实验一 金属材料硬度测定
一、实验目的
1.了解洛氏硬度计的主要原理、结构及操作方法。
2.了解洛氏硬度的测量范围、测量步骤和方法；
二、硬度试验原理及结构
金属的硬度是材料表面抵抗硬物压入而引起塑性变形的能力。硬度越大，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。硬度是金属材料一项重要的力学性能指标。
硬度测试方法很多，使用最广泛的是压入法。压入法就是把一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常用的压入法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。
洛氏硬度以顶角为120℃的金刚石圆锥体作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，通过测量压痕深度来确定其硬度。被测材料的硬度可在硬度计刻度盘上读出。洛氏硬度有HRA、HRB和HRC三种标尺，其中以HRC应用最多，一般用于测量经过淬火处理后较硬材料的硬度。
在实际使用中为了使硬材料的洛氏硬度值比软材料的高，以符合人们的习惯。因此被测试材料的硬度值尚须用下式作适当变换：
式中，K——常数，采用金刚石压头时为0.2，采用1.5875mm（l/16”）钢球压头时为0.26；
c——常数，采用金刚石压头或钢压头时都为0.002；
、
——施加载荷前后的压痕深度（mm）。
常用的三种洛氏硬度试验规范见表1。
表1 常用三种洛氏硬度实验规范
洛氏硬度试验机的结构如图2所示。
洛氏硬度值可以从硬度计的刻度盘上直接读出，无需查表，较为方便。
三、实验内容测定HRB
测HRB所用压头为直径1.5875mm的淬火钢球，压力为100kg。为了减小实验误差，提高准确度，实验需要测定试样上三个不同点的硬度值。
其基本操作程序是：
（1）将试样45钢放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为止，然后将表盘上指针调零。
（2）按动按钮或转动手柄，加主载荷，当表盘大指针反转停止后，再顺时针旋转摇柄，卸除主载荷，此时表盘大指针即指示出该试样的HRB值。
（3）逆时针转动手轮，取出试样，第一个硬度测定完毕。
(4) 重复上述步骤，测出试样上另外两个点的硬度值。
(5) 三个硬度值的平均值即为该试样的硬度值。
图2 H－100型洛氏硬度计机构
四、实验报告内容
(1)自己设计表格，将测得的硬度值填入表格。
(2)在实验报告中回答以下问题：
① 测量硬度前为什么要对试样进行打磨？
②洛氏硬度有何优缺点？适用范围是什么？举例说明洛氏硬度适用于哪些材料？
③试验中三个点的硬度值是否相同？试分析试验中产生误差的原因。
实验二 铁碳合金平衡组织观察
一．实验目的
1. 了解金相显微镜的基本原理，掌握显微镜的使用方法。
2．认识不同成分的铁碳合金在平衡状态下的组织形态。
3．加深理解铁碳合金的化学成分－组织－性能之间的关系。
4．分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响。
二．实验原理
按组织分区的Fe-Fe
3
C相图
在金相显微镜下观察到的金属内部结构称为显微组织，平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下所得到的组织。铁碳合金的平衡组织主要指碳钢和白口铸铁。从铁碳合金状态图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温均由铁素体（F）和渗碳体(Fe3C)这两个基本相所组成。但由于碳的质量分数不同，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，因而呈现出各种不同的组织状态。
用浸蚀剂显现的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织形态：
1、铁素体（F）
铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。由于在室温时其溶碳量几乎等于零，故其显微组织与纯铁相同， 用4﹪的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮白色的多边形晶粒，晶界呈黑色网络状。
在碳的质量分数较低的非合金钢中，铁素体呈块状分布；当钢中的碳的质量分数接近于共析成分时，铁素体则成为断续的网状分布于珠光体的晶界周围。
2、渗碳体（Fe3C）
渗碳体是具有复杂晶格形式的间隙化合物，其碳的质量分数wC＝6.69%，用4﹪的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，则渗碳体呈黑色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体和渗碳体。渗碳体在碳钢和铸铁一与其它相共存时，可以呈片状，条状、颗粒状（球状）、带状或网状等形态。
3、珠光体（P）
珠光体是铁素体和渗碳体组成的细密混合物，在平衡状态下，其wC＝0.77%。珠光体有层状和球状两种。 在一般退火状态下，它是由铁素体和渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。用4﹪的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到铁素体和渗碳体均呈白色，但在不同放大倍数的显微镜下看到的珠光体组织特征也不相同。在高倍放大时，能清楚地看到珠光体是由平行相间的宽条铁素体和窄条渗碳体组成，都呈白亮色，而其相界呈黑色。当显微镜放大倍数较低时，显微镜的鉴别能力小于渗碳体的片层的厚度，这时看到的珠光体中的渗碳体是一条黑线。当组织较细，而放大倍数更低时，珠光体的片层就不能分辨，而呈黑色。
4、低温莱氏体（Ld′）
低温莱氏体是珠光体和渗碳体组成的混合物，在平衡状态下，其碳的质量分数wC＝4.3%。用4﹪的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到亮白色基体为渗碳体（包括共晶渗碳体和二次渗碳体），其上分布的暗黑色点状及细条状为珠光体。
三．实验设备及材料
1．4X1普通金相显微镜。
2．金相试样：工业纯铁、亚共析钢、T8钢(共析钢)、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁等5块试样
四．实验内容
1．本实验中，学生应根据铁碳合金相图分析各类成分合金的组织形成过程中，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟悉碳钢和铸铁在金相显微镜下的组织特征，以进一步建立成分与组织之间相互关系的概念。
2. 实验前学生应复习讲课中的有关部分并阅读实验指导书，为实验做好理论方面的准备
3. 在显微镜下对各种试样进行对比观察和分析，在观察显微组织时，可先用低的放大倍数较全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍数放大，对典型组织部分区域进行详细的观察。并确定其所属类型。
4．绘出所观察到的显微组织特征图。画图时应抓组织形态的特征，并在图中表示出来。
五．实验要求
1．根据设备条件，4人为一组，每组备有显微镜4台、试样4块。
2．按观察要求，选择物镜和目镜，并装在显微镜上。按照金相显微镜的操作程序，将其调节到所看见的组织最为清晰为止。
3．完成实验报告（格式如下）。
试样材料 |
放大倍数 |
浸蚀剂 |
组织组成物名称 |
显微组织示意图 |
工业纯铁 |
×200 |
4%硝酸酒精溶液 |
|
P29 图4-1中的最后一个图 |
共析钢 |
×400 |
4%硝酸酒精溶液 |
|
P33 图4-8中的最后一个图 |
亚共析钢 |
×400 |
4%硝酸酒精溶液 |
|
P34 图4-10中的最后一个图 |
共晶白口铸铁 |
×200 |
4%硝酸酒精溶液 |
|
P35 图4-12中的最后一个图 |
过共晶白口铸铁 |
×200 |
4%硝酸酒精溶液 |
|
P36 图4-18中的最后一个图 |
4.在直径为3－4cm的圆内画出所观察样品的显微组织示意图，并用箭头标明示意图中所示组织。
在实验报告中回答下列问题：
(a) 根据所观察组织说明含碳量对铁碳合金和性能有何影响。
(b) 铁碳合金显微组织中，何谓一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体？
(c) 渗碳体有哪几种形态？简述渗碳体形态对合金性能的影响。
六．金相显微镜的结构和使用
金相显微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成。现以XJB-1型台式金相显微镜为例说明。
XJB-1型金相显微镜的光学系统如图1所示，灯泡发出的光线经聚光透镜组及反光镜聚集到孔径光栏，再经过聚光竟聚集到物竟的后焦面，最后通过物镜平行照射到试样的表面。从试样表面反射回来的光线经物镜组和辅助透镜，由半反射经转向，经过辅助透镜及棱镜形成一个倒立的放大实像，该像再经过目镜放大，就成为在目镜视场中能看到的放大映像。
XJB-1型金相显微镜的外形如图2所示。现将分别介绍其各部件的功能及使用。
照明系统：在底座内装有一低压灯泡作为光源，聚光镜、孔径光栏及反光镜等均安置在圆形底座上，视场光栏及另一聚光镜则安在支架上，她们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分均匀的照明。
显微镜调焦装置：在显微镜的两侧有粗调焦和微调焦手轮，粗调手轮的转动可使栽物台的弯臂作上下移动，微调手轮使显微镜沿滑轮缓慢移动，在右侧手轮上刻有分度格，每一格表示物镜座上下移动0.002mm。
图1 XJB-1型金相显微镜的光学系统 图2 XJB-1型金相显微镜外形结构图
载物台：用于放置金相样品，观察面须向下。载物台和下面托盘之间有导架，用手推动，可使载物台栽水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。
孔径光栏和视场光栏：孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光栏设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中视场明亮而无阴影。
物镜转换器：转换器呈球面状，上面有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜，转动转动器可使各物镜镜头进入光路，与不同的目镜搭配使用，以获得各种放大倍数。
目镜筒：目镜筒呈45°倾斜安装在附有棱镜的半球座上 ，还可将目镜转向45°呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。
七．本次实验预备知识
按铁碳合金中碳的质量分数和组织的不同，将铁碳合金分为：
1）工业纯铁：Wc≤0.0218%，室温组织：F+Fe3C
2）碳钢：0.0218%<Wc≤2.11%。根据室温组织不同，又可以分为：
亚共析钢 共析钢 过共析钢
0.0218%<Wc<0.77% 
c=0.77% 0.77%<Wc≤2.11%
F+P P P+ Fe3CⅡ
3）白口铸铁：2.11%<Wc≤6.69%。根据室温组织不同，又可以分为：
亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
2.11%<Wc<4.3% Wc=4.3% 4.3%<Wc≤6.69%
P+ Fe3CⅡ +Ld′ Ld′ Fe3CⅠ +Ld′
