实验类型：基本型实验

指导教师：柏振海副教授

材料是人类文明社会的先导，材料的发展史，就是人类社会的发展史；材料的发展史，就是科学技术的发展史。从最原始、简单的技术到最尖端、最复杂的技术都离不开材料，社会发展史上往往用那一时代主要生产工具使用的材料代表那一时代，如新石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。

现代社会材料种类繁多，无法简单地用某一种或某一类材料来象征，但材料仍然是社会进步的物质基础，使用任何一种技术离不开材料，材料仍然代表着社会的发展水平和技术水平。材料生产和研究的大国如美国等也同时是经济、军事强国。

材料的性能如导电、导热、磁性等物理性能、耐酸、碱腐蚀等化学性能、抵抗作用在它上面的外力的能力的力学性能和铸造、锻压、拉拔、弯曲、切削、焊接等工艺性能与材料的微观组织密切相关。

组织：指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，如晶粒、夹杂物、相、界面等等特征组成材料的组织、结构观察方法历史悠久，经过了漫长的发展历程：

1669, N. Steno, 晶面角守恒定律，

1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说，

1912, M. Laue, 晶体的X射线衍射，

1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg，

X射线晶体结构分析方法，

显微镜，

电子显微镜（SEM、TEM），

扫描探针显微术（STM、AFM）

金相组织观察是现代材料科学技术中的主要和基本试验方法，也是研究材料各种行为的重要手段之一。金相组织观察是通过金相显微镜来研究金属和合金显微组织大小、形态、分布、数量和性质的一种方法。

利用金相组织观察方法可以考查如合金元素、成分变化及其与显微组织变化的关系、冷热加工过程对组织影响的变化规律；利用金相组织观察方法还可对产品进行质量控制和产品检验以及失效分析等。因此金相组织观察方法广泛应用于机械制造、冶金、航空、航天及电子等工业部门的生产及科研工作中。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，但光学金相显微技术在教学、科学和生产中仍占据重要的位置。

人眼对客观物体细节的鉴别能力是很低的，一般是在0.15~0.30mm 之间。因此，观察认识客观物体的显微形貌，必需藉助显微镜。金相显微镜利用几何光学原理对观察的物体可以形成放大的像。目前金相显微镜可观察的最小尺寸一般是0.2μm 左右，有效放大率最大为1500～1600 倍。

本次实验是每人制备一个Fe-C 金相显微试样，在显微镜下观察抛光后的组织，并画出显微组织特征。金相显微制样的程序通常可分为取样、镶样、磨光、机械抛光(或电解抛光、化学抛光)、腐蚀等几个主要工序。

1） 取样：选择合适的、有代表性的试样。取样时，应保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化，可以采用锯、车、刨、砂轮切片机切割、电火花切割、锤击及氧气切割等方法。试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工作中去掉。

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。

2） 镶样：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。

3） 磨光：金相试样的磨光分为粗磨与精磨两道程序。粗磨的主要目的是为整平金相试样，去除表面变形层，并磨成合适的形状。精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。精磨通常是在砂纸上进行。精磨用的砂纸应该注意选择编号、粒度和实际尺寸。

4） 抛光：抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕去除，获得光亮无痕的镜面。

5） 试样腐蚀：试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。

实验前，认真复习课堂教学二元合金结晶过程的内容，预习“金属材料科学与工程实验教程”第三章第1 节的有关内容。

“金属材料科学与工程实验教程”是结合理论学习、由中南大学编写的具有针对性的实验指导书，提前了解实验有关注意事项是做好实验的重要步骤。

这是具有共晶反应的Ag-Cu 相图。

在Ag-Cu 合金中，共晶反应前从液体中单独析出的相称为初晶，其形态取决于初晶相的固/液界面的微观结构。

液/固界面是粗糙界面时，初晶一般呈树枝状，显微组织中表现为各分枝的截面，金相组织观察时呈不连续、不规则的椭圆形，若试样表面恰好通过枝晶主轴时，显示出完整的枝晶形貌，Ag-Cu 合金中α和β初晶皆呈树枝状。

当液/固界面是光滑界面时，初晶一般呈规则的多边形，如方块、三角形，针状或条状等。

共晶组织的基本特征是两相交替排列，两相的形态多种多样，可以有层片状、棒状（或带状）、纤维状（或点状）、针状、螺旋状、蛛网状及骨骼状（枝状）等等。如图6。

某具体合金的组织与其成分和随温度变化的相转变密切相关。

铁碳相图对研究钢铁材料的组织和性能、制订热加工和热处理工艺、分析废品产生和工件破坏的原因，都有重要的参考作用。下面以铁碳相图为例说明平衡状态合金的组织变化。

图7 是Fe-Fe3C 亚稳平衡相图，我们以含0.77%C 的共析钢为例说明合金在随温度降低过程中的相变和最后得到的组织：共析钢从高温液态冷却时的组织转变过程示意图见图8。

在1~2 区间，凝固成奥氏体晶粒。在2~3 区间，A 晶粒不变。在3 温度发生共析转变：AS→FP+Fe3C，铁碳合金中共析转变产物称为珠光体，用P 表示，它是铁素体和渗碳体两相交迭排列的细层片状组织，类似珠贝壳花纹，故名珠光体。珠光体的金相组织示于图9（b）。

其他含碳量的Fe-C 合金随温度降低过程中的相变和最后得到的组织同学们可以根据Fe-Fe3C 亚稳平衡相图自己进行分析。

为了节省时间，我们为大家提前制备了不同含碳量的Fe-C 合金试样。

每个同学拿到的试样编号不相同，代表含碳量不同，要求大家通过显微镜观察后描绘所观察试样的组织，观察后与其他同学交换试样，每个同学观察所有编号的7 个试样，并描画所观察的组织。