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1、实验一 金相显微镜的原理、结构和使用一、实验目的1.了解金相显微镜的结构原理，熟悉各种零件的性能和功用。2.掌握分辨率的概念及其影响因素。3.学会正确操作金相显微镜。二、实验原理利用金相显微镜观察金相试样的组织或缺陷的方法称为金相显微分析。它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术，在金属材料研究领域中占有很重要的地位。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。这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍。（一） 显微镜的基本原理、构造及使用1. 显微镜的基本原理图1.1 成像光学原理最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成。图1-1为相显微镜成像的光学原理示意图。图中AB为被观察的
2、物体，对着被观察物体的透镜O1叫物镜；对着人眼的透镜O2叫目镜。物镜使物体AB形成放大的倒立实像AB，目镜再将AB放大成仍然倒立的虚像AB。其位置正好在人眼的明视距离（约250mm）处。在显微镜中所观察的就是这个虚像AB。(1) 显微镜的放大倍数放大倍数由下式确定：式中：M显微镜总放大倍数； M物物镜的放大倍数； M目目镜的放大倍数；f物物镜的焦距；f目目镜的焦距；L显微镜的光学镜筒长度；D明视距离（250mm）。由上式可知：f物 、f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越大。(2) 物镜的鉴别率物镜的鉴别率是指物镜能清晰分辨试样两点间最小距离的能力。物镜鉴别率的数学公式为：式中：d物镜的鉴别率
3、；入射光源的波长；A物镜的数值孔径，它表示物镜的聚光能力。由公式可知，波长越短，数值孔径A越大，则鉴别能力就越高（d越小），在显微镜中就能看到更细微的部分。数值孔径A可由下列公式求出： 式中：物镜与物体之间介质的折射率；物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大，由于总是小于90，所以在空气介质（=1）中使用时，数值孔径A一定小于1，这类物镜称干系物镜。当物镜上面滴有松柏油介质（=1.52）时，A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜，每个物镜都有一个设计额定的A值，刻在物镜体上。(3) 显微镜的有效放大倍数由M=M目M物
4、知，显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合。如45倍的物镜乘以10倍的目镜或者15倍的物镜乘以30倍的目镜都是450倍。对于同一放大倍数，如何合理选用物镜和目镜呢？应先选物镜，一般原则是使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的5001000倍，即这个范围称为显微镜的有效放大倍数范围,若M1000A,则形成“虚伪放大”，组织的细微部分将分辨不清。待物镜选定后，再根据所需的放大倍数选用目镜。(4) 景深：即垂直鉴别率，反映了显微镜对于高低不同的物体能清晰成像的能力。式中：M放大倍数；R半孔径角；波长； n介质折射率。由式可知n、R越大，景深越小；物距增加，景深增加。在进行断口分析时，为获得
5、清晰的断口凹凸图像，景深不能太小。(5) 透镜的几何缺陷单色光通过透镜后，由于透镜表面呈球形，光线不能交于一点，则使放大后的象模糊不清，此现象称球面象差。多色光通过透镜后，由于折射率不同，使光线不能交于一点也会造成模糊图像，此现象称色象差。减小球面象差的办法：可通过制造物镜时采用不同透镜组合进行校正；调整孔径光栏，适当控制入射光束等办法降低球面象差。减小色象差办法：可通过物镜进行校正或采用滤色片获得单色光的办法降低色象差。2. 显微镜的构造图1-2为不同型式的金相显微镜的基本构造及光学行程。图1-2 金相显微镜的基本构造及光学行程金相显微镜分为台式、立时及卧式三种类型，各种类型又有许多不同的型
6、号。虽然显微镜的型号很多，但基本构造大致相同，现以国产4x型金相显微镜为例说明其结构和成像原理。图1-3 X型型金相显微镜的光学系统1灯泡；2聚光透镜组；3聚光镜；4半反射镜；5辅助透镜；6物镜组；7试样；8反光镜；9孔径光阑；10视场光阑；11辅助透镜；12、13棱镜；14物镜图1-4国产4XB倒立式金相显微镜图1-3是上海光学仪器厂生产的台式金相显微镜的光学系统图。自灯泡(1)发出一束光线，经过聚光镜(2)的会聚及反光镜(7)的反射，将光线均匀地聚集在孔径光栏(8)上，随后经聚光镜(3)再度将光线聚焦在物镜(6)的后面，最后光线通过物镜而使物体表面得到照明。从物体反射回来的光线又通过物镜和
7、补助透镜(5)，由半反射镜(4)反射后，在经过辅助透镜(10)及棱镜(11)、(12)等一系列光学元件构成一个倒立放大的实像。但这一实像还必须经过目镜(13)的再度放大，这样观察者就能从目镜中看到物体表面被放大的像。显微镜各零件的性能见图1-4。三、实验用设备、仪器和材料双目倒置式4XB-金相显微镜，工业纯铁金相样品四、实验步骤1.每人领取一个实验室制备好的纯铁样品，分别在制定的显微镜上进行观察，从中学会调焦、选用合适的孔径光阑和视场光阑、确定放大倍数及移动载物台的方法。2.选用不同的物镜，不同大小的孔径光阑和视场光阑，对样品的同一部分来进行观察，分析影响分辨率的因素，并与实验室内陈列的分辨率
8、与数值孔径、光阑之间关系的照片对照。3.描绘观察到的显微组织。金相显微镜是一种比较精密的仪器，使用时必须严格按照操作注意事项进行，具体操作步骤如下：(1) 熟悉显微镜的原理和结构，了解各零件的性能和功用；(2) 按观察要求，选择适当的目镜和物镜，调节粗调螺丝，将载物台升高，装上目镜，取下目镜盖，装上目镜。(3) 将试样放在载物台上，抛光面对着物镜。(4) 接通电源，若光源是6V低压钨丝灯泡，要注意电源须经降压变压器再接入灯泡。(5) 按观察要求，选用适当地滤色片。(6) 调节粗调螺丝，使物镜见见与试样靠近，同时在目镜中观察视场由暗到明，直到看到显微组织为止，再调细调螺丝至看到清晰显微组织为止。
9、注意调节时要缓慢些，切勿使镜头与试样相碰。(7) 根据观察到的组织情况，按需要调节孔径光阑和视域光阑到适当位置（使获得组织清晰、衬度均匀的图象）。(8) 移动载物台，对试样各部分组织进行观察，观察结束后切断电源，将金相显微镜复原。注：使用显微镜时应注意的事项(1) 操作者的手必须洗净擦二，并保持环境的清洁、干燥；(2) 用低压钨丝灯光作光源时，接通电源必须通过变压器，切不可误接在220V电源上；(3) 更换物镜，目镜时要格外小心，严防失手落地；(4) 调节物体和物镜前透镜间轴向距离（以下简称聚集）时，必须首先弄清粗调旋钮转向与载物台升降方向的关系，初学者应该先用粗调旋钮将物镜调至尽量靠近物体，
10、但绝不可接触。(5) 然后仔细观察视场内的亮度并同时用粗调旋钮缓慢将物镜向远离物体方向调节。待视场内忽然变得明亮甚至出南映象时，换用微调旋钮调至映象最清晰为止。(6) 用油系物镜时，滴油量不宜过多，用完后必须立即用二甲苯冼净，擦干；(7) 待观察的试样必须完全吹干，用氢氟酸浸蚀过的试样吹干时间要长些，因氢氟酸对镜片有严重腐蚀作用。五、实验报告要求叙述金相显微镜成像原理、光路图、构造和使用注意事项；讨论影响金相显微镜分辨率的因素。六、思考题1.选择数值孔径的实际意义是什么？它与有效孔径放大倍数有什么关系？为了得到1200倍的放大率，应如何选配金相显微镜的物镜和目镜？2.分析提高显微镜分辨率的可能
11、途径。3.试从透镜成像原理的角度分析调焦操作的作用。实验二 金相样品的制备一、实验目的1.初步掌握制备金相样品的常规方法及要点。2.了解影响制样质量的因素及金相特征。3.进一步熟悉金相显微镜的操作和使用。二、实验原理随着科学技术的发展，研究金属材料内部组织的手段也有不断增加。但是光学金相显微分析仍是一种最基本和最常用的方法。光学金相显微分析的第一步是制备试样，将待观察的试样表面磨制成光亮无痕的镜面，然后经过 浸蚀才能分析组织形态。如因制备不当，在观察上出现划痕、凹坑、水迹、变形层或浸蚀过深过浅都会影响正确的分析。因此制备出高质量的试样对组织分析是很重要的。金相试样制备过程一般包括：取样、粗磨、
12、细磨、抛光和浸蚀五个步骤。（一）取样从需要检测的金属材料和零件上截取试样称为“取样”。取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定。截取方法有多种，对于软材料可以用锯、车、刨等方法；对于硬材料可以用砂轮切片机或线切割机等切割的方法，对于硬而脆的材料可以用锤击的方法。无论用哪种方法都应注意，尽量避免和减轻因塑性变形或受热引起的组织失真现象。试样的尺寸度列统一规定，从便于握持和磨制角度考虑，一般直径或边长为1520mm，高为1218mm比较适宜，对那些尺寸过小，形状不规则和需要保护边缘的试样，可以采取镶嵌或机械夹持的办法，如图2-1所示。镶嵌材料（塑料或低熔点合金）铜管或塑料管（a）镶嵌试样 （b）
13、环形夹具夹持试样（c）平板夹具夹持试样图2-1 镶嵌及夹持试样金相试样的镶嵌，是利用热塑塑料（如聚氯乙烯），热固性塑料（如胶木粉）以及冷凝性塑料（如环氧树脂+固化剂）作为填料进行的。前两种属于热镶填料，热镶必须在专用设备镶嵌机上进行。第三种属于冷镶填料，冷镶方法不需要专用设备，只将适宜尺寸（约1520mm）的钢管、塑料管或纸壳管放在平滑的塑料（或玻璃）板上，试样置于管内，待磨面朝下倒入填料，放置一段时间凝固硬化即可。（二）粗磨粗磨的目的主要有以下三点：1）修整有些试样，例如用锤击法敲下来的试样，形状很不规则，必须经过粗磨，修整为规则形状的试样。2）磨平无论用什么方法取样，切口往往不十分平滑，为
14、发将观察面磨平，同时去掉切割时主生的变形层，必须进行粗磨。3）倒角在不影响观察目的的前提下，需将试样上的棱角磨掉，以免划破砂纸和抛光织物。黑色金属材料的粗磨在砂轮机上进行，具体操作方法是将试样牢牢地捏住，用砂轮的铡面磨制。在试样与砂轮接触的一瞬间，尽量使磨面与砂轮面平行，用力不可过大。由于磨削力的作用往往出现试样磨面的上半部分磨削量偏大，故需人为地进行调整，尽量加大试样下半部分的压力，以求整个磨面均匀受力。另外在磨制过程中，试样必须沿砂轮的径向往复缓慢移动，防止砂轮表面形成凹沟。必须指出的是，磨削过程会使试样表面温度骤然升高，只有不断地将试样浸水冷却，才能防止组织发生变化。砂轮机转速比较快，一
15、般为2850r/min，工作者不应站在砂轮的正前方，以防被尽出物击伤。操作时严禁戴手套，以免手被卷入砂轮机。关于砂轮的选择，一般是遵照磨硬材料选稍软些的，磨软材料选择稍硬些的基本原则，用于金相制样方面的砂轮大部分是：磨料粒度为40号、46号、54号、60号（数字愈大愈细）；材料为白刚玉（代号为GB或WA）、绿碳化硅（代号为TL或GC）、棕刚玉（代号为GZ或A）和黑碳化硅（代号为TH或C）等；硬度为中软1（代号为ZR1或K）的平砂轮，尺寸多为250mm25mm32mm（外径厚度孔径）有色金属，如铜、铝及其合金等，因材质很软，不可用砂轮而且要作锉刀进行粗磨，以免磨悄填塞砂轮孔隙，且使试样产生较深的
16、磨痕和严重的塑性变形层。（三）细磨粗磨后的试样，磨面上仍有较深的磨痕，为了消除这些磨痕必须进行细磨。细磨可分为手工磨和机械磨两种。1、手工磨手工磨是将砂纸铺在玻璃板上，左手按住砂纸，右手捏住试样在砂纸上作单向推磨。金相砂纸由粗到细分许多种，其规格可参考表2-1。表2-1 常用金相砂纸的规格砂纸序号24030040060080010001200粒度1602002804006008001000编号01（选一种）0203040506用砂轮粗磨后的试样，要依次由01号磨至05号（或06号）。操作时必须注意：（1）加在试样上的力要均匀，使整个磨面都能磨到；（2）在同一张砂纸上磨痕方向要一致，并与前一道砂
17、纸磨痕方向垂直。待前一道路砂纸磨痕完全消失时才能换用下一道路砂纸。（3）每次更换砂纸时，必须将试样、玻璃板清理干净，以防将粗砂粒带互细砂纸上。（4）磨制时不可用力过大，否则一方面因磨痕过深增加下一道麻木在制的困难，另一方面因表面变形严重影响组织真实性。（5）砂纸的砂粒变钝磨削作用明显下降时，不家继续使用。否则砂粒在金属表面产生的滚压会增加表面变形。（6）磨制铜、铝及其合金等软材料时，用力更要轻，可同时在砂纸上滴些煤油，以防脱落砂粒嵌入金属表面。砂纸磨光表面变形层消除过程如图2-2所示。图2-2 砂纸磨光表面变形层消除过程示意图（a）严重变形层（b）变形较大层（c）变形微小层（d）无变形原始组织
18、1-第一步磨光后试样表面的变形层2-第二步磨光后试样表面的变形层3-第三步磨光后试样表面的变形层4-第四步磨光后试样表面的变形层用金相水砂纸手工磨制时可加水也可以干磨。但是在干磨过程中，脱落的砂粒和金属磨屑留在砂纸上，随着移动的试样来回滚动，砂粒间的相互挤压以及金属屑粘在砂糖缝隙中，都会使砂纸磨削寿命减短，试样表面变形层严重，摩擦生热还可能引起组织变化。为克服干磨的弊端，目前多采用手工湿磨的方法所用砂纸是水砂纸，其规格可参考表2-1。用水砂纸手工磨制的操作方法和步骤用金相砂纸磨制制完全一样，只是将水砂纸置于流动水下边冲边磨，由粗到细依次更换数次，最后磨到1000或1200号砂纸。因为水流不断地
19、将脱落砂粒、磨屑冲掉，帮砂纸的磨削寿命较长。实践证明试样磨制的速度快、质量高，有效地弥补了干磨的不足。2、机械磨目前普遍使用的机械磨设备是预磨机。电动机带动铺着水砂纸的圆盘转动，磨制时，将试样沿盘的径向来回移动，用力要均匀，边磨边用水冲。水流即起到冷却试样的作用，又可参借助离心力将脱落砂粒、磨屑等不断冲到转盘边缘。机械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不够好，表面变形层也比较严重。因此要求较高的或材质较软的试样应该采用手磨制。机械磨所用水砂纸规格与手工湿磨相同，可参考表2-1。（四）抛光抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕，得到光亮无痕的镜面。抛光的方法有机械抛光、电解抛光物化学抛
20、光三种，其中最常用的是机械抛光。1、机械抛光机械抛光在抛光机上进行，将抛光织物（粗抛常用帆布，精抛常用毛呢）用水浸湿、铺平、绷紧用固定在抛光盘上。启动开关使抛光盘逆时针转动，将适量的抛光液（氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液）滴洒在盘上即可进行抛光，抛光时就注意：（1）试样沿盘的径向往返缓慢移动，同时逆抛光盘转向自转，待抛光快结束时作短时定位轻抛。（2）在抛光过程中，要经常滴加适量的抛光液或清水，以保持抛光盘的湿度，如发现抛光盘过脏或带有粗大颗粒时，必须将其冲刷干净后再继续使用。（3）抛光时间应尽量缩短，不可过长，为满足这一要求可分粗抛和精抛两步进行。（4）抛有色金属（如铜、铝及其合金等
21、）时，最好在抛光盘上涂少许肥皂或滴加适量的肥皂水。机械抛光与细磨本质上都是借助磨料尖角锐利的刃部，切去试样表面隆起的部分，抛光时，抛光织物纤维带动稀疏分布的极微细的磨料颗粒产生磨削作用，将试样抛光。目前，人造金刚石研磨膏（最常用的有W0。5、W1。0、W1。5、W2。5和W3。5五种规格的溶水性研磨膏）代替抛光液，正得到日益广泛的应用，用极少的研磨膏均匀涂在抛光织物上进行抛光，抛光速度快，质量也好。2、电解抛光电解抛光原理示意图如图2-3所示，阴极用不锈钢板制盛成，试样本身为阳极，二者同处于电解抛光液中，接通回路后在试样表面形成一层高电阻膜。由于度样表面高低不平，膜的厚薄也不同。试样表面凸起部
22、分膜薄，电阻小，电流密度大，金属溶解速度快。相对面言，凹下部分溶解速度慢，这种选择性溶解结果，使试样表面逐渐平整，最后形成光滑平面。图2-3 电解抛光原理示意图电解抛光系电化学溶解过程，因此它消除了机械抛光难以避免的疵病，不会引起试样表面变形。与机械抛光比较即省时间又操作简便。然而电解抛光也有其局限性，因其对材料化学成分不均匀的偏析组织以及非金属夹杂物等比较敏感，会造成局部强烈浸蚀而形成斑坑。另外镶嵌在塑料内的试样，因不导电也不适用。故目前仍然以机械抛光为主。铜合金、铝合金、奥氏体不锈钢及高锰钢等材料常用电解抛光。3、化学抛光化学抛光是依靠化学试剂对试样表面凹凸不平区域的选择性溶解作用将磨痕去
23、除的一种方法。化学抛光不需要专用设备，成本低，操作方便，在抛光的同时还兼有化学浸蚀作用。省掉了抛光后的浸蚀步骤。但化学抛光的试样平整度略差些，仅适于低、中倍观察。对于一些软金属，如锌、铅，锡、铜等。实践证明，利用化学抛光要比机械抛光和电解抛光效果好。目前，其应用范围在逐渐扩大。化学抛光液，大多数是由酸或者混合酸（如草酸、磷酸、铬酸、醋酸、硝酸、硫酸氢氟酸等）过氧化氢及蒸馏水组成。混合酸主要起化学溶解作用，过氧化氢能增进金属表面的活化性，有助于化学抛光的进行，而蒸馏水为稀释剂。（五）浸蚀抛光后的试样在金相显微镜下观察，只能看到光亮的磨面，如果有划痕、水迹或扔料中的非金属夹杂物、石墨以及裂纹等也可
24、以看出来，但是要分析金相组织还必须进行浸蚀。浸蚀的方法有多种，最常用的是化学浸蚀法，利用浸蚀剂对试样的化学溶解和电化学浸蚀作用将组织显露出来。纯金属（或单相均匀固溶体）的浸蚀基本上为化学溶解过程。位于晶界处的原子和晶粒内部原子相比，自由能较高，稳定性较差，故易受浸蚀形成凹沟，晶粒内部被浸蚀程度较轻，大体上仍保持原抛光平面。在明场下观察，可以看到一个个晶粒被晶界（黑色网络）隔开。如浸蚀较深，还可以发现各个晶粒明暗程度不同的现象，这是因为每个晶粒原子排列的位向不同，浸蚀后，以最密排面为主的外露面与原抛光面之间倾斜程度不同的缘故。两相合金的浸蚀与单相合金不同，它主要是一个电化学浸蚀过程。在相同的浸蚀
25、条件下，具有较高负电位的相（微电池阳极）被迅速溶解凹陷下去；具有较高正电位的相（微电池阴tR）在正常电化学作用下不被浸蚀，保持原有的光滑平面，结果产生了两相之间的高度差。多相合金的浸蚀，同样也是一个电化学溶解过程，原理与两相合金相同。化学浸蚀的方法虽然很简单，但是只有认真对待才能制备出高质量的试样，将抛光后的试样用水冲洗同时用脱脂棉擦净磨面，然后吸水纸吸去磨面上过多的水，吹干后用显微镜检查磨面上是否有道痕、水迹等。同时证明未经过浸蚀的试样是无法分析组织的，经检查后合格的试样可以放在浸蚀剂中，抛光面朝上，不断观察表面颜色的变化。这是浸蚀法。也可以用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦拭抛光面，观察表面颜色的变
26、化。此为擦蚀法。待试样表面被浸蚀得略显灰暗时即刻取出，用流水冲洗后在浸蚀面上滴些酒精，再用滤纸吸去过多的水和 酒精，迅速用吹风机吹干，完成整个制备试样的过程。图2-4为浸蚀显示原理示意图。晶界晶粒图2-4浸蚀显示原理示意图（a）晶界处光线的散射（b）组织显示-直射光反映为亮色晶粒，散射光反映为晶界关于浸蚀剂的选择可参考有关文献。钢及铸铁等黑色金属最常用的浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液。浸蚀后的试样在显微镜下观察时，如发现表面变形层严重影响组织的清晰度时，可采取反复抛光、浸蚀的办法去除变形层。三、实验用设备、仪器和材料抛光机、各型号砂纸、抛光磨料、试样、浸蚀剂、吹风等。四、实验步骤金相试样的制备包括取
27、样、磨制、抛光、浸蚀四个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、水迹。1.取样 取样的部位和磨面应根据检验目的选取具有代表性的部位。例如，检验表面脱碳层的厚度应取横向截面、观察纵裂纹就要取纵向截面。试样的截取方法很多，例如用手锯、机床截取、线切割等，但必须注意的是在取样过程中要防止试样受热或变形而引起的组织变化，破坏了其组织的真实性。为防止受热可在截取过程中用冷却液冷却试样。金相试样的尺寸要便于手握持和易于磨制，常用的试样尺寸为：1210或121210，如果不是观察表面组织，可以倒角便于磨制。根据需要，例如观察表面渗碳层的厚度，为防止在磨制过程中发生倒角，应采用镶嵌法，把试样镶嵌在热塑性
28、塑料或热固性塑料中。我们所用试样为车削好的1020的45钢试样。2.磨制 这是最关键的步骤，磨制质量的好坏直接决定了试样的好坏。 粗磨 将试样在砂轮上或用粗砂纸之成平面。磨制时使试样受力均匀，压力不要太大。 精磨 粗磨好的试样用清水冲干后，依次用01、02、03、04号金相砂纸把磨面磨光。磨制时应把砂纸放在玻璃板或平整的桌面上，左手按住砂纸，右手握住试样，用力均匀、平稳，沿一个方向反复进行，直到旧的磨痕被去掉，不要来回磨制。注意：在调换更细一号砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并转动90角，使新、旧磨痕垂直。3.抛光 抛光的目的是去除磨面上细的磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。机械抛光是在
29、抛光机上进行的。在抛光盘上固定一层织物，如毛织物、丝织物或人造纤维织物等。抛光盘以200-600转/分的速度旋转，将抛光磨料（Al2O3或其他）加在上面即可进行抛光。注意抛光时用力要均匀，不要太大，以免试样飞出。抛光后先用清水冲洗再用无水酒精清洗，然后用吹风吹干。4.浸蚀 采用化学浸蚀法，碳钢及低合金钢一般采用4%的硝酸酒精溶液浸蚀15-20秒中左右即可。浸蚀后用清水冲洗干净再用无水酒精冲洗，然后吹干。五、实验报告要求1.根据自己的体会，简述金相样品的制备过程、组织显示方法和注意事项。2.讨论观察试样时所用显微镜的参数。六、思考题1.金相试样的制备的步骤及应注意的问题。2.如果观察到许多平行的
30、条纹而金相组织不清晰，为什么？实验三 金属的塑性变形和再结晶一、实验目的1. 了解塑性变形对金属组织的影响。2. 了解金属经过冷塑性变形后显微组织及机械性能的变化。3. 掌握变形度与加热温度对再结晶后晶粒大小的影响。4. 掌握洛氏硬度计的使用。二、实验原理1、冷加工对金属组织和力学性能的影响金属材料发生冷变形后，不仅外形发生变化，内部组织也发生变化，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒将沿受拉方向逐渐伸长。当变形量大到一定程度时，各个晶粒难以分辨呈现出一片纤维状的条纹，称为纤维组织，如图3-1所示。dcab图3-1工业纯铁经不同程度变形后的组织a）20 b）40 c）60 d）70如果对冷变形金属
31、进行薄膜透射电镜分析就会发现位错分布是不均匀的，有的地方位错密度很高并缠结在一起；有的地方位错密度很低。当变形量较大时，还会发现典型的胞状亚结构特征。高密度位错集中在胞壁上，胞内的位锗密度比胞壁低得多。变形量越大，胞状亚结构的尺寸越细小。金属的塑性变形所造成的内部组织变化必然导致某些性能的改变。大量实践证明，金属材料经冷变形后，强度、硬度显著提高，而塑性下降，即产生加工硬化。造成加工硬化的原因主要是位错密度增加，并相互交截产生不易移动的位错节点；位错缠结在一起或形成胞状亚结构都对位错运动有阻碍作用。2、冷变形金属在加热时组织和性能的变化冷变形金属在热力学上是处于一种不稳定的状态，有力求恢复到稳
32、定状态的趋势。加热会提高原子的活动能力，促进由不稳定状态恢复到稳定状态过程的进行，加热温度由低到高，其变化过程人为分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。当然这三个阶段并非是截然分开的。如图3-2所示。由图可见，当加热温度低于再结晶温度时，组织形态几乎不发生变化。但由于晶内缺陷（主要是点缺陷）密度减小，电阻和内应力明显下降，当温度达到再结晶温度时，在变形比较严重的区域（如晶界、形变带，夹杂物附近等）优先形成再结晶核心，并以畸变能为驱动力逐渐长大。当被拉长的变形晶粒完全由细小等轴晶粒代替时，再结晶过程结束。如果进一步提高温度或延长保温时间，晶粒将以界面能减少为驱动力不断合并长大，进入第三阶段。关于不
33、同阶段材料强度及硬度的变化：回复阶段强度几乎不变，即将进入再结晶阶段时才略有下降。在再结晶阶段，强度明显下降，直到再结晶结束强度基本恢复到变形前数值，这说明，再结晶后的金属完全消除了加工硬化现象。变形量50的纯铜经不同温度下退火的组织如图3-3所示。图3-2 变形金属在加热过程中组织和性能变化示意图3、再结晶后晶粒大小与变形量的关系再结晶后晶粒大小与再结晶加热温度、保温时间、加热速度、变形量以及变形前原始晶粒度等都有关系。为了说明晶粒大小与变形量的关系，将一组变形量各不相同的铝片放在同一温度下进行再结晶退火，结果晶粒大小相差很大。如图3-4所示。当变形量很小时，由于晶内储存的畸变能不足以进行再
34、结晶而保持变形前状态（图3-4a）。当达到某一变形量时，再结晶后的晶粒特别粗大（图3-4b）。这个变形量称为临界变形度。金属在临界变形度下，只有少数晶粒发生明显变形具备形成再结晶核心的条件，而其余绝大多数晶粒几乎未发生变形不具备形核条件，因此所形成的再结晶核心数目必然很少，由它们长大而成的晶粒（无畸变区）靠吞并周围晶粒迅速长大，其结果造成晶粒特别粗大，当变形量超过临界变形度时，随着变形量的增加，变形的均匀程度也增加，再结晶退火后的晶粒也逐渐细化，如图3-4c、d、e所示。这里有必要指出，除特殊需要外，生产中应尽量避免在临界变形度范围内（铁约为210；钢约为510；铝约为25；铜及黄铜约为5）加
35、工，以免形成粗大晶粒使性能恶化。图3-3 变形量50的纯铜经不同温度退火的显微组织变化a）300 b）500 c）600，加热时间：30min图3-4 不同变形量对纯铝片再结晶晶粒大小的影响a）2% b）3% c）6% d）9% e）12% f）15%本实验主要以工业纯铁或低碳钢为对象，分析其塑性变形和再结晶过程中显微组织的变化和性能变化。观察经一定冷变形后不同退火温度下工业纯铁或低碳钢的显微组织，测定硬度指标，此外对不同冷变形度的工业纯铁进行高温退火，测定硬度指标。从而掌握金属经过冷塑性变形后显微组织及机械性能的变化以及掌握变形度与加热温度对显微组织及机械性能的变化。三、实验用设备、仪器和材
36、料金相显微镜、洛氏硬度计、不同冷塑变形和不同温度下处理的纯铁试样一组。四、实验内容1. 观察不同变形率试样的金相组织并绘出组织图。2. 测量不同变形率试样的洛氏硬度。3. 观察同一变形率试样不同温度下退火的组织并绘出组织图。4. 测量同一变形率试样不同温度下退火后的洛氏硬度。五、实验步骤与方法1. 每个同学从指导老师处领取一个样品，并记录下样品的参数。注意在实验过程中不得和其他同学交换以避免搞混样品。2. 观察样品的显微组织，并对组织的特征做记录，并记录放大倍数。3. 和其他同学交换样品，对其他参数的样品进行显微组织，并对组织的特征做记录，并记录放大倍数。注意不要将样品搞混，看完后及时归同学。4. 测量自己样品的洛氏硬度，并记录下来。同时记录同一组同学中其他参数样品的硬度。五、实验报告要求1、实验名称2、实验目的3、实验原理4、实验仪器设备5、实验结果与分析（1）整理所测定的各种数据列表。（2）分析冷塑性变形对金属组织和性能的影响。（3）分析经冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化规律。6、实验心得
