分 重要。例如物镜的放大倍数是 25，数值孔径为 NA=0.4，即有效放大倍数应为 200400 倍范围内，应选用 8 或 16倍的目镜才合适。三 物镜与目 镜的种类 及标志三 物镜与目 镜的种类 及标志 3.1 物镜的 种类物镜的 种类 物镜是成象的重要部分，而物镜的优劣取决 于其本身象差的校正程度，所以物镜通常是按照象差的校正程度来分类，一般分为消色差及平面消色差物镜、复消色差及平面复消色差物镜、半复消 色差物镜、消象散物镜等。因为对图象质量影响很大的象差是球面象差、色象 差和象域弯曲，前二者对图象中央部分的清晰度有很大影响，而象域弯曲对图 象的边缘部分有很大影响。除此之外，还有按物体与物镜间介质分类的，有介 质为空气的干系物镜和介质为油的PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9 油系物镜。按放大倍数分类的低、中、高倍 物镜和特殊用途的专用显微镜上的物镜如高温反射物镜、紫外线物镜等。按象差分类的常用的几种物镜如下：（1）消色差及平面消色差物镜 消色差物镜对象差的校正仅为黄、绿两个波 区，使用时宜以黄绿光作为照明光源，或在入射光路中插入黄绿色滤色片，以使象差大为减少，图象更为清晰。而平面消色差物镜还对象域弯曲进行了 校正，使图象平直，边缘与中心能同时清晰成象。适用于金相显微摄影。（2）复消色差及平面复消色差物镜 复消色差物镜色差的校正包括可见光的全部 范围，但部分放大率色差仍然存在。而平面复消色差物镜还进一步作了象 域弯曲的校正。（3）半复消色差物镜 象差校正介于消色差和复消色差物镜之间，其 它光学性质与复消色差物镜接近。但价格低廉，常用来代替复消色差物 镜。3.2 物镜的 标志物镜的 标志 物镜的标志一般包括如下几项：（1）物镜类别。国产物镜，用物镜类别的汉 语拼音字头标注，如平面消色差物镜标以“PC。西欧各国产物镜多标有物 镜类别的英文名称或字头，如平面消色差物镜标以“Planarchromatic 或 Pl”，消色差物镜标以“Achromatic”，复消色差物镜标以 “Apochromatic”。（2）物镜的放大倍数和数值孔径。标在镜筒 中央位置，并以斜线分开，如10X/0.30，45X/0.63，斜线前如 10X，45X 为 放大倍数，其后为物镜的数值孔径如 0.30，0.63。（3）适用的机械镜筒长度。如 170，190，/0，表示机械镜筒长度（即物镜座面到目镜筒顶面的距离）为 170，190，无 限长。0 表示无盖波片。（4）油浸物镜标有特别标注，刻以 HI,oil，国产物镜标有油或 Y。物镜的标志如图 7 所示。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 10 3.3 目镜的 类型目镜的 类型 目镜的作用是将物镜放大的象再次放大，在 观察时于明视距离处形成一个放大的虚象，而在显微摄影时，通过投影目镜 在承影屏上形成一个放大的实象。目镜按象差校正及适用范围分类如下：（1）负型目镜(如福根目镜)。由两片单一的 平凸透镜在中间夹一光栏组成，接近眼睛的透镜称目透镜起放大作用，另一 个称场透镜,使图象亮度均匀，未对象差加以校正，只适用于与低中倍 消色差物镜配合使用。（2）正型目镜(如雷斯登目镜)。与上述不同 的是光栏在场透镜外面，它有良好的象域弯曲校正，球面象差也较小，但色 差比较严重，同倍数下比负型目镜观察视场小。（3）补偿型目镜。是一种特制目镜，结构较 复杂，用以补偿校正残余色差，宜与复消色差物镜配合使用，以获得清晰的 图象。（4）摄影目镜。专用于金相摄影，不能用于 观察，球面象差及象域弯曲均有良好的校正。（5）测微目镜。用于组织的测量，内装有目 镜测微器，与不同放大倍数的物镜配合使用时，测微器的格值不同。3.4 目镜的 标志目镜的 标志 通常一般目镜上只标有放大倍数，如 7X，10X，12.5X 等，补偿型目镜上还有一个 K 字，广视域目镜上还标有视场大小。见图 8 所示。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 11 （二）金相 样品的制 备方法概 述（二）金相 样品的制 备方法概 述 在用金相显微镜来检验和分析材料的显微组 织时，需将所分析的材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制、抛光与腐蚀 工序，才能进行材料的组织观察和研究工作。金相样品的制备过程一般包括如下步骤：取 样、镶嵌、粗磨、细磨、抛光和腐蚀。分别叙述如下：一、取样与镶 嵌一、取样与镶 嵌 1.1 取样取样 （1）选取原则。应根据研究目的选取有代表 性的部位和磨面，例如，在研究铸件组织时，由于偏析现象的存在，必须从 表层到中心，同时取样观察，而对于轧制及锻造材料则应同时截取横向和 纵向试样，以便分析表层的缺陷和非金属夹杂物的分布情况，对于一般的 热处理零件，可取任一截面。（2）取样尺寸。截取的试样尺寸，通常直径 为 1215mm，高度和边长为 1215mm 的圆柱形和方形，原则以便于手握为宜。（3）截取方法。视材料性质而定，软的可用 手锯或锯床切割，硬而脆的可用锤击，极硬的可用砂轮片或电脉冲切割。无 论采取哪种方法，都不能使样品的温度过于升高而使组织变化。1.2 镶嵌镶嵌 当试样的尺寸太小或形状不规则时，如细小 的金属丝、片、小块状或要进行边缘观察时，可将其镶嵌或夹持。见图 9 所示。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 12 （1）热镶嵌。用热凝树脂（如胶木粉等），在镶嵌机上进行。适应于在低温及不大的压力下组织不产生变化的材料。（2）冷镶嵌。用树脂加固化剂（如环氧树脂 和胺类固化剂等）进行，不需要设备，在模子里浇铸镶嵌。适应于不能加热 及加压的材料。（3）机械夹持。通常用螺丝将样品与钢板固 定，样品之间可用金属垫片隔开，也适应于不能加热的材料。二、磨制二、磨制 2.1 粗磨粗磨 取好样后，为了获得一个平整的表面，同时去 掉取样时有组织变化的部分，在不影响观察的前提下，可将棱角磨平，并 将观察面磨平，一定要将切割时的变形层磨掉。一般的钢铁材料常在砂轮机上磨制，压力不 要过大，同时用水冷却，操作时要当心，防止手指等损伤。而较软的材料 可用挫刀磨平。砂轮的选择，磨料粒度为 40、46、54、60 等号，数值越大越细，材料为白刚玉，棕刚玉、绿碳化硅、黑碳化硅等，代号分别为 GB、GZ、GC、TH、或 WA、A、TL、C，尺寸一般为外径厚度孔径=2502532，表面平 整后，将样品及手用水冲洗干净。2.2 细磨细磨 目的是消除粗磨存在的磨痕，获得更为平整 光滑的磨面。细磨是在一套粒度不同的金相砂纸上由粗到细依次进行磨制，砂纸号数一般为 120、280、01、03、05、或 120、280、02、04、06 号，粒度 由粗到细，对于一般的材料（如碳钢样品）磨制方式为：PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 13（1）手工磨制。将砂纸铺在玻璃板上，一手 按住砂纸，一手拿样品在砂纸上单向推磨，用力要均匀，使整个磨面都磨到，更换砂纸时，要把手、样品、玻璃板等清理干净，并与上道磨痕方向 垂直磨制，磨到前道磨痕完全消失时才能更换砂纸，见图 10 所示。也可 用水砂纸进行手工湿磨，即在序号为 240、300、600、1000 的水砂纸上 边冲水边磨制。（2）机械磨制。在预磨机上铺上水砂纸进行 磨制与手工湿磨方法相同。三、抛光三、抛光 目的是消除细磨留下的磨痕，获得光亮无痕 的镜面。方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光和复合抛光等，最常用的 是机械抛光。3.1 机械抛 光机械抛 光 是在专用的抛光机上进行抛光，靠极细的抛 光粉和磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的，分为粗抛光和细 抛光两种。如图 11 所示。1）粗抛光。粗抛光一般是在抛 光盘上铺以细 帆布，抛光液通常为 Cr2O3、Al2O3等粒度为 1-5 的粉末制成水的悬浮液，一 般一升水加入 5-10 克，手握样品在专用的抛光机上进行。边抛光边加抛光 液，一般的钢铁材料粗抛光可获得光亮的表面。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 142）细抛光。是在抛光盘上铺以丝绒，丝绸等，用更细的 Al2O3、Fe2O3 粉制成水的悬浮液，与粗抛光的方法相同。样品磨 面上磨痕变化见图 12 所示。3.2 电解抛 光电解抛 光 是利用阳极腐蚀法使样品表面光滑平整的方 法，把磨光的样品浸入电解液中，样品作为阳极，阴极可用铝片或不锈钢 片制成，接通电源，一般用直流电源，由于样品表面高低不平，在表面形成一 层厚度不同的薄膜，凸起的部分膜薄，因而电阻小，电流密度大，金属溶解的速 度快，而下凹的部分形成的膜 厚，溶解的速度慢，使样品表面逐渐平坦，最后 形成光滑表面。电解抛光优点是只产生纯化学的溶解作用，无机械力的影响，所以能够显示金相组织的真实性，特别适应于有色金属 及其它的硬度低、塑性大的金属。如铝合金、不锈钢等，缺点是对非金属夹杂 物及偏析组织、塑料镶嵌的样品等不适应。3.3 化学 抛光化学 抛光 是靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选 择性溶解作用消除磨痕的一种方法。化学抛光液，多数由酸或混合酸、过氧化氢、及蒸馏水组成，酸主要起化学溶解作用，过氧化氢提高金属表面的 活性，蒸馏水为稀释剂。化学抛光优点是操作简单，成本低，不需专 门设备，抛光同时还兼有化学浸蚀作用。可直接观察。缺点是样品的平整 度差，夹杂物易蚀掉，抛光液易失效，只适应于低、中倍观察。对于软金属如锌、铅等化学抛光比机械抛光、电解抛光效果更好。四、腐蚀（四、腐蚀（浸浸 蚀）蚀）经过抛光的样品，在显微镜下观察时，除非 金属夹杂物、石墨、裂纹及磨痕等能看到外，只能看到光亮的磨面。要看 到组织必须进行腐蚀。腐蚀的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀等，最常用的是化学腐蚀法。下面介绍化学腐蚀显示组织的基本过程。4.1 化学腐 蚀法的原 理化学腐 蚀法的原 理 化学腐蚀的主要原理是利用浸蚀剂对样品表 面引起的化学溶解作用或电化学作用（微电池作用）来显示组织。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 154.2 化学腐 蚀的方化学腐 蚀的方式式 化学腐蚀的方式取决于组织中组成相的性质 和数量。纯粹的化学溶解是很少的。一般把纯金属和均匀的单相合金的腐 蚀主要看作是化学溶解过程，两相或多相合金的腐蚀，主要是电化学溶解过程。1）纯金属或单相合金的化学腐蚀 它是一个纯化学溶解过程，由于其晶界上原子 排列紊乱，具有较高的能量，故易被腐蚀形成凹沟。同时由于每个晶粒排 列位向不同，被腐蚀程度也不同，所以在明场下显示出明暗不同的晶粒。2）两相合金的侵蚀 它是一个电化学的的腐蚀过程。由于各组成 相具有不同的电极电位，样品浸入腐蚀剂中，就在两相之间形成无数对微电 池。具有负电位的一相成为阳极，被迅速溶入浸蚀剂中形成低凹，具有正电位 的另一相成为阴极，在正常的电化学作用下不受浸蚀而保持原有平面。当光线 照到凹凸不平的样品表面上时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下 就看到各种的组织和组成相。3）多相合金的腐蚀 一般而言，多相合金的腐蚀，同样也是一个 电化学溶解的过程，其腐蚀原理与两相合金相同。但多相合金的组成相比 较复杂，用一种腐蚀剂来显示多种相难于达到，只有采取选择腐蚀法等专门的 方法才行。4.3 化学腐 蚀化学腐 蚀剂剂 是用于显示材料组织而配制的特定的化学试 剂，多数腐蚀剂是在实际的实验中总结归纳出来的。一般腐蚀剂是由酸、碱、盐以及酒精和水配制而成，钢铁材料最常用的化学腐蚀试剂是 35%硝酸 酒精溶液，各种材料的腐蚀剂可查阅有关手册。4.4 化学腐 蚀方法化学腐 蚀方法 一般有浸蚀法、滴蚀法和摖蚀法。见图 13 所 示。1）浸蚀法：将抛光好的样品放入腐蚀剂中，抛光面向上，或抛光面向下，浸入腐蚀剂中，不断观察表面颜色的变化，当样品表面 略显灰暗时，即可取出，充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。2）滴蚀法：一手拿样品，表面向上，另一手用滴管吸入 腐蚀剂滴在样品表面，观察表面颜色的变化情况，当表面颜色变灰时，再 过 23 秒即可充分冲水冲酒精，再快速用吹风机充分吹干。3）擦蚀法：用沾有腐蚀剂的棉花轻轻地摖拭抛光面，同 时观察表面颜色的变化，当样品表面略显灰暗时，即可取出，充分冲水冲 酒精，再快速用吹风机充分吹干。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 16 经过上述操作，腐蚀完成后，金相样品的制 备即告结束。这时候要将手和样品的所有表面都完全干燥后，方可在显 微镜下观察和分析金相样品的组织。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 17材料硬度试验相材料硬度试验相关关知识知识 一、概述一、概述 硬度并不是金属独立的基本性能，它是指金 属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。究竞它表征哪一种抗 力则决定于采用的试验方法，如刻划法型硬度试验则表征金属抵抗破裂的能力，而在压入法试验中，材料的硬度是指金属材料表面在接触压应力作用下抵抗 塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出材料软硬程度的数量概念。由于在材 料表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值 可以综合地反映压痕附近局部体积内材料的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能 力以及大量形变抗力。硬度越大，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产 生塑性变形就越困难。硬度是金属材料一项重要的力学性能指标。另外，硬度 与其它机械性能(如强度指标及塑性指标)之间有着一定的内在联系，所以从某 种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意 义。二、二、压入压入法硬 度试验及法硬 度试验及 其特点其特点 在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法就是把一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生 压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则 材料越硬。压入法硬度试验的主要特点是：(1)设备简单，操作迅速方便。(2)适用范围广。压入试验时材料的应 力状 态最软(即最大切应力远远大于最大正应力)，因而不论是塑性材料还是脆 性材料均能发生塑性变形。(3)可初略估计材料的其他力学性能。金属的 硬度与强度指标之间存在如下近似关系：式中：材料的抗拉强度；HB布氏 硬度值；K系数。退火状态的碳钢：K=0.340.36；合金调质钢：K=0.330.35；有色金属：K=0.330.53。此外，硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等 性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件 设计图纸上对机械性能的技术要求往往只标注硬度值，其原因就在于此。(4)硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内 产生很小压痕并不损坏零件，因而适合于成品检验。根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常 用的压入法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。三、三、布氏布氏硬度 试验硬度 试验 3.1 基基本本原 理原 理 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷 P，将 直径为 D 的钢球压入被测金属表面后保持一定时间，然后卸除载荷，根据 钢球在金属表面上所压出的压痕直径查表即可得硬度值。用钢球压头所测出的硬度值用 HBS 表示；用 硬质合金球压头所测出的硬度值用 HBW 表示。目前布氏硬度计一般以钢球 为压头，主要用于测定较软的金属材料的硬度。布氏硬度值的计算式如下：PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 18 式中：P试验力（N）；D压头 球体 直径（mm）；d相互垂直方向测得的压痕直径，d1、d2 的平均值（mm）。布氏硬度的优点是测定结果较准确，缺点是 压痕大。由于材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若 只采用同一种载荷和钢球直径则对硬的金属适合时，对极软的金属就不适 合，甚至会发生整个钢球陷入金属中的现象；若其对厚的工件适合时，则对于 薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材料的布氏硬度值时就要求有不同的 载荷 P 和钢球直径 D，以供选择使用。3.2 布氏布氏硬 度试验机 及硬 度试验机 及其其基基本 操作和程 序本 操作和程 序 图 1 是布氏硬度试验机的基本结构，其基本 操作程序如下(1)将试样放在工作台上，顺时针转动 手轮，使压头向试祥表面直至手轮对下面螺旋产生相对运动(打滑)为止。此时试样 已承受 9807N 初载荷。(2)按动加载按钮，开始加主载荷，当红色 指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转 动即自行停让。(3)逆时针转动手轮降下工作台，取下试样 用读数显微镜测出压痕直径 d，以此查表即得 HBS 值。图 1 HB3000 布氏 硬度 试验机 四、四、洛氏洛氏硬度 试验硬度 试验 4.1 基基本本 原理原理 洛氏硬度试验是采用金刚石园锥体（锥角为 120。）或采用淬火钢球（直径为 1.588 毫米）做压头，一般较硬的金属 材料（如淬火后的工件）用金钢石压头；较软的金属材料则用钢球做压头，如 图 2 所示，压头压入金属表面时，分两次加载。先加 10 公斤的初载使压头与试 样的表面接触良好，此时，压痕深度为 h1(附图 1-a)，然后加 140 公斤的主 载荷，这时总载荷（初载荷+主载荷）为 150 公斤，而压痕的深度增加到 h2 位 置（附图 1-b），然后将主载荷卸PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 19除，此时压痕由于加载荷时所产 生的弹性变形 即行恢复，此时压痕深度 h=h2-h1（附图 1-c）作为测量硬度的依据。根据所用的压头和载荷的不同，洛氏硬度有 几种硬度符号，常用的有 HRA、HRB、HRC 等，如表 1。如果直接以压痕深度大小作计量指标，则会 出现硬金属的硬度值小，而软金属的硬度值反而大的现象，这和布氏硬度 所标志的硬度大小的概念相反，也不合人们的习惯，因此用一个选定的常数 K 来减去所得压痕深度值作为洛氏硬度的指标，即 当以钢球为压头时，K=0.26；以金刚石锥体 为压头时，K=0.2，此外，在读数上又规定以压入深度 0.002 毫米作为标 尺刻度的一格，这样前者的 0.26常数相当于 130 格，后者的 0.2 常数相当于 100 倍，因此洛氏硬度值可由下式确定：PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 20 因此可知当压痕深度 k=0.2 毫米时（)HRB=30，HRC=0 这也说明为什么 HRB 要取 0.26 作为常 数的原因，因为 HRB 是测定较软的金属材料的，试验时有的压痕深度可能超过 0.2 毫米以上，若取 0.2 作为常数时，硬度将会得负值，为此常把常数取得 大些。洛氏硬度法克服了布氏硬度法的缺点，它的 压痕小，可测量高硬度，可直接读数，操作方便，效率高。洛氏硬度应用范围很广，可用于试验各种钢 铁原材料，有色金属、经淬火后高硬度工件、表面热处理工件及硬质合金 等。4.3 洛氏洛氏硬 度试验机硬 度试验机 结结构原理构原理 洛氏硬度计类型较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件相同。附图 2 为洛氏硬度计构造示意图。利用杠杆 传递压力，一方面将重锤压力加至受试样的材料上；另一方面利用杠杆把受试 材料的压痕深度传递到读数百分表上，能直接读出硬度的数值。硬度计外形构 造如附图 3 所示。4.4 试验 机试验 机操作操作方 法与方 法与洛氏洛氏 试验试验程序程序 1.试验机操作方法 图 4 为试验机的结构示意图，其操作方法如 下 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 21 调整主试验力的加载荷速度：手柄（16）置于卸荷位置，手把（13）转 到1471N 的位置，将 40-50HRC 的标准硬度块放 在工作台上，旋转手轮（27）使硬度块顶起主轴，加上初试验力，围内，如不 符，可转动油针（14）进行调整，反复进行，直到合适为止。试验力的选择，转动手把（13）使所 选用的试验力对准红点，但必须注意变换试验力时，手柄（16）必须置于卸荷状 态（即后极限位置）。安装压头，安装压头时应注 意消除压 头与主轴（1）端面的间隙。消 除方法是：装上压头，并用螺钉（28）轻轻固定，然后将标准块或试件放置于工作台上，旋转手轮（27）加上初试验力，拉动手 柄（15）使主试验力加于压头上，再将螺钉（28）拧紧，即可消除压头与主轴 端面间的间隙。2洛氏硬度试验程序：将丝杠（26）顶面及被选用的工作台上下 端面擦干净，将工作台置于丝杠（26）上。将试件支撑面擦干净，放置于工作台上，旋转手轮（27）使工作台缓慢上升，并顶起压头，到小指针指着红点，大 指针旋转三圈垂直向上为止（允许相差5 个刻度，若超过 5 个刻度，此点应 作废，重新试验。）旋转指示器（24）外壳，使刻度盘上的 C、B 之间长刻线与大指针对正（顺时针或逆时针旋转均可）。拉动加载手柄（15），施加主试验力，这 时指示器的大指针按逆时针方向转动。当指示器指针的转动显著停顿下来后，即 可将卸荷手柄（16）推回，卸除主试验力。注意主试验力的施加与卸除，均需缓慢进行。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 22从指示器上相应的标尺读数；采用金钢石 压头试验时，按表盘外圈的黑字读取，采用钢球压头试验时，按表盘内圈 的红字读取。转动手轮使试件下降，再移动试件，按以 上-过程进行新的试验。注意事项：丝杠保护套（30）是为了保护丝杠（26）不受灰尘侵袭而制设的。硬度计不使用时或试件高度小于 100 毫 米时，将其套在丝杠外面。当试件高度大于 100 毫米时，必须将其拿掉，以免 将工作台顶起，使试验无效。五五、其他其他硬度 试验硬度 试验简介简介 1、维氏硬度 测定的基本原理和布氏硬度相同，区别在于 压头采用锥面夹角为 1360 的金刚石棱锥体，压痕是四方锥形(图 4)。维氏硬度用 Hv 表示，Hv 的计算式为：式中：F载荷（N）；d压痕对角线 长度（mm）维氏硬度试验的优点是：1）它既不存在布氏 那种负荷和压头直径 D 的规定条件的约束问题，也不存在洛氏那种硬度 值无法统一的问题。2）它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏 能更好地测试极薄件(或薄层)。3）由于测定的是压痕宽度，相对误差比洛氏实 验小，数据精确。唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出 来，效率较低，但现在已有带计算机图形数据处理的维氏硬度试验机，这点已 不成问题。2、显微硬度 显微硬度是用来测量尺寸很小或很薄零件的 硬度，或者是用来测量各种显微组织的硬度。显微硬度测量所用的压头有 两种：一种是维氏压头，和宏观的维氏硬度压头一样，只是在金刚石四方锥的 制造上和测量上要更加严格；另一种是努氏压头(knoop indenter)，它是一菱形 的金刚锥体，其形貌如图 5 所 示。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 23 显微硬度测量所用的载荷很小，大致在 100gf 一 500gf 范围内。维氏显微硬度测量和计算方法和维氏硬度一样。而努 氏显微硬度按下式计算：其中，A 是投影面积而不是压痕表面积，l 是 长对角线的长度以 um 计，c是制造厂家提供的常数。3、莫氏硬度 莫氏硬度试验属于划痕硬度试验。莫斯(Mocc)将十种矿物作为标准矿物，按其硬度高低进行排列，将硬度分为十级。用较硬的标准矿物刻划较软的标准矿物时，在较软的标准矿物上可以看到明显 的擦划条纹。在这些标准矿物中，滑石最钦，金刚石最硬。由软到径这十种标 准矿物排列的次序是：滑石、岩盐(或石膏)、方解石、宝石、磷灰石、长石、石英、黄玉刚玉、金刚石。用这种硬度试验方法，是这样来测定硬度的：从用最软的标准矿物开始，依次地在所测试样上擦划，找到第一个出现 明显擦划条纹的标准矿物，则所得试样硬度在这个标准矿物和上个较软的标 准矿物