磨粒的粒度以它的实际尺寸来表示，就用W单位，这种磨粒也称为微粉，如28μm的微粉，其粒度号为W28。在磨较软的金属试样时，如铝、铜、镁及18-8不锈钢等材料试样，应在砂纸上涂一层润滑剂，可以防止砂粒嵌入软金属材料内，同时减少表面撕损现象。常用的润滑剂有石蜡、汽油、皂化水溶液及甘油水溶液等。

(b)机械细磨：是在予磨机上进行，把砂纸紧固在转盘上，试样在其上磨制。

（4）抛光：试样的抛光是最后一道磨制工序。其目的是去除试样表面上的磨痕，达到光亮而无磨痕的镜面。金相试样的抛光一般分为：机械抛光、电解抛光和化学抛光。

（Ⅰ）机械抛光：试样的机械抛光是在专用抛光机上进行的。通常抛光机的转速300～500转/分钟。抛光盘上铺以细帆布、呢、绒、丝绸等抛光织物。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液通常采用Al₂O₃﹑MgO、Cr₂O₃等细粉末（粒度约为0.3～1μm）在水中的悬浮液（每升水中加入5～10克Al₂O₃）。或采用金刚石抛光膏（W1～W2.5），W5～W7作为粗抛。

操作时将试样磨面均匀地压在旋转地抛光盘上（可先轻后重）并沿盘地边缘到中心不断作径向往复移动，抛光时间一般约3～5分钟，抛光后的试样表面应看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。需要指出的是抛光时间不易过长，压力也不可过大，否则将会产生紊乱层而导致组织分析得出错误的结论。抛光结束后用水冲洗试样并用棉花擦干或吹风机吹干，若只需观察金属中的各种夹杂物或铸铁中的石墨形状时，则可将试样直接置于金相显微镜下观察。

表3研磨膏粒度号、尺寸及研磨粗糙度

（Ⅱ）电解抛光：电解抛光是靠电化学的作用在试样表面形成一层“薄膜层”而获得光滑平整的磨面，其优点在于它只产生纯化学的溶解作用而无机械力的影响，一次可避免机械抛光时引起表面层金属的变形或流动，从而能够较正确地显示出金相组织地真实性。这种抛光法特别是对于有色金属及其它硬度低、塑性大地金属，效果较好，如铝合金、高锰钢、不锈钢等。但对于金属基体的非金属夹杂物及化学成分不均匀地偏析组织、用塑料锒嵌样品地试样不适于此法。电解抛光简单装见图2。

电解抛光时把磨光的试样浸入电解液中，接通试样（阳极）与阴极之间的电源（通常多用直流电源），阴极可采用铅片和不锈钢片等，并与试样抛光面保持一定的距离（约25～300mm），当电流密度足够时，试样磨面即产生选择性溶液，此时，靠近阳极的电解液再试样的表面上形成一层厚度不一的薄膜，由于薄膜本身具有较大电阻，并与其厚度成正比，如果试样表面高低不平则凸出部分电流密度最大，由此金属被迅速地溶入电解液中，凸出部分趋平坦，最后形成平整光滑地表面。

电解抛光的效果，在选定的电解液条件下，取决于电流密度、温度及抛光时间参数地选择是否恰当，其中电流密度尤为重要（一般电流密度为40~50安培1平方厘米），多由实验确定，电解抛光时间可由数秒至5～10分钟。抛光完毕后将试样自电解液中取出，切断电源并迅速投入水中冲洗。

电解抛光液的种类很多，较为常用的钢铁材料电解液成分为：过氯酸（70％）50毫升，含3％乙醚的酒精800毫升、水150毫升。电解抛光时的技术参数：电流密度3～60(安/平方厘米)，电压30~50V，使用温度20～30℃，抛光时间30～60秒即可。

（Ⅲ）化学抛光：化学抛光的实质与电解液抛光相类似，也是一个表层溶解过程，但它纯粹是靠化学药剂对于不均匀表面所产生选择性溶解而获得光亮得抛光面。

化学抛光操作简便，不需要专用设备，成本低，有不产生表面扰乱等优点，它得缺点是抛光液易时效，夹杂物易蚀掉，抛光面平整度质量差，只能在低倍数下做常规检验工作。化学抛光兼有化学浸蚀作用，可以立即在金相显微镜下观察。实践证明，软金属利用化学抛光要比机械抛光和电解抛光效果好。

化学抛光液可采用如下成分：草酸2.5克，过氧化氢1.3克（或改用3％双氧水50毫升），硫酸0.01克，蒸馏水50～100毫升。

上述试剂对碳钢、普通合金钢得退火及淬火状态组织进行化学抛光具有良好效果。

（Ⅵ）复合抛光：机械抛光与化学抛光结合起来进行抛光。一般先机械抛光，后化学抛光，有时需要交替2～3次。

（5）试样的浸蚀：

（ⅰ）钢的宏观检验

用肉眼，或10倍以下的放大镜对金属表面、断面及断口上的各种宏观组织及缺陷进行观察，包括：疏松、缩孔、偏析、白点、裂纹、非金属夹杂、气泡等缺陷。

试样先经磨、抛光后，通常有两种浸蚀方法。

（a）热酸浸实验法：对钢：常用1:1盐酸溶液，温度在65~80℃，时间在15~40min,用15%HNO3水溶液洗刷。

（b）冷酸浸实验法：常用5-10%HNO3水溶液。

（ⅱ）钢的宏观检验

（a）化学试剂法：经抛光后的试样磨面，如果直接放在显微镜下观察时，除某些夹杂物或石磨外，无法辨别各种组织物及其形态特征。必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织。最常用地金相组织显示方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法的主要原理就是利用浸蚀剂对试样表面所引起的化学溶解作用或电化学作用（即微电池原理）来显示金属的组织。

对于纯金属和单相合金来说浸蚀仍是一个纯化学溶解过程，由于金属及合金的晶界上原子排列混乱，并具有较高的能量，因此晶界处较为容易被浸蚀而呈现凹沟，同时由于每个晶粒原子排列的位向不同，所以各自的溶解速度各不一样，致使被浸蚀的深浅程度也有区别，在垂直光线照射下将显示处明暗不同的晶粒。

对于两相以上的合金组织来说，则浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程，由于各组成相的成分不同，各自具有不同的电极电位，当试样浸入具有电解液作用的浸蚀剂中，就在两相之间形成无数对“微电池”，具有负电位的一相成为阴极，在正常电化学作用下不会受浸蚀而保持原有的光滑表面。当光线照射到凹凸不平的试样表面时，由于各处对光线的反射作用程度不同，在显微镜下就能观察到各种不同的组织及组成相。

浸蚀方法通常是将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾上浸蚀剂擦试样表面，浸蚀时间要适当，一般使试样磨面发暗时就可停止，如果浸蚀不足，可重复浸蚀，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，然后用棉花沾上酒精擦拭磨面并吹干，至此，金相试样的制备工作全部结束。金属材料常用的浸蚀剂可参考表2。

（b）电解浸蚀法：采用电解抛光液，选择适当的电流密度和电压，即可获得其显微组织。

（6）金相组织鉴别：在显微镜下，观察与分析上述制备的金相样品的组织，以确定实验样品组织中组成相的类别、形态、大小、数量及分布等，并拍照金相显微组织相片。

表2金属材料常用的浸蚀剂

3.热处理工艺确定

金属材料的热处理是将金属材料通过加热、保温和冷却的方法。以改变其结构和组织，从而获得所需性能的一种综合操作工艺过程。钢的热处理基本工艺方法可分为退火，正火，淬火和回火等。

（1）退火：将金属或合金加热到适当温度、保温一定时间后，缓慢冷却以获得接近平衡态的组织结构的热处理工艺。称为预先热处理。可分为两类：第一类退火和第二类退火。

（Ⅰ）第一类退火：不以组织转变或组织形态与分布改变为目的的退火工艺方法。通过第一类退火可使在冶金及冷热加工过程中出现的不平衡状态（如成分偏析、加工硬化及内应力等）得到改变，使之达到或趋于平衡状态。包括均匀化退火、去氢退火、去应力退火及再结晶退火。

(a)均匀化退火：减少金属铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性。特点是温度，保温时间长。退火温度一般选择在高于0.8～0.9T_熔点，但低于固相线温度。碳钢一般选1100～1200℃，合金钢为1050～1250℃。

(b)去氢退火：去氢退火可以使固溶氢脱溶，因溶解于固溶体中的氢能使钢中出现白点缺陷。温度一般选择在奥氏体等温分解的过程中（C曲线上的“鼻尖”温度区）长时间保温，或再加热到低于A₁的较高温度下保温。

(c)再结晶退火：经冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的退火工艺。

一般钢材再结晶温度在600～700℃，保温时间1～3h空冷。

(d)去应力退火：去除由于铸件、塑性变形加工、锻造及焊接等造成的残余应力而进行的退火。一般钢材去应力退火温度在550～650℃，热模具及高速钢可在650～750℃

（Ⅱ）第二类退火：通过控制加热温度、保温时间及冷却速度来改善其组织与性能的退火。借助于相变重结晶过程，以扩散相变规律做为制订退火工艺的依据。包括：完全退火、不完全退火、等温退火及球化退火。

(a)完全退火：一般是把钢加热到临界温度A_c3以上（A_c3+20～40℃），保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解而得到接近平衡态的组织。完全退火主要用于碳含量在0.30～0.60%的中碳钢。各种碳钢的临界温度列于表3。

表3各种碳钢的临界温度（近似值）

*表中A_c1、A_c3或A c_cm为加热时的临界温度; A_r1、A_r3及Ar_cm为冷却时的临界温度

(b)等温退火：工件加热到高于A_c3（或A_c1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后再空气中冷却的退火工艺。目的是缩短工艺周期，获得的组织较均匀。温度一般选择在低于临界点30～100℃

(c)不完全退火（软化退火）：将铁基合金进行不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。温度选在A_c1～A_c3之间（亚共析钢），目的是使其软化并消除内应力。

(d)球化退火：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。主要适合于含碳量大于0.60%的高碳工具钢及高碳合金钢等，有时也用于低、中碳钢。球化退火分成四类：

（ⅰ）低温球化退火：接近临界温度A_c1（一般A_c1-10～30℃）长时间保温。特点是球化效果差，不适合原始组织粗大者。

（ⅱ）不均匀奥氏体中碳的聚集球化：将钢加热到略高于临界温度A_c1（一般A_c1+10～30℃），并短时保温形成不均匀奥氏体及部分未溶碳化物，然后通过缓慢冷却，或低于临界温度A_c1（一般A_c1-10～30℃）等温分解，或在临界温度A_c1上下（一般A_c1+10～30℃、A_c1-20～30℃）循环加热冷却使碳化物球化。适合于共析、过共析碳钢及合金工具钢的球化退火。

（ⅲ）形变球化退火：将工件在一定温度下施行一定的形变加工，然后，在小于

A_c1温度进行长时间保温的工艺。

（ⅳ）高温固溶淬火、高温回火球化（快速球化退火）：利用高温固溶获得均匀奥氏体后再经淬火获得马氏体组织，然后再通过高温回火使析出的碳化物球化。

（2）正火：则是将钢加热到A_c3或A_cm以上30～50℃，保温后进行空冷，得到含有珠光体的均匀组织。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善，晶粒细化且消除内应力。通常将钢加热到A_c3或A_cm以上100～150℃的正火称为高温正火。对于含碳量小于0.40%的低中碳钢，往往用正火代替完全退火。常用的退火和正火工艺的温度范围示于图3。

（3）淬火：是将钢加热到临界温度A_c3（亚共析钢）或A_c1（过共析钢）以上30～50℃，保温一段时间，然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却，以获得马氏体组织。碳钢淬火后的组织由马氏体和一定数量的残余奥氏体所组成。钢的淬火工艺曲线参考图4。图中CCT为钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线；TTT为钢的过冷奥氏体等温转变曲线，又称C曲线。

（a）淬火温度：淬火时的加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据Fe-Fe₃C相图确定（见图5）。

(b)保温时间：淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间和在淬火温度停留所需时间总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关。碳钢在箱式电炉中的保温时间的计算列于表4。

另外，

表4碳钢在箱式电炉中的保温时间

另外，碳钢在箱式电炉中的保温时间还可以根据公式估算：

τ=f.k.D

式中

τ–保温时间（min）；

f –与装炉量有关的系数（一般为1～1.5）；

k –加热系数，见表5；

D –零件有效厚度（mm）。

表5钢在不同介质中的加热系数k/(min.mm^-1)

（c）冷却速度:冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织与性能。根据需要选用适当的冷却介质（如水、油）和冷却方法（如双液淬火、分级淬火等）。共析钢不同冷却速度与组织的关系曲线见图6。

(4)回火：钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接使用往往会变形或开裂。因此淬火钢必须进行回火。不同的回火工艺可使钢获得所需的各种不同的性能。通常回火处理分三类，即低温回火（150～250℃）；中温回火（350～500℃）；高温回火（500～650℃）。表6为45#钢经淬火及不同温度回火后的组织和性能。

表6 45^#钢经淬火及不同温度回火后的组织和性能

回火工艺的选择主要考虑回火温度和保温时间这两个参数。

(a)回火温度:在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度来选择回火温度。表7为几种常用的碳钢温度回火与硬度的关系。

表7几种碳钢经不同温度回火后的硬度值（HRC）

也可以采用经验公式近似地估算回火温度。例如45#钢的回火温度经验公式为：

T(℃)≈200+K(60-X)

式中：K —系数，当回火后的硬度值> HRC30时，K=11；< HRC30时，K=12

X —所要求的硬度值(HRC)。

(b)保温时间:回火保温时间与工件材料、尺寸及工艺条件的因素有关，通常采用1～3小时。当实验试样较小时，保温时间可为30分钟，回火后在空气（特殊情况可在油中冷却）中冷却。

热处理操作注意事项：

（1）本实验热处理所用是箱式电阻炉，在放、取试样时必须先关电源，以免触电。

（2）往炉中放、取试样时必须使用夹钳，夹钳，必须擦干，开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。

（3）试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度降低，影响淬火质量。

（4）试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。

（5）淬火时水温应保持20～30℃左右，水温过高应及时换水。

（6）热处理后的试样要用砂轮打磨表面，去掉氧化皮，且试样表面要磨平再测定硬度值

4.力学性能评定

金属材料的力学性能可理解成金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，其决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，与外在因素（如载荷、应力状态、温度及环境介质等）有关。金属材料的力学性能包括硬度、强度、塑性、韧性和耐磨性等。

（1）硬度：硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能。基本上可分为压入法和刻划法两大类：（Ⅰ）压入法表示金属抵抗变形能力，包括：（ⅰ）静载压入法（包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度）；（ⅱ）动载压入法（包括肖氏硬度（弹性回跳法）和锤击式布氏硬度。（Ⅱ）刻划法表征金属对切断方式破坏的抗力，包括：莫氏硬度顺序法和锉刀法。

（a）布氏硬度：用符号HB表示，布氏硬度实验是施加一定的载荷(P)，将直径为D的钢球压入被测金属表面保持一定时间后，测出金属表面的压痕面积(S)，单位压痕面积上所承受的平均压力（P/S）的大小定义为材料的硬度值，单位为kg.f/mm²，但一般不标出单位。当压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适合于布氏硬度值为450～650的材料；当压头为淬火球时，用符号HBS表示，适合于布氏硬度值低于450的材料。布氏硬度的表示方法，一般为：“硬度值+硬度符号（HBS或HBW）+球的直径/载荷/保持时间，当保持时间为10～15s时可不标注。布氏硬度法适用于较软的铸铁、铜合金和铝合金等。

注意事项：（ⅰ）试样的厚度至少应为压痕深度的10倍。（ⅱ）载荷保持时间，对黑色金属为10～15s；对有色金属为30s；对HB<35的材料为60s。如铸铁（10秒），铜合金和镁合金（30秒），铝合金及轴承合金（60秒）。（ⅲ）实验后压痕直径d应在0.25～0.6D。布氏硬度的实验规范列于表8。

表8布氏硬度的实验规范 

(b)洛氏硬度：用符号HR表示，洛氏硬度是以被测金属表面的压痕深度来表示材料的硬度值，规定每0.002mm为一个硬度单位。洛氏硬度实验所用的压头为圆锥角α=120°的金刚石圆锥体或直径D=1.588mm的淬火钢球。常用的有HRA、HRB和HRC三种，这三种洛氏硬度的压头、载荷和使用范围列于表9。在一定条件下，1HRC≈10HB。洛氏硬度法适用于各种软硬不同和薄厚不一试样的硬度。

表9洛氏硬度的实验规范 

(c)维氏硬度：用符号HV表示，维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值，一般不标出单位。维氏硬度实验的压头是两相对面间夹角α=136°的金刚石四棱锥体。维氏硬度的表示方法为：“硬度值+HV+载荷/保持时间，当保持时间为10～15s时可不标注。使用于较软的铸铁、铜合金和铝合金等。维氏硬度法适用于各种软硬不同，特别适合薄层试样的硬度。

(d)显微硬度：用符号HV表示，显微硬度也称显微维氏硬度，其表示方法为：“硬度值+HV+载荷/保持时间，当保持时间为10～15s时可不标注。显微硬度实验用于测定金属组成相（晶粒、夹杂物等）或微区域的硬度。

(e)努氏硬度：用符号HK表示，其原理与维氏硬度相同，所不同的是四棱锥体金刚石压头的两个对面角不等，分别为172.5°和130°。压痕细长，因此，只测量长对角线的长度。载荷可在0.49～19.61N范围内。努氏硬度实验用于测定薄层（表面淬火或化学渗层与镀层）及合金中各种相得性能。

(f)肖氏硬度：用符号HS表示，肖氏硬度是一种动载压入法，其原理是用一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定的高度落于金属试样表面，根据钢球回跳的高度来衡量金属硬度值的大小，也称回跳硬度。肖氏硬度实验法是用一种轻便的手提式硬度计，肖氏硬度法适用于现场测量大件金属制品。

（2）单向静拉伸下的力学性能：通过拉伸实验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形、塑性变形和断裂，可以标定出金属材料的最基本力学性能指标，如屈服强度(σ_0.2)、抗拉强度(σ_b)、伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)。

（a）屈服强度：金属材料在拉伸时产生屈服现象时的拉伸载荷除以试样原始截面积。

(Ⅰ)屈服强度(σ_s)：对应于载荷突然下降的点称为上屈服点P_SU，而不变载荷或首次下降的最低载荷点则称为下屈服点P_SL，工程上用下屈服点表示屈服强度（σ_s=Ps/F₀），单位为MPa。

(Ⅱ)屈服强度(σ_0.2)：规定塑性变形量为0.2%（即残余相对伸长为0.002）相应的屈服强度为σ_0.2。

(b)抗拉强度(σ_b)：试样断裂前所承受的最大拉伸载荷除以试样原始截面积。

(Ⅲ)伸长率(δ)：试样拉伸后标距的绝对伸长长度(ΔL=L₁-L₀)除以试样原始标距长度（L₀），用百分数表示：δ=ΔL/ L₀×100%。

(Ⅳ)断面收缩率(ψ)：试样拉伸后截面绝对收缩值(ΔF=F₁-F₀)除以试样原始截面积（F₀），用百分数表示：δ=ΔF / F₀×100%。

(Ⅴ)其它参数：

(ⅰ)应力(σ)：作用在单位截面面积上的内力称应力。包括条件应力（或工程应力）、真应力。单位为MPa。

(ⅱ)应变：单位长度（或面积）上的伸长（或收缩）称应变。包括条件应变（或工程应变）、真应变，其中长度应变（ε）、面积应变（ψ）。

(ⅲ)弹性模数：在弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变成正比关系，如拉伸时σ=Eε，剪切时τ=Gγ，E和G分别为正弹性模数和切弹性模数，单位为MPa。

(ⅳ)比例极限(σ_p)：应力与应变成正比关系的最大应力。一般规定曲线上某点切线和纵坐标夹角的正切值tgθ′比直线部分和纵坐标夹角的正切值tgθ增加50%时，该点对应的应力即为规定的比例极限σ_p50，以此代替σ_p。

(ⅴ)弹性极限(σ_e)：是材料有弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。应力超过弹性极限以后，材料发生塑性变形。一般规定以残余伸长为0.01%的应力作为残余伸长应力（即弹性极限），以σ_0.01表示。

(ⅴ)真实断裂强度（S_k）：最终断裂时的拉伸载荷除以试样最终截面积。

(3)冲击韧性：缺口冲击试样是U缺口（称梅氏试样）和V缺口（称夏氏试样）。尺寸为10×10×55mm，测量脆性材料的冲击韧性时，常采用无缺口冲击试样。

(a)冲击功(A_k)：A_k=GH₁-GH₂,单位为J(或kg.m)，式中GH₁—摆锤获得的位能，GH₂—摆锤的剩余能量，

(b)冲击韧性(α_k)：α_k=A_k/F，单位为J/cm²(或kg.m/cm²)，式中F—试样断裂处截面面积。

(4)金属的硬度与强度指标关系：金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：

σ_b=K.HB

式中：σ_b—材料的抗拉强度值；HB—材料的布氏硬度值；K—系数，表10列出不同状态下K值。

表10不同状态下K值