材料科学实验“现代金相照相技术”的探索与改革

杨　湄，瞿广宇

(1.西华大学材料科学与工程学院实验中心，成都　610039；2.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都　610059)



材料科学实验“现代金相照相技术”的探索与改革

杨湄1，瞿广宇2

(1.西华大学材料科学与工程学院实验中心，成都610039；2.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都610059)

将原 “金相照相与暗室技术”实验改为“现代金相数码照相技术”实验，通过对实验内容的设计和组合，使之成为一个实践性更强，实验内容更丰富的实验。通过该实验学生即掌握了现代金相照相技术，又对热处理质量检测和定量金相方面知识有一定的了解和掌握。

数码照相原理；实验内容；实验指导书；

金属材料的显微组织多种多样，千变万化，用文字记载难以使人明了，以图片的方式记载下来，人们便可一目了然了，这就要用到显微照相。照相需要用到暗室技术；照相耗材包括胶片、相纸、显影和定影药水；设备包括暗合放大机、上光板和暗室等。通过照相获取图片操作烦琐，技术要求高。材料科学的进展已逐步揭示了组织与性能的定量关系，因此，记录材料的显微组织是非常重要的，而显微组织中的各参量的测定对组织性能起着决定性的作用。综上所述，该实验有开设和改革的必要性和重要性。

为了记载图像，金属材料专业的专业课——材料科学基础开设了显微照相及暗室技术实验，原实验指导书主要针对胶片相纸的选择、显微镜的照相、底片的曝光冲洗和印相4个方面介绍，安排4学时进行分组操作、讨论并写出实验报告。

金属材料专业的材料科学基础课程，高等院校一般都开设了金相照相及暗室技术实验，但随着数码照相技术的出现，图像的记载变得容易起来。新时期下我们面临实验怎么开的问题？而金相数码照相不仅在目镜上观察，还可以在电脑屏幕上观察实时动态图像，还能将图片编辑、保存、分析和打印，金相数码照相取代了烦琐的暗室技术，金相数码照相技术对材料研究起到了质的飞越，我们也了解到一些兄弟院校将该实验改为数码照相图像收集等，实验内容包含应用数码照相、金相软件分析，以及设备和软件的操作等，经过实践摸索，我校将金相照相与暗室技术实验改为现代金相数码照相技术，分为实验原理、操作和实验内容3部分。

1　问题的提出

1)材料科学基础是材料科学与工程专业的专业课，包含金相显微镜的构造及原理、金相显微试样的制备、显微照相及暗室技术、二元合金显微组织观察、铁碳合金的显微组织观察、三元合金显微组织观察、合金的塑性变形与再结晶、位错的显示与观察8个实验。但随着数码照相技术的出现，一些先进的金相显微镜带摄像和图像分析软件的设备也随之而出，学生面临对新知识的学习。

2)针对数码照相的基本原理，怎样使用操作金相数码照相设备，怎样选择视场，怎样选择适合的放大倍数，怎样测试脱碳层深度，怎样测试以及怎样使用图像分析软件，因此我们认为不能简单地砍掉原有实验。

3)原金相照相与暗室技术实验是一个动手性的实践实验，引进数码照相后，该实验内容有必要充实。

2　实验内容的设计及设备材料

从提出的问题，我们认为事物是在不断地发展的，我们的实验也应该不断地更新和完善，所以，我们将该实验进行了重新构思和设计。

1)设计实验内容。

首先我们的实验不是一个演示实验，实验目的是了解数码照相的原理和获得一张好的金相照片。我们增加了让学生学会怎样选择合适的放大倍数和选择一个好的视场，以及怎样在试样上找不同的部位拍照的内容。主要是利用软件功能，让学生对金相实验技术有所了解，如晶粒大小测定，渗层深度的测定及相应的国家标准等；让学生自己动手操作，掌握一定的金相检测技术技能，为将来的实际工作奠定一定基础。

2)准备实验设备。

①购买Scopephoto摄影软件和摄像头3～5套，利用原来的奥林巴斯金相显微镜，每台显微镜配置一台电脑、一套摄像头和软件，一台数码金相照相设备就组装起来了。

②金相试样的准备。准备的普通碳钢，如工业纯铁、20钢、45钢等，学生可以对它们进行显微组织的拍摄，可以采用定量金相法对它们进行晶粒大小的测定和分析，可以对它们进行不同相含量的测定和分析等。准备的一组脱碳和渗碳试样，学生可以对它们进行脱碳层和渗碳层深度的测试，以上试样准备3～5套。

3)编写实验指导书及材料的准备。

首先，让学生了解数码照相的基本原理，数码相机由镜头、CCD、A/D(模/数转换器)、MPU(微处理器)、内置存储器、LCD(液晶显示器)、PC卡(可移动储存器)和接口(计算机接口)等部分组。其次了解它的工作原理，即数码拍照是将光线汇聚到CCD上，将光信号通过CCD转换成电信号，再经过模拟数字转换A/D，以数字格式将信号存储起来，然后经过微处理器MPU对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式。最后，着重介绍用金相法对脱碳层和渗碳层深度的测定以及晶粒大小的测定。

①金相法渗碳层深度测定。

a.对碳素钢，渗碳层总深度为：过共析层+共析层+1/2过渡层。

b.对合金钢，渗碳层总深度为：过共析层+共析层+全部过渡层。

②金相法脱碳层深度测定。

a.对退火态的钢材，把全部铁素体区定义为全脱碳区，总脱碳区深度为从表面测量至铁素体或碳化物相对量不知变化处的垂直距离。

b.对热处理状态下的钢材，脱碳层深度为从试样边缘测量至马氏体或贝氏体形态不再变化的心部组织处为总脱碳层深度。

③晶粒大小的测定。

a.比较法：采用在100倍的显微镜下与标准评级图对比来平定晶粒度，标准图按单位面积内的平均晶粒数来分档，晶粒度G和平均晶粒数N的关系为N=2G+3，其中N为放大100倍时1mm2面积内的晶粒数。

b.面积法：通过计算给定面积1mm2内的晶粒数来测定晶粒度，如在视场内给定一个面积(如用测微尺等)，数出该面积内的晶粒数n1和处在边界上的晶粒数n2，求出1mm2内的晶粒数NA=f(n1+ n2/2)，其中，f=M2/5000(M为放大倍数)，相应的晶粒度G=-3+3.3logNA。

3　现代金相数码照相技术实验的具体步骤

1)将学生分为8～10人为一组。设备包括一套数码照相设备和一套金相试样。金相试样包含工业纯铁和T12平衡组织试样各一个，脱碳试样T7钢和T8钢各一个，渗碳试样20钢和45钢各一个。实验步骤如下：

①每组照2～3张选择不同视场的普通碳钢的金相照片；

②对其晶粒大小进行大小测定与分析；

③对脱碳或渗碳层碳钢的深度进行测试。

2)每组学生将所用设备及材料和所测数据进行记录。

每组同学8～10人，我们要求2～3人对脱碳和渗碳试样选择一种相同的试样来进行以上实验步骤，这样可保证实验报告数据不相同，实验时间以

2学时安排。

4　结束语

材料科学基础是一门理论和实践性很强的专业课程，通过上述实验，学生不仅熟悉了现代金相数码照相的方法，而且对金相组织分析及热处理质量检验技术有了一定的了解。实验课通过以上改革，学生了解和掌握了怎样测试晶粒大小﹑渗碳层和脱碳层的深度以及相应的标准，增强了该实验的实践性，丰富了实验内容。通过实验，培养了学生将理论与实践相结合和具体的分析热处理质量的能力，使实验变得更丰富。

从该实验的改革可以认识到，每一个实验的教学内容的设计和基本理念是应该不断地深入研究和完善的，因为实验教学在课程教学中扮演着非常重要的角色。

[1]中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会编.热处理手册(1)[M]．3版.机械工业出版社，2004：293-313.

[2]中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会编：热处理手册(4)[M]．3版.机械工业出版社，2004：141-142，177-179．

[3]任怀亮主编.金相实验技术[M]．5版.冶金工业出版社，2004．

[4]廖景娱主编.金属构件失效分析[M]．化学工业出版社，2003．8：158-162．

[5]钱元凯.现代相机的原理与使用 [M]．浙江摄影出版社，2006．

[6]国家机械工业委员会统编.金相检验技术基础[M].北京：国家机械工业委员会，1988.

[7]谢希文，等．今日光学金相技术[J]．热处理，2005，20(2)：1-9．

[8]李占坚．数码照相与计算机技术在台式金相显微镜上的应用[J]．装备制造技术，2010(6)：177-178．

[9]毕革平，吴宗利，李江豫，等．数码照相技术在金相显微镜上的应用[J]．钢铁研究学报，1999．12，11(6)，57-59．

[10]毕革平，林家时，吴伯群．金相显微镜数字化照相系统[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

杨湄(1961-)，女，高级实验师，主要从事金相技术、金属材料制备和实验教学的工作。

G424.31

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.039