课程介绍
本课程内容紧扣材料学科金相分析技术发展的脉搏，融入新技术、新方法、新设备、新标准，主要包含：金相学发展史、金相样品的制备、金相显微组织的显示、光学金相显微镜、定量金相与图像分析、显微硬度及其应用、钢铁材料常见组织及检验、低倍金相显微组织分析等金相分析的基本内容，为学生从校园走向职场打好基础。
课程大纲
《光学金相显微技术》课程教学大纲
Optical Metallographic Microscopy
主撰：葛利玲 审核：孟庆男 批准：汤玉斐
一、课程性质与目的
金相显微技术是材料科学与工程专业大类必修的专业技术基础课程。
本课程主要着眼于光学金相显微分析技术，力求使学生在较短的时间内能够掌握光学金相显微分析的基本技术，如：金相样品的制备、金相显微镜的构造与使用、定量金相及其金相图像分析系统、显微硬度及其应用、金属材料常见组织及检验等。
为学生提供了材料学科最基本的实验知识、技能和科学方法的学习机会与条件，对培养学生的探索精神和创新精神，使学生掌握科学的方法论具有奠基作用。
二、教学目标
培养学生以下基本技能与动手能力；
1、 增强实践操作能力和科学实验能力及素质；
2、 增强金相图谱分析能力，加深对专业知识的理解与应用；
3、 培养学生工程应用能力。
4、 培养工科学生的审美意识和科学文化素养。
本课程分为课堂教学和实验教学两部分：
1．课堂教学
主要讲授金相显微技术的金相显微样品的制备、光学基础知识，光学金相显微镜的成像原理、定量金相及其金相图像分析系统、显微硬度及其应用、金属材料常见组织及检验等理论基础知识。
2．实验教学
主要要求学生掌握金相显微技术实际操作方法
1) 金相显微样品的制备包含金相样品的取样、镶嵌与夹持，金相样品的平整与磨制，金相样品的抛光（机械抛光、化学抛光、电解抛光等）与侵蚀，不同材料的试样制备特点和差异。
2) 光学金相显微镜：光学基础知识，光学金相显微镜的成像原理，光学金相显微镜的构造、类型与使用，金相显微镜几种常用观察方法的基本原理及其在显微分析观察中的应用。
3) 定量金相定义及基本方法，金相图像分析系统的构成及工作原理与应用，金相摄影 操作方法。
4) 掌握显微硬度剂的操作方法，
5) 金属材料常见组织特点及检验。
三、教学内容
第一章 概论（2学时）
1、理论授课：
主要了解金相学发展的历史，金相分析在材料科学中的作用。
2、本章的重点
金相学发展的历史及金相分析在材料科学中的作用
3、本章的难点
金相分析方法
4、对毕业要求的支撑
支撑毕业要求6-1，对应课程目标2
第二章 金相显微样品的制备（16学时）
本章节理论授课2学时，实际操作14学时。
1、理论授课：
1）金相试样的取样；
2）金相试样镶嵌与夹持；
3）试样的平整与磨光；
4）金相试样的抛光（机械抛光、化学抛光、电解抛光）；
5）金相试样的显示方法、观察分析及保存。
2、本章的重点
1）试样的磨光、抛光原理及方法。
2）金相试样的显示方法。
3、本章的难点
1）样品的各种抛光原理
2）组织的显示方法
4、对毕业要求的支撑
支撑毕业要求4-3，对应课程目标1
实验：
每位同学领取要制备的钢铁材料样品2块（1块退火态，1块正火态、或淬火+回火态、或油冷等），1块纯铜试样，进行制备。
先经砂轮平整，依次在280#、400#、600#、800#砂纸、上磨制。并观察上道磨痕的去除情况。粗抛后应用水将样品冲洗后再细抛。
将细抛好的试样再用水洗净，酒精冲洗后用电吹风吹干，然后选择合适的浸蚀剂进行组织显示（如4%硝酸酒精）。制样过程中的每一步都要检查磨面的质量，发现问题及时修正。
有色试样采用电解抛光方法，注意抛光参数选择。
注意：不要将湿和热的样品放在显微镜下观察。
第三章 金相显微镜的原理、结构和使用(8学时)
本章节理论授课4学时，实际操作4学时。
1、理论授课包含：
1）光学基本原理
2）光学金相显微镜的成像原理
3）金相显微镜的物镜
4）金相显微镜的目镜
5）光学金相显微镜的构造
6）金相显微镜的使用和维护
7）金相显微镜几种常用观察方法基本原理及方法
2、本章的重点
1)光学金相显微镜的成像原理
2)金相显微镜的物镜及目镜
3、本章的难点
金相显微镜几种常用观察方法基本原理及方法
4、对毕业要求的支撑
支撑毕业要求6-1，对应课程目标2
实验：
介绍其他几种国内外的金相显微镜和有关发展情况，并带领同学参观江南光学仪器厂生产的XJG-03型大型金相显微镜，东德的Neophot-1、Neophot-2以及GX71型大型金相显微镜等。
借助于XJP-100型，每人将自己制备好的碳钢样品，分别在显微镜上进行观察，从中学会调焦、选用合适的孔径光阑和视场光阑、确定放大倍数及移动载物台的方法。选用不同的物镜，不同大小的孔径光阑和视场光阑，对样品的同一部分来进行观察，分析影响分辨率的因素，并与实验室内陈列的分辨率与数值孔径、光阑之间关系的照片对照。
描绘观察到的显微组织。
注意：不要将湿和热的样品放在显微镜下观察。
第四章 定量金相及其金相图像分析系统（6学时）
本章节理论授课2学时，实际操作4学时。
1、理论授课包含：
1）定量测量原理
2）定量金相的基本测量方法
3）显微组织特征参数测量举例
4）误差分析
5）定量金相测量对试样的要求
6）金相图像分析系统
2、本章的重点
1）定量测量原理及方法
2）显微组织特征参数测量及应用
3）金相图像分析系统
3、本章的难点
显微组织特征参数测量及应用
4、对毕业要求的支撑
支撑毕业要求4-3，对应课程目标2和3
实验
1、熟悉金相图像分析系统的构成与操作。
2、掌握晶粒度、显微组织含量、非金属夹杂物等金相定量测试方法。
3、了解金相图像分析仪的构成与作用，并进行实际操作。
4、分别用点分析法、线分析法和面分析法对给定的组织图像，进行第二相组织的定量测量，并分析其误差。
5、 测定给定工业纯铁的晶粒度以及普通碳钢的夹杂物，计算球墨铸铁中石墨球化率。
6、将自己的样品进行不同放大倍数和光学条件下进行拍照，并和传统摄影进行比对，分析其优缺点。
注意：进行定量计算时试验样品要求制备合格，在显微镜下观察时没有干扰相。
第五章：显微硬度及其应用（8）
本章节理论授课2学时，实际操作6学时。
1、理论授课包含：
1）显微硬度的测量原理
2）显微硬度计的构造及使用
3）测试方法与注意事项
4）影响显微硬度值的因素
5）显微硬度计发展的趋势
6）显微硬度在金相研究中的应用
2、本章的重点
1）显微硬度的测量原理及方法
2）显微硬度在金相研究中的应用
3、本章的难点
1）如何精确测定组织的显微硬度
2）显微硬度在金相研究中的应用
4、对毕业要求的支撑
支撑毕业要求4-3和6-1，对应课程目标2和3
实验：
1.了解显微硬度的测试原理。
2. 掌握显微硬度计的操作方法。
3. 学会显微硬度值的计算方法。
4. 了解显微硬度的应用。
5．对一下某一材料（所用材料的显微组织为均匀的单相、或非常细小的两相组织）在0.098、0.196、0.49、0.98、1.96N(10、20、50、100、200gf)不同载荷下进行测量，每一载荷测三点，取其平均值，做出载荷与硬度值之间的曲线，并分析显微硬度值与载荷的关系。
(1)10号钢经过高温奥氏体化后淬火，具有均与的粗大板条马氏体组织。
(2)GCr15轴承钢正常淬火+低温回火后得到的细小的颗粒状碳化物均与分布在细小的回火马氏体基体中的组织。
6. 测定渗碳层或渗碳层的硬度分布。
1、 测定两相或多相组织中不同相的显微硬度。
注意：
1、硬度测定时要根据相的大小选用适宜的载荷，要比较不同相的显微硬度值，应使用相同的载荷。
2、渗碳层测试时应保证试样的边缘平整，所有测定点均应使用同一载荷。
第六章：金属材料常见金相组织及检验（6）
本章节理论授课2学时，实际操作4学时。
1、理论授课包含：
1）微观组织的定义及研究
2）钢中常见的金相组织
3）金相组织常规检验方法
2、本章的重点
1）钢中常见的金相组织
2）金相组织常规检验方法
3、本章的难点
1）如何正确识别显微组织
2）金相组织常规检验方法
4、对毕业要求的支撑
支撑毕业要求4-3和6-1，对应课程目标2和3
实验
1、学会在金相显微镜下分析组织。
2、熟悉金属材料中常见基本组织形貌。
3、掌握金相检验标准的应用。
4、在金相显微镜下观察工业纯铁、奥氏体不锈钢、T12钢（退火态）、T8共析钢、过共晶白口铁、上贝氏体、下贝氏体、板条马氏体、片状马氏体、低碳和高碳魏氏组织、带状组织以及各类石墨的组织。
5、 应用钢的显微组织评定方法( GB/T 13299-1991)标准对给定的带状组织、魏氏组织的金相组织进行评定。
注意：对识别的组织要求典型、准确，样品制备合格。
总结及优秀作品欣赏（2学时）
总结1.5学时
对本课程进行全面、系统的总结，尤其是实践环节出现的问题，进行逐一解答，对学生中的作品进行点评，加强理论与实践相结合，达到教学目标。
优秀作品欣赏0.5学时
欣赏学生的优秀作品以及获奖作品，培养学生的审美意识和材料科学文化素养。。
对毕业要求的支撑
支撑毕业要求8-2，对应课程目标4
四、教学方法
教学以立德树人为根本，以学生为中心，为了培养学生掌握材料科学实验基本方法、加强金相图谱分析能力和工程实践能力，课程在加强常规基本实验技能的基础上，注重实践操作和应用，注重提高学生的实验能力及分析解决问题的能力，以满足学生工程实践能力培养的目的。
教学方法采用线上与线下教学模式，以“金相学史话”、“金相显微试样制备”、“传统金相摄影及暗室技术”、“金相组织观察”等内容进行在线授课，线下以典型材料进行实践操作，分组讨论、师生互动的教学方式，注重团队协作能力，集体合作完成实验内容，并学会用国家标准对材料的组织结构进行分析评判，加强学生的社会责任感。
在教学过程中注重以下几个方面：
（1）理论教学与工程实践相结合，将科研、工程实例引入课堂，激发学生的学习兴趣。
（2）讲授与讨论相结合，进一步培养学生综合分析问题的能力。
（3）常规方法与现代教学方法相结合，利用多媒体和网络技术发挥各自的长处，提高学生学习热情和效率。
（4）录像片与观摩相结合，通过播放录像片和教师做标准示范过程，正确引导学生，加强工程实践环节训练，注重实践动手能力的培养。
培养学生综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决实际工程问题的能力，提高学生的实际动手和操作能力以及从事本专业技术工作的基本素质。
五、考核及成绩评定
本课程的考核：实验操作40%+实验报告60%，按照优、良、中、及格与不及格。
一、实验操作主要试样制备环节，其评分标准（100分），具体细则：
1、 金相图像质量，其中组织正确与组织清晰度50分，划痕20分，假象10分。
2、样品表面质量，其中宏观划痕及样品清洁程度10分，观察面平整度5分，样品磨面倒角5分。
说明：
1、本评分标准适用于材料科学与工程学院所有专业本科课程《光学金相显微技术》及《光学金相显微技术（卓）》，用于在金相样品制备完成后进行金相样品质量评测。
2、评分标准供教师评分参考。计算分数时可分项计分最后合成总分，也可根据样品的实际情况给出总分。
3、对于磨制、抛光、浸蚀过程中出现的不正确操作方式，教师应指出其错误并予以纠正，但不予以扣分。
4、对于金相试样质量特别差的样品，应要求其重新返工，直至达到最低评分标准，能够正确显示出金相组织，否则不予通过该环节的考核。
二、实验报告，其评分标准（100分）：
实验1 金相显微试样的制备（30分）
1. 实验目的及实验设备。（1分）
2. 金相试样的制备主要有哪几个步骤？（2分）
3. 金相试样截取方法通常有哪几种？选用不同截取方法的原则是什么？（2分）
4. 试样镶嵌有哪些方法？本次实验采用什么方法？写出镶嵌所用设备型号、镶嵌材料类型、镶样温度以及保温时间，镶样结果如何？产生的原因是什么？（2分）
5. 常用的砂纸有几类？各有什么特点？如何选用？（1分）
6. 手工磨光与机械磨光有什么区别？试样磨光的方法与注意事项是什么？（2分）
7. 制样时变形层是如何形成的？如何消除变形层？如果不消除变形层对显微组织有什么影响？（2分）
8. 金相试样机械抛光原理、目的、方法及注意事项？（2分）
9. 何为电解抛光？电解抛光的原理是什么？与机械抛光相比有哪些优点？（2分）
10. 本次电解抛光的试样材料名称及状态、电解抛光剂溶液的成分和抛光参数？抛光结果如何？产生的原因是什么？（2分）
11. 金相显微组织的显示有几种方法？各有什么特点？（2分）
12. 常用浸蚀剂有哪些？如何选择？浸蚀原则什么？（2分）
13. 浸蚀金相试样时需要注意哪些事项？（2分）
14. 分析本次试样组织显示过程中出现的问题，如何解决？（2分）
15. 金相试样的制备质量如何评定？（2分）
16. 分析试样制备过程中出现的问题，提出解决问题的措施，总结如何制备出高质量的试样？（2分）
实验2 金相显微镜的构造及使用（25分）
1. 实验目的及实验设备。（1分）
2. 光学金相显微镜主要由哪几部分组成？各部分又由哪几个部件组成？（1分）
3. 光学显微镜的像差有几种？如何产生的？如何校正？（2分）
4. 叙述IE200M型或XJP-100型显微镜的成像原理、结构及各部分的功能。（2分）
5. 物镜的主要特性指标有哪些？各用什么符号表示？（1分）
6. 孔径光栏开得过大与过小对观察有什么影响？视场光栏开到什么程度为合适？（1分）
7. 显微镜的暗场与偏光的原理是什么？在材料研究中有哪些应用？（卓越班）（2分）
8. 给出本次实验样品的明场、暗场及偏光组织图，并注明材料、状态、浸蚀剂以及放大倍数。（卓越班）（2分）
9. 如何标定测微目镜的刻度值？请在IE200M型显微镜下标定100×、500×放大倍数测微目镜刻度值的结果。（2分）
10. 如何正确使用和维护金相显微镜？（1分）
11. 观察并绘制所制试样的金相组织图，标明图中各组织组成物的名称。（2分）
12. 什么是像素？（1分）
13. 金相数码摄影系统都有哪些组成？有哪些功能？（1分）
14. 传统的金相摄影与数码摄影比较，各有何优缺点？（1分）
实验3 定量金相及图像分析（15）
1. 实验目的及实验设备。（1分）
2. 什么是体视学？体视学测量中常用参数符号有哪些？（2分）
3. 什么是定量金相分析？包含几种方式？（2分）
4. 图像分析技术的基本原理是什么？（2分）
5. 对于T12过共析钢，如果采用人工计点法测定奥氏体晶粒的平均尺寸，应如何制备金相样品？（2分）
6. 用自动图像分析法和人工计点法对球墨铸铁中石墨相的体积分数进行测量。（4分）
7. 用自动图像分析法和人工计点法对退火态纯铁单相多晶体内晶粒平均截线长度和单位体积内晶界面积的进行测量。（2分）
实验4 显微硬度及其应用（15分）
1. 实验目的及实验设备。（1分）
2. 什么是显微硬度？硬度用什么符号表示？（1分）
3. 显微硬度常用的压头有哪两种?其硬度值如何测量? （2分）
4. 显微硬度测试有对被测样品哪些要求？（1分）
5. 显微硬度测试范围是什么？（1分）
6. 影响显微硬度值的因素有哪些？（2分）
7. 显微硬度测试时如何选择载荷与保压时间？（1分）
8. 显微硬度在金相研究中的应用主要有哪几方面？举例说明。（2分）
9. 测试给定的单相退火组织、（淬火+回火）组织、渗碳层或渗氮层的硬度，描述实验测试的材料名称、状态、载荷和保压时间，并分析其结果（附结果图）。（2分）
10、总结实验过程中出现的问题，分析其产生的原因。（2分）
实验5 钢铁材料常见组织及评定（15分）
1. 实验目的及实验设备。（1分）
2. 什么是宏观与微观组织？（1分）
3. 为什么要分析研究组织？（1分）
4. 钢铁材料常见组织有哪些？（2分）
5. 什么是标准？标准如何分类？金相检验标准属于哪一类？（2分）
6. 按照按照GB/T 6394-2017 《金属平均晶粒度测定方法》对T12钢（退火态）、低碳魏氏和高碳魏氏组织的任意一种原奥氏体晶粒的平均晶粒度进行测定。（3分）
7. 按照GB/T13298-1991 《金属显微组织评定方法》对给定的带状组织或魏氏组织的进行评定。（3分）
8、简述实际生产过程中实施标准的重要性。（2分）
六、教学进程（详见授课日历）
七、教材及参考书
1、葛利玲编，《光学金相显微技术》，冶金工业出版社，2017
2、葛利玲主编《材料科学与工程基础实验教程》，机械工业出版社，2008
3、孙业英主编. 光学显微分析. 清华大学出版社, 2003
4、韩德伟编著. 金相试样制备与显示技术.中南大学出版社，2005
5、沈桂琴编著.光学金相技术. 北京航空航天大学出版社, 1992 八、执行大纲应注意的问题
1、教学中应注重基本知识、基本理论和基本方法的讲授，注意精讲多练。
2、做好实验，重视学生实践能力的培养。要求学生亲自动手进行实验，并认真完成实验指导书上规定的内容。
3、教学内容的顺序及其安排仅供参考，教师可根据情况作适当调整。
编 写 人：葛利玲
审 核 人：孟庆男
编写日期：2018年3月
学习目标
课程从解决材料复杂工程问题能力的实验基本需求出发，按照CD10工程教育范式重构知识-能力-素质目标体系，旨在培养学生金相显微样品制备及微观组织观察分析的实验操作技能与金相图谱分析能力，为学生学习有关专业课程提供必要的基础理论知识和实验技能。通过讲材料史、金相史、作品欣赏等，促进学生材料科学文化素养的培养。
学习要求
一、本课程采用百分制，成绩构成为：单元测试占40%，为客观题；随堂布置的课堂讨论的表现占10%；课程结束考试占50%。二、完成课程学习，成绩合格可付费申请证书。证书分两种等级：总评成绩在60分至80分为合格证书，总评成绩在80分至100分为优秀证书。
考核标准
课件浏览70%,客观练习30%,主观练习0%,课内讨论0%。
课程内容不断迭代，成绩以当时的课程内容为准，一旦合格，可以申请证书。申请证书后，以结课处理，成绩不再改动
教材教参
[1] 葛利玲. 光学金相显微技术[M]. 北京：冶金工业出版社，2017
[2] 韩德伟 张建新. 金相试样制备与显示技术[M]. 长沙：中南大学出版社，2005.
[3] 沈桂琴. 光学金相技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 1992.
[4] 任颂赞，叶俭，陈德华．金相分析原理及技术[M]，上海：上海科学技术文献出版社，2013.
[5] 孙业英. 光学显微分析[M]. 北京：清华大学出版社，2003.
[6] 葛利玲. 材料科学与工程基础实验教程（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2019
