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金相制备实验
一、实验目的 
    1．掌握金属显微试样的制备及金相显微组织显示方法。
    2．掌握铁碳合金中的相及组织组成物的本质、形态及分布特征。
    3．掌握利用显微镜进行显微组织分析、观察的方法。  
二、实验原理
（一） 金相试样的制备方法：

图1-1　金相显微试样的制备过程
    金相显微试样的制备过程包括有如下工序：取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等，下面就各道工序加以简要说明：
    1．取样
由于金相组织比较均匀，试样截取可在任一截面进行，确定好部位后就可把试样截下，试样的尺寸通常采用直径为Φ12~15mm，高度（或边长为 12~ 15mm的圆柱体或方形试样，如图1-2所示。
试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割；对硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下；对极硬的材料（如淬火钢）则可采用砂轮切片机或电脉冲加工等切割。但是，不论采用哪种方法，在切取过程中均不宜使试样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。 

图1-2  金相试样的尺寸
     2．镶嵌
    对于尺寸过于细小的金属丝、片及管等，用手来磨制，显然很困难，需要使用试样夹或利用样品镶嵌机把试样镶嵌在低熔点合金或塑料（如胶木粉，聚乙烯聚合树脂等）中。 
    3．磨制

     试样的磨制一般分为粗磨与细磨。
    （1）粗磨   粗磨的目的是为了获得一个平整的表面，钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进行。但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力不宜过大，否则会在试样表面形成很深的磨痕，从而增加了细磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样，以免受热的影响而引起组织的变化；试样边缘的棱角如没有保存的必要，可先行磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光市，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。当试样表面平整后，粗磨就告完成，然后将试样用水冲洗擦干。
    （2）细磨   经粗磨后的试样表面虽较平整但仍还存在有较深的磨痕。因此，细磨的目的就是消除这些磨痕，以获得一个更为平整而光滑的磨面，并为下一步抛光做准备。
    细磨是在一套粗细程度不同的金相砂纸上由粗到细依次顺序进行的。
细磨时可将砂纸放在玻璃板上，手指紧握试样并使磨面朝下，均匀用力向前推行磨制，在更换另一号砂纸时，须将试样的研磨方向调转90°即与上一道磨痕方向垂直，直到把上一道砂纸所产生的磨痕全部消除为止。此外，在更换砂纸时还应将试样、玻璃板清理干净，以防粗砂粒带到下一道细砂纸上产生粗的磨痕。
    为了加快磨制速度可采用在转盘上贴有不同型号砂纸的预磨机实现机械磨光。
     ① 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。
    ② 磨制以“单程单向”方式重复进行。
    ③ 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°。
     4．抛光
    细磨后的试样还需进行最后一道磨制工序——抛光，其目的是去除细磨时遗留下来的细微磨痕，以获得光亮无疵的镜面。
    试样的抛光一般可分为：机械抛光、电解抛光和化学抛光。最常用的为机械抛光。试样的机械抛光是在专用抛光机上进行的，抛光机的主要结构是由电动机和水平抛光盘组成，转速300～500转／分钟。抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液通常采用 Al2O3，MgO或 Cr2O3等细粉末（粒度约为0.3～1μm）在水中的悬浮液（每升水中加入 AI2O3 5～10克）或采用由极细钻石粉制成的膏状抛光剂等。
    机械抛光就是靠极细的抛光粉末与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上（可先轻后重）并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动，抛光时间一般约3～5分钟。最终抛光后，试样表面应看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。需要指出的是抛光时间不宜过长，压力也不可过大，否则将会产生紊乱层而导致组织分析得出错误的结论。
    抛光结束后用水冲洗试样并用棉花擦干或吹风机吹干，若只需要观察金属中的各种夹杂物或铸铁中的石墨形状时，可将试样直接置于金相显微镜下进行观察。
    本实验抛光方法：
    ① 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。
    ② 抛光时间不宜过长，磨面上磨痕全部消除而呈光亮的镜面后，即可停止抛光。
    ③ 抛光后的试样用水冲洗干净，然后进行浸蚀。 
    5. 浸蚀
    经抛光后的试样磨面，如果直接放在显微镜下观察时，所能看到的只是一片光亮，除某些夹杂物或石墨外，无法辨别出各种组织的组成物及其形态特征。因此，必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织。
    最常用的金相组织显示方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法的主要原理就是利用浸蚀剂对试样表面所引起的化学溶解作用或电化学作用（即局部电池原理）来显示金属的组织。它们的浸蚀方式则取决于组织中组成相的性质和数量。
    浸蚀方法通常是将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面，浸置时间要适当，一般使试样磨面发暗时就可停止。如果浸蚀不足，可重复浸蚀，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，然后用棉花沾上酒精擦拭磨面并吹干。至此，金相试样的制备工作全部结束，即可在显微镜下进行组织观察和分析研究。
    本实验采用化学浸蚀法，浸蚀操作方法：
    ① 将抛光好的试样磨面用化学浸蚀剂进行一定时间浸蚀；
    ② 浸蚀后用酒精清洗浸蚀面，再用吹风机吹干浸蚀面及试样整体，随后观察。
浸蚀后试样磨面就形成了凸凹不平的表面，在显微镜下通过光线在磨面上各处的反射情况不同，显现出各种不同的组织结构特征及形态。即能够观察到金属的显微组织。
（二）金属显微组织观察与分析
    铁碳合金的显微组织是研究和分析铁碳材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。因此我们可以根据Fe－Fe3C相图来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织（图1-3所示）。

图1-3  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，其中碳钢是工业上应用最广泛的金属材料，它们的性能与其显微组织米切有关。此外，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe－Fe3C相图的理解。
    从Fe－Fe3C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。但是由于含碳量不同，因而呈现各种不同的组织形态。
    用侵蚀剂显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织。
    1．铁素体（F）——C在α-Fe中形成的固溶体。铁素体为体心立方晶体，具有磁性及良好望性，硬度较低。用3-4％硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒，黑色网是晶界，这是因为晶粒晶界耐腐蚀性不同，而且各晶粒的位向不同呈现不同的颜色；亚共析钢中铁素体呈块状分布；当含碳量接近共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光周围。
    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%硝酸酒精溶液后，渗碳体呈亮白色。按照成分和形成条件的不同，渗碳体可呈现不同的形态：一次渗碳体（初生相）是直接由液体中桥出的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体（次生相）是从奥氏体中析出的，往往呈网状沿奥氏体晶界分布；三次渗碳体是由铁素体中析出的，通常是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）一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形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后，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。在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体厚度，这时珠光体中的渗碳体就只能看到是一条黑线，当组织较细而放大倍数较低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。
     4．变态莱氏体（L'd）——是在室温时珠光体十二次渗碳体十渗碳体所组成的机械混合物。含碳量为4.3％的共晶白口铸铁在1147℃对形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体机械合物，称为莱氏体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723℃以下分解为珠光体，这就是共晶反应，其结果是成为变态莱氏体。变态莱氏体的显镜组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。
三、实验仪器与设备
砂轮机、抛光机、吹风机、金相显微镜。
四、实验步骤和方法 
    每名同学领取一块试样，按照上述试样制备过程进行操作，具体步骤如下：
    1．用砂轮打磨，获得平整磨面。
    2．使用金相砂纸按照先粗后细顺序依次进行磨制。
    3．在抛光机上进行抛光，获得光亮镜面。
      4．用浸蚀剂浸蚀试样磨面。
    5．显微镜对试样组织进行观察。
　 6．观察以下各种成分的铁碳合金的显微组织。
20、45、T8、T10
    7．绘出显微组织示意图。
五、实验报告要求 
    在直径为50mm圆内画出所制备试样的显微组织图，并注明材料、浸蚀剂、放大倍数，并用箭头标明各部分组织名称。