实验报告：
1、实验目的：扼要说明研究对象，实验意义及作用。
2、实验原理：（1）简要说明实验所依据的理论：包括定律、公式等。
(2 )画出显微镜光学原理图。
3、实验设备及方法：写出设备名称、型号、性能，以及实验方法介绍和操作程序。
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实验二：金相显微试样的制备
[实验目的]
1、了解金相显微试样的制备原理，熟悉金相显微试样的制备过程。 2、初步掌握金相显微试样的制备方法。
3、近一步熟悉金相显微镜的构造及使用方法。 [实验内容]
1、每人制备一块低碳或中碳钢的金相显微试样。在制备过程中，先在显微镜下观察抛光后的磨面状况，然后进行腐蚀，并画出腐蚀后的显微组织的特征。 2、观察金相显微试样制备过程中的假象，了解消除假象的方法。 [实验报告要求]
1、写出实验目的及所用实验设备。
2、简述金相显微试样制备过程。
3、分析试样制备过程中出现假象的原因，如何制备出高质量的显微试样。 1、 写出自己所制备试样的材料，画出显微组织示意图。
[实验原理] 1. 概述
显微分析是研究金属内部组织的最重要的方法。在金相学一百多年的发展历史中，绝大部分研究工作是借助于光学显微镜完成的。近年来，电子显微镜的重要性日益增加，但是光学显微金相技术在科研和生产中仍将占据一定的位置。
用光学显微镜观察和研究任何金属内部组织，一般要分三个阶段来进行： （1）制备所截取试样的表面。
（2）采用适当的腐蚀操作显示表面的组织。
（3）用显微镜观察和研究试样表面的组织。
这三个阶段是一个有机的整体，无论哪一个阶段操作不当，都会影响最终效果，因此不应忽视任何一个阶段。
试样制备工作包括许多技巧，需要有长时间的实践经验才能较好的掌握；同时它也比较费时和单调，往往使人感到厌烦，金相显微镜的使用之所以比生物显微镜晚二百年，其原因就是由于长期没有解决试样制备问题。
试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫射，无法用显微镜观察其内部组织。因此，我们要对试样表面进行加工，通常是用磨光和抛光的方法，以得到一个光亮的镜面。这个表面还必须能完全代表取样前所具有的状态，也就是说，不能在制样过程中使表层发生任何组织变化。获得具备这种条件的试样表面，才算是完成了制备阶段。仅具有光滑平面的试样，在显微镜下只能看到白亮的一片，而看不到其组织细节，这是由于大多数金属组织中不同的相，对于光具有相近的反射能力的缘故。为此，必须用一定的试剂对试样表面进行腐蚀，使试样表面有选择地溶解掉某些部分（如晶界），从而显现微小的凹凸不平。这些凹凸不平都在光学系统的景深范围内，这时用显微镜就可以看清楚试样组织的形貌，大小和分布，这就是组织显示阶段。完成了以上两个阶段后，就可以进入显微分析的第三阶段，既显微组织的观察和分析。本章介绍试样的制备和组织的显示，包括取样、镶样、磨光、机械抛光（或电解抛光、化学抛光）、腐蚀等。
2. 取样
选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要的一步，包括选择取样
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部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。
2.1 取样部位及检验面的选择
取样部位及检验面的选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。生产中常规检验所用试样的取样部位、形状、尺寸都有明确的规定（详见有关部颁标准）。零件失效分析的试样，应该根据零件失效的原因，分别在材料失效部位和完好部位取样，以便于对比分析。
2.2 试样的截取方法 取样时，应该保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法：对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法；对于硬而脆的材料，如白口铸铁，可以用锤击方法；在大工件上取样，可用氧气切割等方法。在用砂轮切割或电火法切割时 ，应采取冷却措施，以减少由于受热而引起的试样组织变化。试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。 2.3 试样尺寸
金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。通常显微试样为直径15~25mm、高15~20mm的圆柱体或边长为15~25mm的立方体。
对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，要进行镶嵌或机械夹持。
试样取下后一般先用砂轮磨平。对于很软的材料（如铝、铜等有色金属）可用锉刀锉平。磨砂轮时应利用砂轮的侧面，并使试样沿砂轮径向缓慢往复移动，施加压力要均匀。这样即可以保证使试样磨平，还可以防止砂轮侧面磨出凹槽，使试样无法磨平。在磨制过程中，试样要不断用水冷却，以防止试样因受热升温而产生组织变化。此外，在一般情况下，试样的周界要用砂轮或锉刀磨成圆角，以免在磨光及抛光时将砂纸和抛光织物划破，但是对于需要观察表面组织（如渗碳层、脱碳层、和氮化层等）的试样，则不能将边缘磨圆，这类试样最好进行镶嵌。
3. 镶嵌
一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶嵌，但试样尺寸过小或形状及不规则者，如带、 丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。
目前一般多采用塑料镶嵌。镶嵌材料有热凝性塑料（如胶木粉）、热塑性塑料（如聚氯乙烯）、冷凝性塑料（环氧树脂加固化剂）等。这些材料都各有其特点。胶木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，但抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明的，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。用这两种材料镶样均需用专门的镶样机，对加热温度和压力都有一定要求，并会引起淬火马氏体回火、软金属发生塑性变形。用环氧树脂镶样，浇注后可在室温下固化，因而不会引起试样组织发生变化，但这种材料比较软。此外还可以采用机械镶嵌法，既用夹具夹持试样。
4. 磨光
磨光通常是在砂纸上进行的。砂纸上的每颗磨粒可以看成是一个具有一定迎角(磨粒的前导面与试样平面之间的角)的单点刨刀，迎角大于临界值的磨粒才能切除金属，小于临界值的只能压出磨痕(钢铁材料的临界迎角为90o)。前一种磨粒只占一小部分(约20％)，如图2—1中的阴影部分所示。后一种磨粒使金属表层产生的流变要大得多，试样表层的组织变化(又称变形层)主要是由这种磨粒造成的。
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图2—1 200号sic砂纸磨粒迎角的分布
因此，金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度)，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去；同时，该道工序本身应做到尽可能减少损伤，以便于进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅，要保证能在下一道抛光工序中除去。图2—2为试样经过切割加工及四道磨光工序后，表面变形层厚度变化示意图。图中A、B、C均为变形层，越往里，变形量越小，D为末受损伤的组织。
图2-2 试样经切割磨光后，变形层厚度变化示意图
普通的金相砂纸所用的磨料有碳化硅和天然刚玉两种。碳化硅砂纸最适用金相试样的磨光，其优点是：磨光速率(单位时间除去的金属重量)较高，变形层较浅，可以用水作润滑剂进行手工湿磨和机械湿磨。碳化硅砂纸的粒度大到一定尺寸(280号一150号)后，磨光速率相差不多，但变形层深度却随着磨粒尺寸的增大而增加。因此，开始磨光时所用的砂纸，不一定越粗越好。通常使用粒度为200，400，600及800(或300，500，700，900)的四种砂纸，进行磨光后即可进行抛光。对于较软的金属，应用更细的砂纸磨光后再抛光。 如果把碳化硅砂纸放在边缘略有突起放了一些水的转盘上，则随着转盘转动，砂纸下面
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的水被甩出，砂纸被吸附在转盘上，即可进行机械湿磨，磨光效率能进一步提高。图2—3示出转盘式金相预磨机，使用时用水作润滑剂和冷却剂。配有微型计算机的自动磨光机，可以对磨光过程进行程序控制，整个磨光过程可以在数分钟内完成。
1 — 电动机 2 一 底座 3 — 轴 4 — 磨盘
5—水砂纸 6 7 8 9
— — — —
螺钉 开关 罩 盘
10—调节旋纽 11 — 盖 12 — 水管
图2—3 转盘式金相预磨机
天然刚玉(氧化铝和氧化铁的混合物)砂纸过去曾长期用作金相试样的磨光，这种砂纸所用的磨粒粘接剂溶于水，因此， 一般只用于干磨，或用不含水的润滑剂(如煤油)。天然刚玉磨料较软，在磨光过程中容易破碎，使其有效粒度减小，因此耐用性差。目前这种砂纸已较少使用。
新砂纸产生的变形层较深，但经过磨50～100下以后就基本稳定不变，磨光速率则随着使用次数的增加而下降。因此，新砂纸稍加使用后即处于最佳使用
状态，当用得太旧时，就不宜再使用。
磨光时施加的压力越大，磨光速率也越大，但对变形层的深度却影响不大，所以在磨光时可以适当加大压力。 手工磨光时，本道工序的磨痕应与上一道工序的磨痕方向垂直，这样可以使试样磨面保持平整并平行于原来的磨面。只要砂纸处于最大磨光速率的情况下，每道工序可以在0.5～1.0min内完成。 5. 抛光
5.1 机械抛光
抛光的目的就是要尽快把磨光工序留下的变形层除去，并使抛光产生的变形层不影响显微组织的观察。
抛光与磨光的机制基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以看成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕。由于磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑、划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。 抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时要使抛光产生的变形层不致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。这两个要求是有矛盾的，前者要求使用较粗的磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细的磨料，但抛光速率较低。解决这个矛盾的最好办法就是把抛光分为两个阶段来进行。首先是粗抛，目的是除去磨光的变形层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛本身形成的变形层是次要的考虑，不过也应尽可能小。其次是精抛(又称终抛)，其目的是除去粗抛产生的变形层，使抛光
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