材料科学基础材料科学基础 -I-I

实验指导书实验指导书

编 者：李 慧 高振山 编 者：李 慧 高振山

审 核：张静武审 核：张静武

实 验 简 介实 验 简 介

材料科学基础实验是验证、巩固和补充课堂讲授的理材料科学基础实验是验证、巩固和补充课堂讲授的理论知识的必要环节，通过材料科学基础实验，培养学生论知识的必要环节，通过材料科学基础实验，培养学生初步具备金属材料组织观察与分析等实际工作的能力，初步具备金属材料组织观察与分析等实际工作的能力，正确处理实验数据的能力，运用所学的理论解决实际问正确处理实验数据的能力，运用所学的理论解决实际问题的能力，分析和综合实验结果以及撰写实验报告的能题的能力，分析和综合实验结果以及撰写实验报告的能力。力。

本课程的实验内容：本课程的实验内容： 11 、观察显微镜镜下滑移线（滑、观察显微镜镜下滑移线（滑移带）的特征；移带）的特征； 22 、 了解冷变形对金属显微组织和性能、 了解冷变形对金属显微组织和性能的影响；的影响； 33 、 了解变形度、再结晶退火温度、再结晶退、 了解变形度、再结晶退火温度、再结晶退火保温时间对再结晶退火后晶粒大小的影响。火保温时间对再结晶退火后晶粒大小的影响。 44 、了解、了解摄影金相显微镜的基本组成；摄影金相显微镜的基本组成； 55 、初步掌握金相显微数、初步掌握金相显微数码摄影的基本操作；码摄影的基本操作； 66 、学会金相显微图像处理软件的、学会金相显微图像处理软件的使用。使用。

实验一实验一

金属塑性变形与再结晶组织观察金属塑性变形与再结晶组织观察

一、实验目的一、实验目的1. 1. 观察显微镜镜下滑移线（滑移带）的特征；观察显微镜镜下滑移线（滑移带）的特征；2. 2. 了解冷变形对金属显微组织和性能的影响；了解冷变形对金属显微组织和性能的影响；3. 3. 了解变形度、再结晶退火温度、再结晶退火保温时间对再结晶退火后了解变形度、再结晶退火温度、再结晶退火保温时间对再结晶退火后

晶粒大小的影响。晶粒大小的影响。二、实验原理二、实验原理 在外力作用下应力超过金属的弹性极限时金属所发生的永久变形称在外力作用下应力超过金属的弹性极限时金属所发生的永久变形称

为塑性变形。为塑性变形。1 1 滑移线及滑移带滑移线及滑移带 滑移是指晶体相邻的两部分沿着某一晶面在某个晶向上彼此间作相滑移是指晶体相邻的两部分沿着某一晶面在某个晶向上彼此间作相

对的平行滑动。滑移后在滑移面两侧的晶体位向关系保持不变。将抛对的平行滑动。滑移后在滑移面两侧的晶体位向关系保持不变。将抛光的试样变形，在试样表面会有若干组台阶出现，在光学金相显微镜光的试样变形，在试样表面会有若干组台阶出现，在光学金相显微镜下可现察到如图下可现察到如图 11 所示的图像。图中那些相互平行或交叉的细线，通所示的图像。图中那些相互平行或交叉的细线，通常称为滑移线。常称为滑移线。

自从电子显微镜问世后，人们发现光学金相显微镜下的滑移线并不自从电子显微镜问世后，人们发现光学金相显微镜下的滑移线并不是一条线，而是由一系列相互平行的更细的线组成的。因此，在金属是一条线，而是由一系列相互平行的更细的线组成的。因此，在金属学中便把在普通金相显微镜下看到滑移线称为滑移带，而把组成滑移学中便把在普通金相显微镜下看到滑移线称为滑移带，而把组成滑移带的那些更细的线称为滑移线。带的那些更细的线称为滑移线。

2 2 变形度对金属组织和性能的影响变形度对金属组织和性能的影响 金属经塑性变形后，不但其外形发生改变，而且晶粒形金属经塑性变形后，不但其外形发生改变，而且晶粒形

状也发生明显变化。随变形度增大，晶粒逐渐沿受力方向状也发生明显变化。随变形度增大，晶粒逐渐沿受力方向伸长。经塑性变形后，由于晶粒破碎，点阵严重畸变，位伸长。经塑性变形后，由于晶粒破碎，点阵严重畸变，位错密度增加，位错出现缠结和塞积，使金属塑性变形抗力错密度增加，位错出现缠结和塞积，使金属塑性变形抗力迅速增加，产生所谓加工硬化现象，金属的硬度、强度增迅速增加，产生所谓加工硬化现象，金属的硬度、强度增加，而塑性和韧性下降。随变形度增大，加工硬化现象越加，而塑性和韧性下降。随变形度增大，加工硬化现象越显著。显著。

再结晶完成后，若继续升高温度或延长保温时间，金属再结晶完成后，若继续升高温度或延长保温时间，金属的晶粒会长大。通过再结晶，因显微组织发生了彻底的改的晶粒会长大。通过再结晶，因显微组织发生了彻底的改变，位错密度也大大降低，故其强度和硬度显著降低，而变，位错密度也大大降低，故其强度和硬度显著降低，而塑性和韧性重新提高，加工硬化得以消除。塑性和韧性重新提高，加工硬化得以消除。

3 3 冷变形金属在加热时组织和性能的变化冷变形金属在加热时组织和性能的变化 冷变形后金属在加热时会发生回复、再结晶、晶粒长冷变形后金属在加热时会发生回复、再结晶、晶粒长

大过程。所谓回复即在加热温度较低时，在晶粒内所发生大过程。所谓回复即在加热温度较低时，在晶粒内所发生的某些结构和性能的变化过程。金属中通过点缺陷运动，的某些结构和性能的变化过程。金属中通过点缺陷运动，使点缺陷密度降低，通过位错运动和位错攀移产生多边形使点缺陷密度降低，通过位错运动和位错攀移产生多边形化等。在回复阶段原子活动能力较小，金属的显微组织没化等。在回复阶段原子活动能力较小，金属的显微组织没有明显变化，仍为拉长的变形晶粒；金属的强度、硬度和有明显变化，仍为拉长的变形晶粒；金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而内应力、电阻和耐蚀性等性塑性等机械性能变化不大，而内应力、电阻和耐蚀性等性能明显变化。当加热温度高于一定温度时，原子活动能力能明显变化。当加热温度高于一定温度时，原子活动能力增大，晶粒外形开始发生变化，从变形拉长的晶粒变成新增大，晶粒外形开始发生变化，从变形拉长的晶粒变成新的无畸变的等轴晶粒，这一过程称为再结晶。的无畸变的等轴晶粒，这一过程称为再结晶。

三、实验仪器三、实验仪器 台式金相显微镜台式金相显微镜 1616 台；台；四、实验内容四、实验内容 见表见表 11 。。

表表 11 试验内容试验内容

试样编号 试样材料 变形量 (压缩 ) 再结晶退火温度及时间

组织特征

1 Q235 0 等轴晶粒 (未变形 )F+P

2 Q235 滑移线

3 Q235 50% 变形晶粒 F+P

4 Q235 同上 560℃， 10min 极少量再结晶晶粒5 Q235 同上 560℃， 20min 部分再结晶晶粒6 Q235 同上 560℃， 30min 大量再结晶晶粒7 Q235 同上 600℃， 30min 再结晶晶粒8 Q235 30% 600℃， 30min 再结晶晶粒0 Q235 70% 600℃， 30min 再结晶晶粒

图图 11 ，， 22号样滑移带号样滑移带

图图 22 ，， 11号样退火未变形组织，等轴状的铁素体加珠光体号样退火未变形组织，等轴状的铁素体加珠光体晶粒。 晶粒。

图图 33 ，， 33号样变形组织，变形度（号样变形组织，变形度（ 50%50%），晶粒），晶粒已显著变长。 已显著变长。

图图 44 ，， 44号样变形号样变形 50%50%，， 560℃560℃退火，保温退火，保温 10min10min的组织，极少量再结晶晶粒，多数为变形组织。 的组织，极少量再结晶晶粒，多数为变形组织。

图图 55 ，， 55号样变形号样变形 50%50%，， 560℃560℃退火，保温退火，保温20min20min的组织，有部分再结晶晶粒形成； 的组织，有部分再结晶晶粒形成；

图图 66 ，， 66号样变形号样变形 50%50%，， 560℃560℃退火，保温退火，保温 30min30min的组的组织，大量再结晶晶粒形成，部分再结晶晶粒长大，仍有变织，大量再结晶晶粒形成，部分再结晶晶粒长大，仍有变形晶粒存在，再结晶还没有完成； 形晶粒存在，再结晶还没有完成；

图图 77，， 77 号样变形号样变形 50%50%，， 600℃600℃退火，保温退火，保温 30min30min的组的组织，基本上都是再结晶晶粒，说明再结晶基本完成； 织，基本上都是再结晶晶粒，说明再结晶基本完成；

图图 88，， 88 号样变形号样变形 30%30%，， 600℃600℃退火，保温退火，保温 30min30min的组的组织，是再结晶晶粒，由于变形度为织，是再结晶晶粒，由于变形度为 30%30%，所以晶粒尺寸，所以晶粒尺寸比图比图 77晶粒尺寸要大； 晶粒尺寸要大；

图图 99 ，， 00 号样变形号样变形 70%70% ，， 600℃600℃ 退火，保温退火，保温 30min30min 的组织，是再结的组织，是再结晶晶粒，由于变形度为晶晶粒，由于变形度为 70%70% ，所以晶粒尺寸比图，所以晶粒尺寸比图 77 晶粒尺寸要小。晶粒尺寸要小。

五、实验报告要求五、实验报告要求11 、实验目的。、实验目的。22 、画出所观察到的各试样的组织示意图，、画出所观察到的各试样的组织示意图，标明图中各组织组成物，说明组织特征。标明图中各组织组成物，说明组织特征。

33 、冷变量、再结晶退火温度及保温时间对、冷变量、再结晶退火温度及保温时间对再结晶退火后组织有何影响。再结晶退火后组织有何影响。

实验二实验二

金相摄影技术金相摄影技术

一、实验目的一、实验目的11 、了解摄影金相显微镜的基本组成；、了解摄影金相显微镜的基本组成；22 、初步掌握金相显微数码摄影的基本操作；、初步掌握金相显微数码摄影的基本操作；33 、学会金相显微图像处理软件的使用。、学会金相显微图像处理软件的使用。二、概述二、概述 金相样品的显微组织可以通过金相显微镜观察。为了研究、金相样品的显微组织可以通过金相显微镜观察。为了研究、

保存、写金相分析报告或论文，需要将金相显微组织拍摄保存、写金相分析报告或论文，需要将金相显微组织拍摄下来，这种把经过显微放大的组织拍摄下来的过程称为金下来，这种把经过显微放大的组织拍摄下来的过程称为金相摄影。相摄影。

传统的金相摄影是用带摄影装置的金相显微镜进行底片曝传统的金相摄影是用带摄影装置的金相显微镜进行底片曝光操作，底片经过曝光后，感光乳剂膜上有“潜影”，需光操作，底片经过曝光后，感光乳剂膜上有“潜影”，需要在暗室内全黑条件下进行显影及定影操作。在暗室内从要在暗室内全黑条件下进行显影及定影操作。在暗室内从暗盒内取出胶片放入显影液中，使底片上受到感光的溴化暗盒内取出胶片放入显影液中，使底片上受到感光的溴化银还原成细小的黑色银颗粒，感光越多的部位银粒析出越银还原成细小的黑色银颗粒，感光越多的部位银粒析出越密，映像也越黑，没有感光的部位无银粒析出，仍是白色。密，映像也越黑，没有感光的部位无银粒析出，仍是白色。然后将底片放入定影液中定影然后将底片放入定影液中定影 1515 分钟以上，将没有感光的分钟以上，将没有感光的银颗粒溶解掉，而将受感光后析出的银粒保留在底片上。银颗粒溶解掉，而将受感光后析出的银粒保留在底片上。再进行清水冲洗再进行清水冲洗 3030分钟之后凉干，获得一幅完整的负片。分钟之后凉干，获得一幅完整的负片。

负片还要经过印相使负片影像转印成正片映像。印相在负片还要经过印相使负片影像转印成正片映像。印相在暗室内红色灯光下进行，利用底片对相纸进行曝光，再通暗室内红色灯光下进行，利用底片对相纸进行曝光，再通过显影、定影、水洗、上光操作获得照片。传统的金相显过显影、定影、水洗、上光操作获得照片。传统的金相显微摄影操作非常烦杂，耗材又大，成本较高。微摄影操作非常烦杂，耗材又大，成本较高。

目前广泛应用的视频（数码）金相显微镜主要由金相目前广泛应用的视频（数码）金相显微镜主要由金相显微镜、摄像头、采集卡、计算机及电源组成，用相关的显微镜、摄像头、采集卡、计算机及电源组成，用相关的软件进行参数设置和数据采集，形成图像。也可以投影到软件进行参数设置和数据采集，形成图像。也可以投影到大屏幕上，进行多人观察与分析，一目了然，实现金相分大屏幕上，进行多人观察与分析，一目了然，实现金相分析多媒体教学。可提高金相检验分析的速度和准确性。取析多媒体教学。可提高金相检验分析的速度和准确性。取消了传统的暗室，底片冲洗，照片印制等一套程序，并能消了传统的暗室，底片冲洗，照片印制等一套程序，并能够使大量的数据照片存储，随时可打印成照片与报告，完够使大量的数据照片存储，随时可打印成照片与报告，完成了从金相照片的获取，存储，查询，打印输出到统一报成了从金相照片的获取，存储，查询，打印输出到统一报告，建立档案，管理的全过程自动化，使获得每份金相照告，建立档案，管理的全过程自动化，使获得每份金相照片，报告的时间仅为几分钟。同时还便于网络传输数据，片，报告的时间仅为几分钟。同时还便于网络传输数据，使得异地委托实验方便、快捷。使得异地委托实验方便、快捷。

三、实验仪器简介三、实验仪器简介（（一）仪器名称：金相显微镜一）仪器名称：金相显微镜

（二）型 号： （二）型 号： Axiovert 200 MATAxiovert 200 MAT（三）生产厂家：德国蔡司光学仪器公司（三）生产厂家：德国蔡司光学仪器公司 ZEISSZEISS（四）物镜倍数：（四）物镜倍数： 5x 5x 、、 10x10x 、 、 20x20x 、 、 50x50x 、 、 100x 100x （五）目镜倍数：（五）目镜倍数： 10x10x（六）仪器特点：（六）仪器特点：11、配备了数字摄像头，使图像数字化，方便快捷；、配备了数字摄像头，使图像数字化，方便快捷；22 、配备了图像分析软件，能对金相照片进行专业处理与分析，例如：、配备了图像分析软件，能对金相照片进行专业处理与分析，例如：第二相面积含量测定；平均晶粒度评级；非金属夹杂物评级；石墨球第二相面积含量测定；平均晶粒度评级；非金属夹杂物评级；石墨球化率评级；颗粒度分析；渗碳层深度测定；脱碳层深度测定等等。化率评级；颗粒度分析；渗碳层深度测定；脱碳层深度测定等等。

（七）应用范围：（七）应用范围： 主要应用于反光材料上，用以鉴别和分析各种金属及合金的组织结主要应用于反光材料上，用以鉴别和分析各种金属及合金的组织结构、形貌、夹杂、形态统计和分析；渗层组织和深度的检验等；材料构、形貌、夹杂、形态统计和分析；渗层组织和深度的检验等；材料质量鉴定、失效分析，原材料的检验或对金属材料热处理后金相组织质量鉴定、失效分析，原材料的检验或对金属材料热处理后金相组织的研究分析；电镜样品制备后检验。的研究分析；电镜样品制备后检验。

（八）、（八）、 Axiovert200 MATAxiovert200 MAT金相显微镜结构示意图金相显微镜结构示意图

1 台面 2 孔径光阑滑尺3 电源开关4 检偏镜滑尺5 视场光阑 6 物镜转盘 7 变倍器转盘8 功能模块转盘9 调焦旋钮 10 卤素灯开关 11 电压调节12 未安装13 选择是否用目镜观看14 双目镜筒15 目镜控制环16 目镜17 侧光口转盘18 未安装19 载物台20 LCD显示

黑体字部分需要掌握

四、实验内容四、实验内容（一）、照相操作步骤：（一）、照相操作步骤：1.1. 打开显微镜右后侧的绿色电源开关，将试样放在载物台上。打开显微镜右后侧的绿色电源开关，将试样放在载物台上。2.2. 旋转物镜转盘选择合适的放大倍数。顺时针转变大；逆时针转变小。旋转物镜转盘选择合适的放大倍数。顺时针转变大；逆时针转变小。3.3. 双击双击 MIAPSMIAPS “ ”图标打开软件，点击 输入 按钮，出现两个窗口一个是全黑的“ ”图标打开软件，点击 输入 按钮，出现两个窗口一个是全黑的

““ Qcapture plug-in”Qcapture plug-in” “（所采集的图象）以及“（所采集的图象）以及 camera settings”camera settings” （白平（白平衡），将白平衡窗口关掉。衡），将白平衡窗口关掉。

4.4. 转动调焦旋钮使图象清晰。可调节位移旋钮，寻找最佳位置。转动调焦旋钮使图象清晰。可调节位移旋钮，寻找最佳位置。5.5. “ ”点击图标为 照相机样子 的按钮（“ ”点击图标为 照相机样子 的按钮（ SNAPSNAP）照相。）照相。6.6. “照相完成后，最小化“照相完成后，最小化 Qcapture plug-in”Qcapture plug-in” 窗口，会出现一幅图像，这就窗口，会出现一幅图像，这就

是刚才拍下的照片。是刚才拍下的照片。7.7. “ ” “ ”点击 文件 出现下拉菜单，点击其中的 另存为 ，用“ ” “ ”点击 文件 出现下拉菜单，点击其中的 另存为 ，用 jpgjpg 格式保存图像到格式保存图像到

目标文件夹。目标文件夹。8.8. “关闭已保存的图像文件，最大化“关闭已保存的图像文件，最大化 Qcapture plug-in”Qcapture plug-in” 窗口，进行下一次窗口，进行下一次

的照相过程。的照相过程。9.9. “如果两个试样的照相时间间隔较长时，要将显微镜右下角的“如果两个试样的照相时间间隔较长时，要将显微镜右下角的 HAL”HAL” 按钮按钮

关掉。关掉。10.10. 照相结束后一定要关闭显微镜右后侧的绿色电源开关。关闭所有软件窗口。照相结束后一定要关闭显微镜右后侧的绿色电源开关。关闭所有软件窗口。

（二）、图像处理操作步骤：（二）、图像处理操作步骤：1.1. 打开打开 MICRO-IMAGE ANALYSIS —PROCESSMICRO-IMAGE ANALYSIS —PROCESS “ ”软件。点击 打开 图标，“ ”软件。点击 打开 图标，

打开要处理的图像。打开要处理的图像。2.2. “ ”点击 灰度 将图片由彩色转成黑白。“ ”点击 灰度 将图片由彩色转成黑白。3.3. “ ” “ ”点击 标尺 ，弹出 选取标尺 对话框，选择符合本图像的倍数，点“ ” “ ”点击 标尺 ，弹出 选取标尺 对话框，选择符合本图像的倍数，点

“ ”击 加载 。例如“ ”击 加载 。例如 10001000 倍选择倍选择 1000X1000X ，， 500500 倍选择倍选择 500X500X 以此类推；以此类推；4.4. “ ” “ ” “ ” “点击 标注 ，弹出 图像标注 对话框，在 文件 下拉菜单中点击 打“ ” “ ” “ ” “点击 标注 ，弹出 图像标注 对话框，在 文件 下拉菜单中点击 打

” “ ”开 ，会出现 打开标注文件名 对话框，根据图像的倍数选择倍数，” “ ”开 ，会出现 打开标注文件名 对话框，根据图像的倍数选择倍数，“ ”点击 打开 。例如“ ”点击 打开 。例如 10001000 倍选择倍选择 1000X.mrk1000X.mrk ，， 500500 倍选择倍选择 500X.m500X.m

rkrk “ ”。在所标注的图像的右下角会出现标尺。不要关闭 图像标注 对“ ”。在所标注的图像的右下角会出现标尺。不要关闭 图像标注 对话框。话框。

5.5. “ ” “ ”点击 合并 按钮保存图像，出现 输出位图文件名 对话框，文件名“ ” “ ”点击 合并 按钮保存图像，出现 输出位图文件名 对话框，文件名“ ”自动加上 副本 两个字，保存类型选择“ ”自动加上 副本 两个字，保存类型选择 jpgjpg “ ”，点击 保存 。“ ”，点击 保存 。

6.6. “ ” “如果还有同一倍数的图像，不要关闭 图像标注 对话框。点击 打“ ” “如果还有同一倍数的图像，不要关闭 图像标注 对话框。点击 打” “ ”开 图标，打开要处理的图像。因为 图像标注 对话框没有关闭，” “ ”开 图标，打开要处理的图像。因为 图像标注 对话框没有关闭，

“ ” “ ”这时标尺自动填加在了右下角，点击 灰度 。再点击 合并 按钮保“ ” “ ”这时标尺自动填加在了右下角，点击 灰度 。再点击 合并 按钮保“存图像，保存方法同上。如果同一倍数的图像处理完毕，关闭 图“存图像，保存方法同上。如果同一倍数的图像处理完毕，关闭 图

”像标注 对话框。”像标注 对话框。7.7. 打开另一倍数的图像，重复打开另一倍数的图像，重复 2-62-6步骤。步骤。8.8. 步骤步骤 66的目的是同一倍数的图像放在一起处理，流水作业，每次只的目的是同一倍数的图像放在一起处理，流水作业，每次只

“ ” “ ” “ ” “ ”需点击 灰度 和 合并 。变一次倍数才需点击 标尺 、 标注 。“ ” “ ” “ ” “ ”需点击 灰度 和 合并 。变一次倍数才需点击 标尺 、 标注 。

五、实验报告要求五、实验报告要求11 、实验目的。、实验目的。22 、写出实验仪器简介。、写出实验仪器简介。33 、简述本实验中金相显微镜的照相操作步骤。、简述本实验中金相显微镜的照相操作步骤。

结 束！结 束！