中国科学技术大学
核科学技术学院
反应堆材料实验课程
实验报告
实验名称：铁碳合金金相组织观察及硬度测试学生姓名：
学号：
专业班级：
指导老师：李远杰
一．实验目的
1.掌握金相样品的制备流程，可独立完成金相样品的制备；
2.了解淬火和回火热处理过程，并掌握RAFM钢回火态和淬火态的判断方法；
3.理解热处理对金属材料结构和性能的影响；
4.观察经淬火和回火的样品的表面晶格结构，并比较两者的不同。

二．实验原理（主要阐述实验中相关过程的基本原理，如预磨和抛光的原理，腐蚀剂的选择，金相的判断，热处理原理，硬度测试原理等）
1.热处理原理
⑴淬火：将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到马氏体以下（或马氏体附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

⑵回火：将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时后冷却的工艺。

回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工序。

经过回火，钢的组织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。

⑶过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
图1 过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
过冷奥氏体（指加热保温后形成的奥氏体冷却到临界点Ar1以下时，尚未转变的奥氏体）等温转变动力学曲线是表示不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线。

由于通常不需要了解某时刻转变量的多少，而比较注重转变的开始和结束时间，因此常常将这种曲线绘制成温度—时间曲线，简称C曲线。

C曲线是过冷奥氏体转变的动力学图。

从图中可以看出过冷奥氏体转变的组织和性能可以分为3个区：珠光体（由铁素体和渗碳体相间而成的片状或粒状混合物）型转变区(A1-550℃)、贝氏体（由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，但不是层片状）型转变区(在240-550℃之间，其中又以350℃左右为界为上、下贝氏体两个转变区) 、马氏体（马氏体是碳在体心立方α-Fe 中的过饱和固溶体）型转变区(Ms-Mf) 。

2.预磨和抛光
预磨是指通关过表面预处理清除部件上的污物，消除严重氧化、
细微划痕及表面缺陷，工艺大多采用水砂纸去除表面瑕疵。

而抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。

抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的，有时也用以消除光泽（消光）。

3、腐蚀剂
在金属腐蚀过程中，表面上某些特定部位会选择地溶解。

金属固溶体的组分之一，优先的由于腐蚀而转入溶液，而金属表面则逐渐地富集了另一组成，这称为组分的选择性腐蚀。

选择性腐蚀源于金属表面上组分的差异，而在腐蚀介质的作用下行为各异。

与介质反应时活性大的组分将优先氧化或溶解，而较稳定的组分则残留下来。

4、金相判断
金相是指金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态。

金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体，奥氏体，铁素体，珠光体等等。

广义的金相组织是指两种或两种以上的物质在微观状态下的混合状态以及相互作用状况。

金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。

5、硬度测量
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可以理
解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，一可以表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。

硬度试验根据其测试方法的不同可以分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）以及显微硬度、高温硬度等多种方法。

本实验采用静压法，通过测量压入深度，硬度值可以直接读出，操作简单快捷，工作效率高。

三．实验器材（主要阐述实验中使用到的材料，仪器的型号参数及试剂等）1.RAFM钢样品两个（一个用于观察淬火态金相（21#），一个用于观察回火态金相（26#））；
2.样品预磨机，抛光机，砂纸（800#和1200#两种各一张），酒精，苦味酸，镊子，药棉若干，吹风机，金相显微镜，硬度测试仪。

四．实验步骤（主要阐述实验的具体过程，大致过程包括预磨-抛光-腐蚀-金相观察拍照-硬度测试等）
1.预磨
⑴在金相试样预磨机的磨盘中装入600#砂纸，打开调节水阀旋钮让水不停地流入磨盘，但是水量不宜过大，保证连续不断地流入即可；
⑵按下预磨机开按钮，磨盘开始旋转工作，此时可以把镶嵌好的样品放入磨盘中开始磨，在磨过程中用手固定好样品，使样品平稳地与磨盘砂纸面接触；
⑶预磨中每隔一段时间要取出样品，看看样品表面的情况，选择一个合适的方向进行预磨，最后磨至样品表面平整、划痕方向一致，即可换800#砂纸继续磨；
⑷关闭调节水阀旋钮，按下预磨机关按钮，磨盘停止旋转，取下600#
砂纸，用抹布擦干磨盘表面，装上800#砂纸，并将样品表面冲洗干净；
⑸重复⑴—⑷步，800#砂纸可以使样品表面划痕变得更细；
⑹换上1200#砂纸，重复⑴—⑷步，1200#砂纸可以使样品表面划痕变得很精细。

2.抛光
（1）在抛光机布上涂抹适量抛光剂，沿一条半径抹开。

打开开关（2）不断向抛光布上喷洒水，用手将样品固定在布上开始抛光，注意与预磨划痕垂直方向抛光。

直到样品没有划痕为止。

（3）用自来水冲洗样品，再用酒精擦洗，然后再显微镜下观察表面是否平整干净。

3.腐蚀
（1）将样品在吹风机下吹干。

（2）带上手套，将样品水平放入掌心，用镊子夹住药棉吸取适量苦味酸均匀涂于样品表面，经约45秒后冲洗掉。

（3）用酒精将样品表面擦洗干净，用吹风机吹干。

4.金相观察拍照
（1）将处理后的样品放于显微镜下，调节粗准焦螺旋，直到视野明亮，再调节细准焦螺旋，直到看到样品表面晶格结构。

（2）对显微镜下样品晶格结构进行拍照保存。

5.硬度测试
（1）将样品重新抛光，冲洗吹干。

（2）打开硬度测量仪，将样品放入开始测量，记录样品硬度。

改变位置重新量试2次并记录，若三次相差过大，再另选几处
测量。

五．实验结果（主要贴出腐蚀前后的照片，硬度测试结果等）
1.金属样品腐蚀前后的表面和显微组织照片
⑴21#样品：
图2 21#样品（淬火态CLAM钢）腐蚀后金相显微组织照片（400倍）
⑵26#样品
图3 26#样品（回火态CLAM钢）腐蚀后金相显微组织照片（400倍）2.硬度测量结果
六．实验结论（主要分析金相及硬度测试结果，判断材料热处理状态）
1.两种样品均能观察到方形的晶格形状；
2.淬火态样品的硬度比回火态样品高。

七．实验注意事项（主要说明实验中需要注意的细节）
1.抛光时要垂直划痕抛光；
2.抛光中需要保持样品表面湿润；
3.腐蚀时间要适当，约为45秒，并且要均匀腐蚀。

八．实验的讨论和分析（主要分析实验中遇到的问题）
1.预磨时要均匀用力，否则可能将样品表面磨成多面体形。

还要尽
量在一个方向多磨一会，否则会使表面划痕过于混乱。

2.用酒精清洗和用苦味酸腐蚀时镊子要分开用。

不能污染酒精，否
则会使用酒精擦洗后的样品表面带有污浊物，影响接下来的观测。

3.淬火态样品比回火态样品硬度高的原因:样品经过回火后，钢的组
织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑形提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状和尺寸，因而硬度有所降低。