材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)“現(xiàn)代金相照相技術(shù)”的探索與改革

楊　湄，瞿廣宇

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，成都　610039；2.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，成都　610059)

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材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)“現(xiàn)代金相照相技術(shù)”的探索與改革

楊湄1，瞿廣宇2

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，成都610039；2.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，成都610059)

將原 “金相照相與暗室技術(shù)”實(shí)驗(yàn)改為“現(xiàn)代金相數(shù)碼照相技術(shù)”實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和組合，使之成為一個實(shí)踐性更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更豐富的實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生即掌握了現(xiàn)代金相照相技術(shù)，又對熱處理質(zhì)量檢測和定量金相方面知識有一定的了解和掌握。

數(shù)碼照相原理；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；

金屬材料的顯微組織多種多樣，千變?nèi)f化，用文字記載難以使人明了，以圖片的方式記載下來，人們便可一目了然了，這就要用到顯微照相。照相需要用到暗室技術(shù)；照相耗材包括膠片、相紙、顯影和定影藥水；設(shè)備包括暗合放大機(jī)、上光板和暗室等。通過照相獲取圖片操作煩瑣，技術(shù)要求高。材料科學(xué)的進(jìn)展已逐步揭示了組織與性能的定量關(guān)系，因此，記錄材料的顯微組織是非常重要的，而顯微組織中的各參量的測定對組織性能起著決定性的作用。綜上所述，該實(shí)驗(yàn)有開設(shè)和改革的必要性和重要性。

為了記載圖像，金屬材料專業(yè)的專業(yè)課——材料科學(xué)基礎(chǔ)開設(shè)了顯微照相及暗室技術(shù)實(shí)驗(yàn)，原實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書主要針對膠片相紙的選擇、顯微鏡的照相、底片的曝光沖洗和印相4個方面介紹，安排4學(xué)時進(jìn)行分組操作、討論并寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

金屬材料專業(yè)的材料科學(xué)基礎(chǔ)課程，高等院校一般都開設(shè)了金相照相及暗室技術(shù)實(shí)驗(yàn)，但隨著數(shù)碼照相技術(shù)的出現(xiàn)，圖像的記載變得容易起來。新時期下我們面臨實(shí)驗(yàn)怎么開的問題？而金相數(shù)碼照相不僅在目鏡上觀察，還可以在電腦屏幕上觀察實(shí)時動態(tài)圖像，還能將圖片編輯、保存、分析和打印，金相數(shù)碼照相取代了煩瑣的暗室技術(shù)，金相數(shù)碼照相技術(shù)對材料研究起到了質(zhì)的飛越，我們也了解到一些兄弟院校將該實(shí)驗(yàn)改為數(shù)碼照相圖像收集等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含應(yīng)用數(shù)碼照相、金相軟件分析，以及設(shè)備和軟件的操作等，經(jīng)過實(shí)踐摸索，我校將金相照相與暗室技術(shù)實(shí)驗(yàn)改為現(xiàn)代金相數(shù)碼照相技術(shù)，分為實(shí)驗(yàn)原理、操作和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3部分。

1　問題的提出

1)材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)課，包含金相顯微鏡的構(gòu)造及原理、金相顯微試樣的制備、顯微照相及暗室技術(shù)、二元合金顯微組織觀察、鐵碳合金的顯微組織觀察、三元合金顯微組織觀察、合金的塑性變形與再結(jié)晶、位錯的顯示與觀察8個實(shí)驗(yàn)。但隨著數(shù)碼照相技術(shù)的出現(xiàn)，一些先進(jìn)的金相顯微鏡帶攝像和圖像分析軟件的設(shè)備也隨之而出，學(xué)生面臨對新知識的學(xué)習(xí)。

2)針對數(shù)碼照相的基本原理，怎樣使用操作金相數(shù)碼照相設(shè)備，怎樣選擇視場，怎樣選擇適合的放大倍數(shù)，怎樣測試脫碳層深度，怎樣測試以及怎樣使用圖像分析軟件，因此我們認(rèn)為不能簡單地砍掉原有實(shí)驗(yàn)。

3)原金相照相與暗室技術(shù)實(shí)驗(yàn)是一個動手性的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，引進(jìn)數(shù)碼照相后，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有必要充實(shí)。

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)及設(shè)備材料

從提出的問題，我們認(rèn)為事物是在不斷地發(fā)展的，我們的實(shí)驗(yàn)也應(yīng)該不斷地更新和完善，所以，我們將該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新構(gòu)思和設(shè)計(jì)。

1)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

首先我們的實(shí)驗(yàn)不是一個演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私鈹?shù)碼照相的原理和獲得一張好的金相照片。我們增加了讓學(xué)生學(xué)會怎樣選擇合適的放大倍數(shù)和選擇一個好的視場，以及怎樣在試樣上找不同的部位拍照的內(nèi)容。主要是利用軟件功能，讓學(xué)生對金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)有所了解，如晶粒大小測定，滲層深度的測定及相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)等；讓學(xué)生自己動手操作，掌握一定的金相檢測技術(shù)技能，為將來的實(shí)際工作奠定一定基礎(chǔ)。

2)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

①購買Scopephoto攝影軟件和攝像頭3～5套，利用原來的奧林巴斯金相顯微鏡，每臺顯微鏡配置一臺電腦、一套攝像頭和軟件，一臺數(shù)碼金相照相設(shè)備就組裝起來了。

②金相試樣的準(zhǔn)備。準(zhǔn)備的普通碳鋼，如工業(yè)純鐵、20鋼、45鋼等，學(xué)生可以對它們進(jìn)行顯微組織的拍攝，可以采用定量金相法對它們進(jìn)行晶粒大小的測定和分析，可以對它們進(jìn)行不同相含量的測定和分析等。準(zhǔn)備的一組脫碳和滲碳試樣，學(xué)生可以對它們進(jìn)行脫碳層和滲碳層深度的測試，以上試樣準(zhǔn)備3～5套。

3)編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及材料的準(zhǔn)備。

首先，讓學(xué)生了解數(shù)碼照相的基本原理，數(shù)碼相機(jī)由鏡頭、CCD、A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、MPU(微處理器)、內(nèi)置存儲器、LCD(液晶顯示器)、PC卡(可移動儲存器)和接口(計(jì)算機(jī)接口)等部分組。其次了解它的工作原理，即數(shù)碼拍照是將光線匯聚到CCD上，將光信號通過CCD轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換A/D，以數(shù)字格式將信號存儲起來，然后經(jīng)過微處理器MPU對數(shù)字信號進(jìn)行壓縮并轉(zhuǎn)化為特定的圖像格式。最后，著重介紹用金相法對脫碳層和滲碳層深度的測定以及晶粒大小的測定。

①金相法滲碳層深度測定。

a.對碳素鋼，滲碳層總深度為：過共析層+共析層+1/2過渡層。

b.對合金鋼，滲碳層總深度為：過共析層+共析層+全部過渡層。

②金相法脫碳層深度測定。

a.對退火態(tài)的鋼材，把全部鐵素體區(qū)定義為全脫碳區(qū)，總脫碳區(qū)深度為從表面測量至鐵素體或碳化物相對量不知變化處的垂直距離。

b.對熱處理狀態(tài)下的鋼材，脫碳層深度為從試樣邊緣測量至馬氏體或貝氏體形態(tài)不再變化的心部組織處為總脫碳層深度。

③晶粒大小的測定。

a.比較法：采用在100倍的顯微鏡下與標(biāo)準(zhǔn)評級圖對比來平定晶粒度，標(biāo)準(zhǔn)圖按單位面積內(nèi)的平均晶粒數(shù)來分檔，晶粒度G和平均晶粒數(shù)N的關(guān)系為N=2G+3，其中N為放大100倍時1mm2面積內(nèi)的晶粒數(shù)。

b.面積法：通過計(jì)算給定面積1mm2內(nèi)的晶粒數(shù)來測定晶粒度，如在視場內(nèi)給定一個面積(如用測微尺等)，數(shù)出該面積內(nèi)的晶粒數(shù)n1和處在邊界上的晶粒數(shù)n2，求出1mm2內(nèi)的晶粒數(shù)NA=f(n1+ n2/2)，其中，f=M2/5000(M為放大倍數(shù))，相應(yīng)的晶粒度G=-3+3.3logNA。

3　現(xiàn)代金相數(shù)碼照相技術(shù)實(shí)驗(yàn)的具體步驟

1)將學(xué)生分為8～10人為一組。設(shè)備包括一套數(shù)碼照相設(shè)備和一套金相試樣。金相試樣包含工業(yè)純鐵和T12平衡組織試樣各一個，脫碳試樣T7鋼和T8鋼各一個，滲碳試樣20鋼和45鋼各一個。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①每組照2～3張選擇不同視場的普通碳鋼的金相照片；

②對其晶粒大小進(jìn)行大小測定與分析；

③對脫碳或滲碳層碳鋼的深度進(jìn)行測試。

2)每組學(xué)生將所用設(shè)備及材料和所測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

每組同學(xué)8～10人，我們要求2～3人對脫碳和滲碳試樣選擇一種相同的試樣來進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)步驟，這樣可保證實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)不相同，實(shí)驗(yàn)時間以

2學(xué)時安排。

4　結(jié)束語

材料科學(xué)基礎(chǔ)是一門理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，通過上述實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅熟悉了現(xiàn)代金相數(shù)碼照相的方法，而且對金相組織分析及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)有了一定的了解。實(shí)驗(yàn)課通過以上改革，學(xué)生了解和掌握了怎樣測試晶粒大小﹑滲碳層和脫碳層的深度以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)了該實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合和具體的分析熱處理質(zhì)量的能力，使實(shí)驗(yàn)變得更豐富。

從該實(shí)驗(yàn)的改革可以認(rèn)識到，每一個實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和基本理念是應(yīng)該不斷地深入研究和完善的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)在課程教學(xué)中扮演著非常重要的角色。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理學(xué)會《熱處理手冊》編委會編.熱處理手冊(1)[M]．3版.機(jī)械工業(yè)出版社，2004：293-313.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理學(xué)會《熱處理手冊》編委會編：熱處理手冊(4)[M]．3版.機(jī)械工業(yè)出版社，2004：141-142，177-179．

[3]任懷亮主編.金相實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]．5版.冶金工業(yè)出版社，2004．

[4]廖景娛主編.金屬構(gòu)件失效分析[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2003．8：158-162．

[5]錢元凱.現(xiàn)代相機(jī)的原理與使用 [M]．浙江攝影出版社，2006．

[6]國家機(jī)械工業(yè)委員會統(tǒng)編.金相檢驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：國家機(jī)械工業(yè)委員會，1988.

[7]謝希文，等．今日光學(xué)金相技術(shù)[J]．熱處理，2005，20(2)：1-9．

[8]李占堅(jiān)．?dāng)?shù)碼照相與計(jì)算機(jī)技術(shù)在臺式金相顯微鏡上的應(yīng)用[J]．裝備制造技術(shù)，2010(6)：177-178．

[9]畢革平，吳宗利，李江豫，等．?dāng)?shù)碼照相技術(shù)在金相顯微鏡上的應(yīng)用[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1999．12，11(6)，57-59．

[10]畢革平，林家時，吳伯群．金相顯微鏡數(shù)字化照相系統(tǒng)[J]．材料工程，2000(5)，45-48．

Exploration and Reform of Modern Metallographic Photographing Technology in Materials Science Experiment

YANG Mei1，ZHAI Guangyu2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，XihuaUniversity，Chengdu610000，China；2.InstituteofNuclearTechnologyAutomationEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610039，China)

Wechanged“themetallographicphotographicdarkroomtechniques”to“modernmetallographicdigitalphotographictechnology”experiment.Throughdesigningandcombiningtheexperimentcontent，wecangetexperimentwithstronglypracticalandabundantexperimentcontent.Afterfinishingtheexperiment，studentsmastermodernmetallographicphotographingtechnology，aswellastestofheattreatmentqualityandquantitativemetallographyknowledge.

digitalphotographyprinciple；experimentcontent；experimentalguidebooks

2014-11-20；修改日期: 2015-07-16

楊湄(1961-)，女，高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事金相技術(shù)、金屬材料制備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作。

G424.31

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.039