实验一材料的金相显微组织观察1.1 实验目的1、了解金相显微镜的结构及原理；2、熟悉金相显微镜的使用与维护方法；1.2 金相显微镜的原理、构造和操作方法金相分析是研究工程材料内部组织结构的主要方法之一，特别是在金属材料研究领域占有很重要的地位。

而金相显微镜是进行金相分析的主要工具，利用金相显微镜在专门制备的试样上观察材料的组织和缺陷的方法，称为金相显微分析。

显微分析可以观察，研究材料的组织形貌、晶粒大小、非金属夹杂物在组织中的数量和分布情况等问题，及可以研究材料的组织结构与其化学成分之间的关系，确定各类材料经不同加工工艺处理后的显微组织，可以判别材料质量的优劣等。

1、金相显微镜的工作原理显微镜的简单基本原理如图1.1所示。

它包括两个透镜：物镜和目镜。

对着被观测物体的透镜，成为物镜；对着人眼的透镜，成为目镜。

被观测物体AB，放在物镜前较焦点F1略远一点的地方。

物镜使AB形成放大倒立的实像A1B1，目镜再把A1B1放大成倒立的虚像A’1B’1，它正在人眼明视距离处，即距人眼图1.1 显微镜成像光学简图图1.2 物镜的孔径角250mm处，人眼通过目镜看到的就是这个虚像A’1B’1。

显微镜的主要性能有：①显微镜的放大倍数：它等于物镜与目镜单独放大倍数的乘积，即物镜放大倍数M＝A1B1/AB；目镜放大倍数M目＝A’1B’1 /A1B1；显微镜的放大倍数M 物＝A’1B’1 /AB＝M物×M目。

②显微镜的鉴别率：指显微镜能清晰地分辨试样上两点间的最小距离d的能力，d值越小，鉴别率就越高。

它是显微镜的一个重要性能，取决于物镜数值孔径A和所用光线的波长λ，可用如下的式子表示：d＝λ/2A③物镜的数值孔径：它表示物镜的聚光能力，其大小为：A＝n×sinα式中：n——物镜与试样之间介质的折射率；α——物镜孔径角的一半(见图1.2)。

n或α角越大，A越大。

由于α角总是小于90°，当介质为空气时(n＝1)，A一定小于1；当介质为松柏油时(n＝1.5)，A值最高可达1.4。

通常，物镜上都刻有A值，如0.25、0.65等。

2、4XB/4XI倒置式金相显微镜的光学原理4XB/4XI系倒置式金相显微镜，由于试样观察表面与工作台表面重合，因此与试样高度无关，使操作比较方便。

该仪器的基本光学原理如图1.3所示，灯源1的灯光经聚光镜2与反光镜3成像在孔径光阑4上，接着由照明辅助透镜5、7，辅助物镜9成像在物镜10的后焦面附近，然后经物镜以近于平行的光束照明试样，视场光阑6位于照明辅助透镜7的焦面上，经辅助物镜9和物镜10成像在试样面11上。

因此，仪器满足柯勒照明原理，照明均匀，且可减少有害的杂质光，提高成像衬度。

试样11经物镜10和辅助物镜9以平行光束射向半透反光镜8，然后，由辅助物镜12、棱镜13，双筒棱镜组14，成像在目镜15的前焦面上，最后以平行光束射向人眼供观察。

图1.3 倒置式金相显微镜的光源原理图1、灯源2、聚光镜3、反光镜4、孔径光阑5、7、照明辅助透镜6、视场光阑8、半透半光镜9、12、辅助透镜10、物镜11、试样13、棱镜14、双筒棱镜组15、目镜3、4XB/4XI金相显微镜的结构该仪器结构紧凑，外形美观大方，仪器底座支撑面积较大，弯臂坚固，使仪器的重心较低，安放平稳可靠。

①调焦装置调焦机构采用钢球行星机构，粗、细微动同轴，粗调手轮15和微调手轮16共轴地安装在弯臂两侧。

转动粗调手轮时，物镜相对于工作台作上下迅速移动；转动微调手轮时，由于滚动摩擦，钢球作行星运动，带动了粗动轴使物镜相对于工作台作上下微动；②物镜及其他转换该仪器的各种物镜分别标明放大倍数，并用颜色加以区别。

在40X和100X 物镜内设有弹簧保护装置，能向后退缩，可使物镜与试样接触时两者都能得到保护。

物镜转换器上可安装三个物镜，在使用转换器由低倍物镜依次转换到高倍物镜时，视场中心像不会越出视野且轮廓像至少隐约可见，若使用微调手轮可迅速使像调焦清楚，同时利用载物台的滑动可使像回复到视场中央。

③单筒目镜、双筒目镜该仪器的4XI型装单筒目镜，4XB型装双筒目镜，拆卸目镜时，只需将目镜管连接座下的固定滚花螺钉7旋松即可。

在作金相显微摄影时，显微镜应安装在摄影装置的底座上，并使单筒目镜管旋至水平位置，利用目镜管连接座侧面对准标记进行定位。

④载物台载物台11为机械工作台，固定在弯臂上，并和光学系统轴线垂直，右下侧装有同轴手轮，采用齿轮齿条结构作横向纵向移动，调节横向、纵向手轮可使试样移动76×50cm。

3、金相显微镜的操作方法①接通电源，旋转拔盘3开亮灯源，在孔径光阑4处观察灯丝成像情况，若灯丝左右位置有偏差，则旋松滚花螺钉1，转动照明灯座2，校正好灯丝左右位置偏差以后即可旋紧滚花螺钉；若灯丝前后位置不正确，则需在底座后盖板逆时针取下照明灯组，将灯泡上下移动，以改变灯丝的上下位置，使灯丝居中。

②将目镜12安装在转换器13上。

③将双筒目镜8镜管口中插入需要倍数的目镜。

④转动粗调手轮15及微调手轮16进行调焦，直到所观察到的像清楚为止。

⑤旋转视场光阑的滚花圈5，使光阑缩小直至视场中出现比目镜视场光阑略小的可变光阑像，转动滚花螺丝6使视场光阑居中，再放大可变视场光阑像，使目镜的视场光阑内切于可变视场的光阑像。

⑥在双筒目镜8中取出目镜9，可直接用肉眼观察到物镜的孔径光阑，旋转孔径光阑4的滚花圈，使光阑缩小，直至目视能观察到多边形的可变孔径光阑像，使可变孔径光阑像略小于物镜的孔径光阑，如图1.4。

a、为不正确的调节，可变孔径光阑太小，影响仪器的分辨能力；b、为正确的调节，可变孔径光阑约为物镜孔径光阑直径的3/4左右。

此时，成像的对比度较好且仪器的分辨能力可达到较高；c、为不正确的调节，可变孔径光阑过大，使成像的对比度急剧下降，仪器的实际分辨能力也随之迅速降低。

a. 不正确b、正确c、不正确图1.4 物镜孔径光阑与可变孔径光阑的关系⑦将目镜9再插入双筒目镜管中即可进行正常的观察。

⑧对照明均匀性要求较高的场合，可在孔径光阑4处安置一块磨砂玻璃。

1.3 实验设备及材料1、光学金相显微镜；2、待观察金相组织的试样。

1.4 实验内容及步骤1、实验前仔细阅读实验教材的有关内容；2、认真听取实验指导老师讲解金相显微镜的构造，操作方法等，熟悉金相显微镜的构造及使用方法；3、熟悉金相显微镜的放大倍数与数值孔径，鉴别能力之间的关系；4、利用金相显微镜观察待测试样的显微组织特征。

1.5 实验报告的要求1、实验报告应首先写明实验名称及实验目的；2、简明扼要描述金相显微镜的工作原理和使用规程；3、在直径为150mm的圆周内，画出被观测试样的显微组织图，并表明试样材料，组织类别和放大倍数等；4、每个学生的观察试样不得低于2个，即最少要画出两个被观察试样的显微组织图。

实验二 材料洛氏硬度的实验测定2.1 实验目的1、了解洛氏硬度硬度测定的基本原理；2、学会正确使用硬度计。

2.2 实验原理硬度是材料抵抗另一较硬物体压入其表面抵抗塑性变形的一种能力，是重要的力学性能指标之一。

硬度的测定较其他力学性能指标相比，具有简单易行，无损工件等优点。

洛氏硬度试验是用特殊的压头(金刚石压头或钢球压头)在先后施加两个载荷(预载荷和总载荷)的作用下压入金属表面来进行的。

总载荷P 为预载荷P 0和主载荷P 1之和，即：P=P 0＋P 1洛氏硬度值是施加总载荷P 并卸出主载P 1后，在预载荷P 0继续作用下，由主载荷P 1引起的残余压入深度e 来计算(见图2.1)。

图中，h 0表示在预载荷P 0作用下，压头压入被测材料的深度；h 1表示施加总载荷P 并卸除主载荷P 1，但仍保留预载荷P 0时，压头压入被测材料的深度。

图2.1 洛氏硬度测量原理示意图深度差e =h 1＋h 0，该值用来表示被测材料硬度的高低。

在实际应用中，为了使硬材料测出的硬度值比软材料的硬度值高，并符合一般的习惯，将被测材料的硬度值用公式加以适当变换，即： HR=Ch h K )(01-- 式中 K —常数，其值采用金刚石压头时为0.2，采用钢球压头时为0.26；C—常数，代表指示器读数盘每一刻度相当于压头压入被测材料的深度，其值为0.002mm；HR—标注洛氏硬度的符号，当采用金刚石压头及150kg的总载荷时应标注HRC，当采用钢球压头及100kg的总载荷时，则应标注HRB。

HR值为一无名数，测量时可直接由硬度计表盘读出。

表盘上有红、黑两种刻度，红线刻度的30和黑线刻度的0相重合，如图2.2所示。

图2.2 洛氏硬度计的刻度盘为扩大洛氏硬度的测量范围，可采用不同压头和总载荷配成不同的洛氏硬度标度，每一种标度用同一个字母在洛氏硬度符号HR后加以注明，常用的有HRA、HRB和HRC三种。

试验规范见表2.1。

表2.1 各种洛氏硬度值的符号、实验条件与应用2.3 洛氏硬度计的使用洛氏硬度计的构造与操作见图2.3，其机构示意见图2.4，操作方法如下：1、按表2.1选择压头及载荷。

2、根据试样大小和形状选用载物台。

3、将试样上下两面磨平，然后置于载物台上。

4、加预载，按顺时针方向转动升降机构手轮，使试样与压头接触，并观察读书百分表上小针移动至小红点为止。

5、调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值起点，如试验HRC、HRA 硬度时，把长针与表盘上黑字C对准。

试验HRB时，使长针与表盘上红字B对准。

6、加主载荷，平稳地扳动加载手柄，手柄自动升高至停止位置(5~7s)，并停留10s。

7、卸主载荷，扳回加载手柄至原位置。

8、读硬度值，表上长针指示的数字为硬度的读数，HRC、HRA读黑数字，HRB读红数字。

图2.3 洛氏硬度计 2.4 洛氏硬度计机构示意9、下降载物台，当试样完全离开压头后，方可取下试样。

10、用同样的方法在试样的不同位置测三个以上的数据，取其算术平均值为试样的硬度。

2.4 试验所用设备及材料1、洛氏硬度计；2、待测硬度试样若干。

2.5 实验注意事项1、试样两端要平行，表面应平整，如有油污或氧化皮，可用砂子打磨，以避免影响测量结果的真实性；2、圆柱形试样应放在“V”型槽的工作台上，以防试样滚动；3、加载时应细心操作，以免损坏压头；4、测完硬度值，卸除载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样；5、应根据硬度实验机的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。

2.6 实验报告要求1、写明实验名称，所用设备及试样；2、写明实验目的和洛氏硬度的试验原理；3、写出实验结果，并分析之。

实验三钢的热处理工艺操作3.1 实验目的1、熟悉钢几种基本热处理(如退火、正火、淬火和回火等) 的操作方法；2、了解含碳质量分数、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对热处理后性能(硬度)的影响。