楊　湄，瞿廣宇

(1.西華大學材料科學與工程學院實驗中心，成都　610039；2.成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都　610059)

?

材料科學實驗“現(xiàn)代金相照相技術”的探索與改革

楊湄1，瞿廣宇2

(1.西華大學材料科學與工程學院實驗中心，成都610039；2.成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都610059)

將原 “金相照相與暗室技術”實驗改為“現(xiàn)代金相數碼照相技術”實驗，通過對實驗內容的設計和組合，使之成為一個實踐性更強，實驗內容更豐富的實驗。通過該實驗學生即掌握了現(xiàn)代金相照相技術，又對熱處理質量檢測和定量金相方面知識有一定的了解和掌握。

數碼照相原理；實驗內容；實驗指導書；

金屬材料的顯微組織多種多樣，千變萬化，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；照相耗材包括膠片、相紙、顯影和定影藥水；設備包括暗合放大機、上光板和暗室等。通過照相獲取圖片操作煩瑣，技術要求高。材料科學的進展已逐步揭示了組織與性能的定量關系，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，該實驗有開設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——材料科學基礎開設了顯微照相及暗室技術實驗，原實驗指導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學時進行分組操作、討論并寫出實驗報告。

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

1　問題的提出

1)材料科學基礎是材料科學與工程專業(yè)的專業(yè)課，包含金相顯微鏡的構造及原理、金相顯微試樣的制備、顯微照相及暗室技術、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晶、位錯的顯示與觀察8個實驗。但隨著數碼照相技術的出現(xiàn)，一些先進的金相顯微鏡帶攝像和圖像分析軟件的設備也隨之而出，學生面臨對新知識的學習。

2)針對數碼照相的基本原理，怎樣使用操作金相數碼照相設備，怎樣選擇視場，怎樣選擇適合的放大倍數，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，因此我們認為不能簡單地砍掉原有實驗。

3)原金相照相與暗室技術實驗是一個動手性的實踐實驗，引進數碼照相后，該實驗內容有必要充實。

2　實驗內容的設計及設備材料

從提出的問題，我們認為事物是在不斷地發(fā)展的，我們的實驗也應該不斷地更新和完善，所以，我們將該實驗進行了重新構思和設計。

1)設計實驗內容。

首先我們的實驗不是一個演示實驗，實驗目的是了解數碼照相的原理和獲得一張好的金相照片。我們增加了讓學生學會怎樣選擇合適的放大倍數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容。主要是利用軟件功能，讓學生對金相實驗技術有所了解，如晶粒大小測定，滲層深度的測定及相應的國家標準等；讓學生自己動手操作，掌握一定的金相檢測技術技能，為將來的實際工作奠定一定基礎。

2)準備實驗設備。

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，一臺數碼金相照相設備就組裝起來了。

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

3)編寫實驗指導書及材料的準備。

首先，讓學生了解數碼照相的基本原理，數碼相機由鏡頭、CCD、A/D(模/數轉換器)、MPU(微處理器)、內置存儲器、LCD(液晶顯示器)、PC卡(可移動儲存器)和接口(計算機接口)等部分組。其次了解它的工作原理，即數碼拍照是將光線匯聚到CCD上，將光信號通過CCD轉換成電信號，再經過模擬數字轉換A/D，以數字格式將信號存儲起來，然后經過微處理器MPU對數字信號進行壓縮并轉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倍的顯微鏡下與標準評級圖對比來平定晶粒度，標準圖按單位面積內的平均晶粒數來分檔，晶粒度G和平均晶粒數N的關系為N=2G+3，其中N為放大100倍時1mm2面積內的晶粒數。

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

3　現(xiàn)代金相數碼照相技術實驗的具體步驟

1)將學生分為8～10人為一組。設備包括一套數碼照相設備和一套金相試樣。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。實驗步驟如下：

①每組照2～3張選擇不同視場的普通碳鋼的金相照片；

②對其晶粒大小進行大小測定與分析；

③對脫碳或滲碳層碳鋼的深度進行測試。

2)每組學生將所用設備及材料和所測數據進行記錄。

每組同學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行以上實驗步驟，這樣可保證實驗報告數據不相同，實驗時間以

2學時安排。

4　結束語

材料科學基礎是一門理論和實踐性很強的專業(yè)課程，通過上述實驗，學生不僅熟悉了現(xiàn)代金相數碼照相的方法，而且對金相組織分析及熱處理質量檢驗技術有了一定的了解。實驗課通過以上改革，學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的標準，增強了該實驗的實踐性，豐富了實驗內容。通過實驗，培養(yǎng)了學生將理論與實踐相結合和具體的分析熱處理質量的能力，使實驗變得更豐富。

從該實驗的改革可以認識到，每一個實驗的教學內容的設計和基本理念是應該不斷地深入研究和完善的，因為實驗教學在課程教學中扮演著非常重要的角色。

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

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

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

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

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

[6]國家機械工業(yè)委員會統(tǒng)編.金相檢驗技術基礎[M].北京：國家機械工業(yè)委員會，1988.

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

[8]李占堅．數碼照相與計算機技術在臺式金相顯微鏡上的應用[J]．裝備制造技術，2010(6)：177-178．

[9]畢革平，吳宗利，李江豫，等．數碼照相技術在金相顯微鏡上的應用[J]．鋼鐵研究學報，1999．12，11(6)，57-59．

[10]畢革平，林家時，吳伯群．金相顯微鏡數字化照相系統(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，高級實驗師，主要從事金相技術、金屬材料制備和實驗教學的工作。

G424.31

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.039