实验一 金相显微镜的使用及第二个实验金相试样的制备

得较薄，蒸发也较快，同时液体的补充也不足的缘故。这时，可以看到明显的等轴晶体。 氯化铵或硝酸铅水溶液的结晶是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶，而金属的结晶则是液态金属在冷却过程中在一定的过冷度下发生的。虽然它们存在上述差别，但我们可以从实验中看到晶体生长的共同特点是： （1）结晶的规律是形核和长大。 （2）晶体通常是以枝晶形式生长。 三、实验设备及材料

1.生物显微镜或经改装的金相显微镜。 2.玻璃片、吸管、放大镜、反光镜。 3.饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液。 四、实验内容及步骤

1.将氯化铵或硝酸铅溶解在水中，并使他们的水溶液成饱和状态（在配制时可以将水溶液微微加热，使盐分别溶解到水溶液中，直至呈饱和状态为止）。 2.用玻璃棒或吸管把过饱和溶液点滴在一块玻璃片上，在将玻璃片放在生物显微镜的试样台上，如果将玻璃片放在金相显微镜试样台上，还需在玻璃片上搁置一块反光镜，即后便可在显微镜中观察到它们的结晶过程。 五、注意事项

1.用玻璃棒或吸管点滴过饱和盐溶液量要适中，一般不宜太多，否则蒸发太慢，不易结晶。 2.由于饱和盐溶液的结晶过程相当快，故实验操作要求迅速。 3.观察饱和盐溶液结晶用的玻璃片和玻璃棒或吸管要保持清洁，不要让外来物质落入液滴而影响结晶过程。 4.在使用显微镜时，应防止液滴流到试样台或显微镜的其他位置，尤其不能让液滴碰到物镜。 5.显微镜的放大倍数不大于100倍。 6.认真完成实验报告。

实验三 铁碳合金平衡组织观察 一、实验目的

1.初步识别各种铁碳合金在平衡状态下的显微组织特征。

2.分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。 二、实验概述

铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。所谓平衡状态的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。 铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织。从Fe-Fe3C相图上可见，碳钢和白口铁的室温组织均由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。 （一）铁碳合金室温下基本组织组成物的显微组织特征

各种不同成分的铁碳合金在室温下的显微组织见书中示意图。

用浸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组成物。 1.铁素体（F）

铁素体是在碳在α—Fe中的固溶体。铁素体为体心立方晶体，具有磁性及良好的塑性，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；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)

渗碳体是铁和碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3%—4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。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结晶出来的，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；三次渗碳体是从铁素体中析出的，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)

珠光体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。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性的珠光体组织。

高碳工具钢经球化退火处理后还可从中获得球状珠光体。 4.莱氏体(Ld)

莱氏体是在室温时珠光体及二次渗碳体和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摄氏度是形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出二次渗碳体，并在723摄氏度以下分解为珠光体。莱氏体的显微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，从形式上难以区分。

(二)铁碳合金平衡组织的显微分析

Fe—Fe3C相图的各种合金，按其含碳量与平衡组织的不同，可分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁3类。 1.工业纯铁

纯铁在室温下具有单相铁素体组织。含碳量小于0.0218%的铁碳合金通常称为工业纯铁。它是两相组织，即由铁素体和少量渗碳体组成。 2.碳钢

含碳量在0.0218%～2.11%范围内的铁碳合金称为碳钢。按其含碳量与平衡组织的不同，可分为亚共析碳钢、共析碳钢和过共析碳钢3种。 (1)亚共析钢

亚共析钢的含碳量在0.0218%～0.8%范围内，其组织有铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加，铁素体的数量则相应的逐渐减少，而珠光体的数量则相应增多，两者的相对量可由杠杆定律求得。 (2)共析钢

含碳量为0.8%的碳钢称为共析钢，它由单一的珠光体组成。 (3)过共析钢

含碳量在0.8%～2.11%范围内的碳钢称为过共析钢，它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中的含碳量越多，二次渗碳体的数量越多。二次渗碳体呈网状分布于晶界上。 3.白口铸铁

白口铸铁是含碳量为2.11%～6.69%范围内的铁碳合金，按其含碳量及平衡组织的不同，又可分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁3种。 (1) 亚共晶白口铸铁

含碳量为2.11%～4.3%范围内的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体。 (2) 共晶白口铸铁

共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，它的室温下的组织是单一的共晶莱氏体组织，经侵蚀后，

在显微镜下珠光体呈暗黑色细条及斑点状，渗碳体呈亮白色。 (3) 过共晶白口铸铁

含碳量为4.3%～6.69%范围内的白口铸铁称为过共晶白口铸铁。在室温下的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液侵蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基底上分布着亮白色粗大条片状的一次渗碳体。 三.实验设备及材料 1.金相显微镜 2.金相图谱

3.各种铁碳合金的金相显微试样 四.实验内容及步骤

1.认真观察各种材料的显微组织，识别各显微组织的特征。

2.在显微镜下选择各种材料的显微组织的典型区域，并根据组织特征绘出其显微组织示意图。

3.记录所观察的各种材料的牌号或名称、显微组织、放大倍数及侵蚀剂，并把显微组织示意图中组织组成物用箭头标出其名称。

4.对指定钢样，根据显微组织中各组织所占面积，近似估算其平均含碳量及其钢号。 五.注意事项

1.在观察显微组织时，可先用低放大倍数全面的进行观察，找出典型组织，然后再用高放大倍数放大，对部分区域进行详细的观察。

2.在移动金相试样时，不得用手指触摸试样表面或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察效果。

3.画组织图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，注意不要将磨痕或杂质画在图上。

4.认真完成实验报告。

实验四 金属材料的硬度试验 一.试验目的

1.了解硬度测定的基本原理及应用范围。

2.了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及其操作方法。 3.初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系。 二.实验概述

金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属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的反映压痕附近局部体积内金属的弹性，微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，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。另外，硬度与其他机械性能(如强度指标σb及塑性指标ψ和δ)之间有着一定的内在联系。因此，从某种意义上说，硬度的大小对机械零件或工件的使用性能及寿命具有决定性的意义，故在产品设计图纸的技术条件中，硬度是一项主要的指标。 目前，测定硬度的方法很多，在机械工业中，广泛采用压入法测硬度，其中又以布氏硬度和洛氏硬度应用最为普遍。它们的试验原理都是用一定几何形状的压头，在一定载荷下压入被测的金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。因此，在工艺生产中，它们被广泛应用于产品质量的检验。 (一)布氏硬度(HB)

1.布氏硬度测定的基本原理

布氏硬度测定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，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凹痕面积F凹，求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示，其计算公式如下： HB=P/F凹

式中: HB为布氏硬度值; P为载荷(N)

F凹为压痕面积(mm2)

根据压痕面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为:

F凹=πDh

式中:D为钢球直径(mm); h为压痕深度(mm);

由于测量压痕d要比测量压痕深度h容易，故可将上式中h改换成d。 HB=P/(πDh)=2P/(πD(D－(D2－d2)1/2))

式中只有d是变量，故只需要测出压痕直径d，再根据已知D和P值，就可以计算HB值。在实际测量时，可由测出之压痕直径d直接查表得到HB值。

由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，因此，在测量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。 2.布氏硬度测定的技术要求

（1）试样表面必须平整光洁，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径d。 （2）压痕距离试样边缘应大于D，两压痕之间距离应不小于D。

（3）用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值。 （4）为了表明试验条件，可在HB值后标注D/P/T，如HB10/3000/10即表示此硬度值是在D为10mm；P为3000N；T为10秒的条件下得到的。 3.布氏硬度实验机的结构和操作

HB—3000型布氏硬度试验机。试验时，将试样放在工作台上，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升，直至试样与压头接触，并在手轮打滑后，再开动电动机，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆与摇杆向下运动，此时压头即可由砝码通过大杠杆、小杠杆及压轴作用，以一定大小的载荷压入试样，停留一定时间后，电动机自动反转，曲轴连杆带动摇杆上升而卸除载荷，在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后，用读数显微镜测出压痕直径d，根据d的大小查表，即可求得布氏硬度值。 （二）洛氏硬度(HR)

1. 洛氏硬度测定的基本原理

洛氏硬度和布氏硬度一样，也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。

洛氏硬度实验所用压头有两种：一种是顶角为120度的金刚石圆锥，另一种是直径为1.588mm或3.176mm的淬火钢球。根据金属材料软硬程度的不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB和HRC，这3种洛氏硬度的压头。 洛氏硬度值得计算法公式如下： HR=(K－(h3－h1))/0.002

式中：h1——预加载荷压入试样的深度（mm）; h3——卸除主载荷后压入试样的深度（mm）;

K——常数，录用金刚石圆锥时，K为0.2（用于HRA，HRC），采用钢球时，K为0.26（用于HRB）。