金相分析及檢測基礎知識
金相分析是研究金屬及其合金內部組織及缺陷的主要方法之一，它在金屬材料研究領域中占有很重要的地位。利用金相顯微鏡在專門制備的試樣上放大100～1500倍來研究金屬及合金組織的方法稱為金相顯微分析法，它是研究金屬材料微觀結構最基本的一種實驗技術。顯微分析可以研究金屬及合金的組織與其化學成分的關系；可以確定各類合金材料經過不同的加工及熱處理后的顯微組織；可以判別金屬材料的質量優劣，如各種非金屬夾雜物－－氧化物、硫化物等在組織中的數量及分布情況以及金屬晶粒度的大小等。
在現代金相顯微分析中，使用的主要儀器有光學顯微鏡和電子顯微鏡兩大類。之后會以常用的光學金相顯微鏡為例進行介紹。
一、取樣
（一）取樣部位和磨面方向的選擇
取樣部位必須與檢驗目的和要求相一致，使所切取的式樣具有代表性。
例如：
上圖中1用于檢驗非金屬夾雜物的數量、大小、形狀；2用于檢驗晶粒的變形程度；3用于檢驗鋼材的帶狀組織消除程度。
（二）取樣方法
1.金相試樣的形狀
①Φ12×12mm的圓柱體。②12×12×12mm的立方體。③其他不規則的形狀。
式樣的棱邊應倒圓，防止在磨制中劃破砂紙和拋光織物。
2.取樣方法
①硬度較低的材料如低碳鋼、中碳鋼、灰口鑄鐵、有色金屬等。
用鋸、車、刨、銑等機械加工。
②硬度較高的材料如白口鑄鐵、硬質合金、淬火后的零件等。
用錘擊法，從擊碎的碎片中選出大小適當者作為試樣。
③韌性較高的材料
用切割機切割。
④大斷面和高錳鋼等
用氧乙炔焰氣割。
二、試樣的熱處理
取下來的試樣有的可直接進行磨制，有的尚需按照相應的標準經熱處理后才能進行磨制，如檢驗鋼的本質晶粒度、非金屬夾雜物、碳化物不均勻等。
1.本質晶粒度試樣的熱處理
（1）滲碳法——用于低碳鋼。
（2）網狀鐵素體法——用于中碳鋼。
（3）網狀屈氏體法——用于共析鋼。
（4）網狀滲碳體法——用于過共析鋼。
（5）氧化法——
1°木炭氧化法 將拋光試樣用木炭覆蓋，加熱至930℃，保溫3h后再將木炭抖掉，在爐膛中氧化5min后水淬。
2°真空氧化法 將拋光試樣在真空中或惰性氣體中加入至930℃，保溫3h后，再通入空氣，經30～60s短時間氧化，最后水淬。
3°熱浸氧化法 將試樣在預先脫氧良好的鹽浴中加熱至930℃，保溫3h，再將試樣移入具有弱氧化作用的鹽浴中浸蝕。浸蝕溫度仍為930℃，浸蝕時間為2～5min，取出后油淬，最后用水清洗、吹干，置于金相顯微鏡下觀察。
（6）直接浸蝕法——
2、非金屬夾雜物試樣的熱處理
3、碳化物不均勻度試樣的熱處理
二、鑲嵌
1.機械夾持法
適用于表層檢驗，不易產生倒角。
要求：夾具的硬度略高于試樣（低、中碳鋼均可）；墊片多用銅或鋁質；墊片的電極電位略高于試樣。
2.塑料鑲嵌法
一種是用環氧樹脂在室溫鑲嵌；一種是在專用的鑲嵌機上進行。
（1）環氧樹脂鑲嵌
要求:材料為環氧樹脂+固化劑+磨料；用于較硬且熱敏感性不高的材料。
（2）鑲嵌機鑲嵌
是在專用的鑲嵌機上進行鑲嵌。鑲嵌機由加熱、加壓、壓模裝置組成。
（3）低熔點合金鑲嵌
配制合金→熔化澆注即可。
上圖為金相試樣冷鑲嵌模具
一、磨光
目的是得到光滑平整的表面。
1.粗磨
目的：將取樣形成的粗糙表面和不規則外形休整成形。
要點：
（1）根據檢驗目的確定磨面方向。
（2）可手工或機械磨制。手工磨制常用于較軟的有色金屬及其合金，采用的工具為銼刀或粗砂紙。機械磨制常用于鋼鐵材料，采用的工具為砂輪。機械磨制時，應注意冷卻試樣，否則發熱易導致金屬內部組織變化。
2.手工細磨
手工細磨是在由粗到細的砂紙上進行。
要點：砂紙平鋪在玻璃板、金屬、塑料或木板上，一手緊壓砂紙，另一手平穩拿住試樣，將磨面輕壓砂紙，向前推移，然后提起、拉回。拉回時試樣不得基礎砂紙，不可來回磨削，否則易磨成弧形，得不到平整的磨面。
金相砂紙規格見教材。
手工細磨時應注意：
（1）粗磨后的試樣須清洗、吹干后進行細磨，直到得到方向一致的磨痕，再更換更細的砂紙，并轉90°后繼續磨制。
（2）磨制時壓力不能過大，否則磨痕過深、發熱嚴重。
（3）磨制軟材料時，應在砂紙上滴潤滑劑。
（4）磨過硬材料的砂紙不得用于軟材料的磨制。
3.機械細磨
常用裝置有預磨機、蠟盤、預磨膏。
（1）預磨機細磨
把由粗到細的水砂紙置于旋轉盤上，加水潤滑兼冷卻，試樣磨面輕壓在砂紙上，沿徑向移動試樣并與旋轉方向相反轉動，待粗磨痕消失，新磨痕一致即可。
水砂紙與金相砂紙的規格不同。
（2）蠟盤細磨
把石蠟、磨料加熱攪拌均勻，使成糊狀，澆注到預磨機或拋光機上，約5～10mm厚，待冷卻后刮平后即可使用。
二、拋光
金相試樣磨制的最后一道工序。拋光方式有機械拋光、電解拋光、化學拋光、綜合拋光等。
（一）機械拋光
目前應用最為廣泛，分為粗拋和精拋（拋光粉顆粒大小不同）。較軟的金屬必須粗磨和精磨，對鋼鐵材料僅粗磨即可。
1.機械拋光設備
國產拋光機有單盤P-1和雙盤P-2型，都是由電動機（0.18KW）帶動旋轉盤，轉速為1350r/min。旋轉盤由銅或鋁制成，直徑200～250mm。
2.拋光原理
（1）磨削作用:圖1-15。
（2）滾壓作用：甩出拋光微粉在織物與磨面間滾動，實現滾壓作用。
3.拋光微粉
4.拋光織物（拋光布）
作用：
1）織物纖維能嵌存拋光粉，能防止磨粉不因離心力而散失。
2）能貯存部分潤滑劑。
3）織物纖維與磨面間磨削，能使磨面更加光亮。
5.拋光操作
1）在拋光時，試樣和操作者雙手及拋光用具必須洗凈，以免將粗砂粒帶入拋光盤。
2）拋光微粉懸浮液的濃度一般為5～15%的拋光粉蒸餾水懸浮液，裝在瓶中，使用時搖動，滴入拋光盤中心。
3）拋光盤濕度是以提起試樣，磨面上的水膜在2～3s自行蒸發干為宜。
4）拋光時試樣磨面應平穩輕壓于拋光盤中心附近，沿徑向緩慢往復移動，并逆拋光盤旋轉方向輕微轉動，以防磨面產生曳尾。
5）極軟極硬金屬的磨制特點
對于銅、鋁、鉛等金屬及其合金，試樣制備時易引起金屬形變層，使金屬擾亂層加厚。常采用手工取樣，手工粗磨，使用新砂紙手工細磨，并在砂紙上滴以潤滑劑。
對于硬質合金試樣，常采用60目軟質碳化硅砂輪粗磨；在主貼盤上灑以200目碳化硼或金剛石粉細磨試樣，并滴入機油潤滑，約2～3min即可；最后在特制的塑料拋光盤上拋光2～3min，拋光時涂以金剛石研磨膏，也可在金屬拋光盤上蒙上尼龍布，再涂金剛石研磨膏進行拋光。
6）鑄鐵及非金屬夾雜物試樣的拋光
鑄鐵中的石墨及金屬中的非金屬夾雜物，在拋光時易拖尾、擴大、剝落，因此多用手工細磨，用肥皂作潤滑劑；也可用蠟盤代替手工細磨，但是必須選用短纖維拋光布。
上圖為機械拋光后的試樣
（二）電解拋光
利用電解方法，以試樣表面作為陽極，逐漸使凹凸不平的磨面溶解成光滑平整的表面。適用于硬度較低的單相合金、容易產生塑性變形而引起加工硬化的金屬材料，如奧氏體不銹鋼、高錳鋼、有色金屬和易剝落硬質點的合金等的試樣拋光。
1.電解拋光裝置
包括陽極（試樣）、陰極、攪拌器、電解槽、電解液、電流計等部件。
2.電解拋光原理
電解拋光是電化學過程，是一個復雜的物理化學過程，其理論尚不完善。常用薄膜理論來解釋。
電解拋光的進行須依賴于穩定的薄膜，這就需要弄清楚電解拋光特性曲線。
（1）第一類電解拋光特性曲線
（2）第二類電解拋光特性曲線
3.電解拋光介質
電解液液的種類很多，按使用溫度不同分為冷電解拋光液和熱電解拋光液。
4.電解拋光操作
（1）試樣準備 粗磨→細磨至02號金相砂紙；選擇電解液；檢查線路等。
（2）電解拋光參數選擇
（3）電解拋光注意事項
（三）化學拋光
1.化學拋光原理
化學拋光僅使磨面光滑，并不使磨面平坦，溶解速度比電解拋光慢，拋光時間較長。
2.化學拋光液及拋光操作
（四）綜合拋光
1.化學機械拋光
把化學拋光液沖淡成1︰2或1︰10，并加入適量拋光粉，在機械拋光盤上進行拋光。
2.電解機械拋光
在化學機械拋光時，在試樣與拋光盤之間接以直流電源，電解液同時起電解液的作用，用電解來加速拋光過程。
上圖為某型號的電解拋光儀
組織的顯示方法很多，可分為化學顯示、電解顯示等
一、化學顯示法（化學浸蝕法）
將拋光好的試樣磨面浸入化學試劑中或用化學試劑擦拭試樣磨面，顯示出纖維組織的方法。
（一）化學浸蝕原理
化學浸蝕是一個電化學溶解過程。在金屬中晶粒與晶粒之間、晶粒與晶界之間、各相間的物理化學性質不同，自由能不同，在電解質溶液中則具有不同的電極電位，可組成微電池。較低電位部分是微電池的陽極，溶解較快。溶解的地方則凹陷或沉積反應產物而著色。在顯微鏡下觀察時，光線在晶界處被散射，不能進入物鏡而顯示出黑色晶界，而其它地方呈白色。
1.純金屬及單相合金的浸蝕
2.多相合金的浸蝕
多相合金的浸蝕比較復雜，不僅有選擇性的化學腐蝕作用，同時還有電化學腐蝕作用。
例如片狀珠光體組織中，鐵素體的電極電位低于滲碳體的電極電位，在稀硝酸浸蝕劑中鐵素體為陽極，滲碳體為陰極。當浸蝕時間適當時，鐵素體被均勻地溶去一薄層，但在兩相交界處則被腐蝕較深呈現凹陷，若在高倍顯微鏡下觀察時，能看到滲碳體周圍有一圈黑線圍繞著，顯示兩相邊界。若降低放大倍數，當物鏡鑒別能力小于滲碳體片層厚度時，只能看出一條條黑線（這些黑線是滲碳體邊緣的兩條邊界線）。若物鏡兼備能力小于珠光體層間距時，則珠光體無法分辨，而呈現黑色塊狀。
（二）化學浸蝕劑
種類繁多，是酸、堿、鹽類的混合溶液。
（三）浸蝕操作
一般浸蝕操作過程：沖洗拋光試樣→酒精擦洗→浸蝕→沖洗→酒精擦洗→吹干。
1.浸蝕方式
浸蝕方式有浸入法、擦拭法兩種。
2.浸蝕操作時的注意事項
（1）浸蝕時間及其深淺程度
（2）金屬擾亂層的消除
（3）試樣浸蝕后的清洗和保存
二、電解顯示法
某些貴金屬及其合金，化學穩定性很高，難以用化學浸蝕法顯示組織，可采用電解浸蝕法。如純鋁、純銀、金及其合金，不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金等的浸蝕。
三、其它顯示法
（一）著色顯示的基本原理
首先使試樣拋光表面形成一層程度不等的薄膜，通過薄膜干涉而增加各相之間的襯度，并使之具有不同的色彩。
（二）著色顯示方法
1.熱染法
將拋光后的試樣在空氣中加熱（＜500℃），使拋光面形成厚薄不勻的氧化膜。在顯微鏡下觀察時，由于薄膜的干涉現象，便呈現不同的色彩。
熱染顯示的步驟：
（1）清洗
（2）氧化
（3）冷卻
2.化學著色法
3.真空鍍膜法（氣相沉積法）
4.恒電位浸蝕法
在恒定的正極電位下，在一定成分的電解液中，經一定時間，只對某一相進行選擇浸蝕的過程，不受另一相的影響，而且也不受相 的相對量多少的影響，都能清晰呈現組織。
5.離子濺射法
離子濺射法是在專用的氣體-離子反應室中進行。
在不允許破壞取樣檢驗，可采用膠膜復型法。該法的優點是：
1.操作迅速簡便，可在現場復制一個可供觀察的薄膜樣品。
2.復型不受工件尺寸和形狀限制。
3.復型顯示的組織清晰，也可拍攝金相照片。
4.復型所需材料、設備簡單，可在金相顯微鏡或生物顯微鏡下觀察。
一、膠膜復型的原理
二、膠膜復型制作技術
（一）試樣表面的磨制和浸蝕
用大型工件金相檢查儀進行粗磨、細磨、電解拋光、深度浸蝕。
（二）膠質溶液的配制
兩種方法：
1.將醋酸纖維或硝酸纖維透明膠片剪碎，用3×10-4～5×10-4kg溶于10ml乙酸乙酯或丙酮中，即成透明膠紙溶液。
2.將去除乳劑的照相膠片3×10-4～5×10-4kg，加入10ml三氯甲烷中，攪拌溶解后成為白色膠紙溶液，再加入2～3ml酒精，攪拌后即成無色透明膠紙溶液。
【宏觀檢驗】用肉眼或放大鏡檢驗金屬表面或斷口的宏觀缺陷的方法，也稱宏觀分析或低倍組織檢驗。
宏觀檢驗的內容：
1.鑄態結晶組織。表層細晶區、柱狀晶區、中心等軸晶區。
2.鑄件凝固時形成的氣孔、縮孔、疏松等缺陷。
3.某些元素的宏觀偏析，如鋼中的硫、磷偏析等。
4.壓力加工形成的流線、纖維組織。
5.熱處理件的淬硬層、滲碳層和脫碳層等。
6.各種焊接缺陷以及夾雜物、白點、發紋、斷口等。
一、熱酸浸蝕法
1.試樣制備
酸浸蝕試樣制備時取樣部位及數量按有關標準進行，并嚴防溫度升高而引起組織變化。切取試樣用鋸、剪、氣割和砂輪切割等方式。
2.試劑
3.浸蝕時間
浸蝕時間與鋼材成分、狀態、表面粗糙度、檢驗目的和試劑新舊程度等有關，以低倍組織能清晰呈現為宜，一般為10～40min。
4.清洗
熱水刷洗→堿水刷洗→熱水刷洗→吹干。
5.熱酸浸蝕的基本原理
二、硫印實驗法
1.硫印的基本原理
2.硫印操作
（1）配制2～5%硫酸水溶液。
（2）切取略大于試樣表面的印相紙，浸入硫酸水溶液中1～2min。……
（3）經3～5min，取下印相紙，進行水洗、定影、沖洗、上光干燥。
非金屬夾雜物對鋼材的危害：
1.導致應力集中，引起疲勞斷裂。
2.降低塑性、韌性、焊接性、耐腐蝕性，易發生點蝕。
3.沿晶界分布的硫化物將引起熱脆。
一、非金屬夾雜物的分類
1.按夾雜物的來源分
（1）內在夾雜物
①在鋼冶煉過程中的脫氧產物；②冶煉過程中溶解的硫、氧、氮形成的化合物。③鋼液內的反應產物和冷卻時的析出物。
（2）外來夾雜物
鋼在冶煉過程中，由煉鋼爐、出鋼槽、盛鋼桶等內壁脫落物。
2.按夾雜物的化學成分分
（1）氧化物系
（2）硫化物系
（3）氮化物
3.按夾雜物的塑性分
（1）塑性夾雜物 在壓力加工過程中，成帶狀、斷續條狀、紡錘狀等，如FeS等。
（2）脆性夾雜物 在壓力加工過程中，成破裂串，如AL2O3等。
（3）不變形夾雜物 如SiO2等。
二、非金屬夾雜物的鑒定方法
分為宏觀和微觀兩種方法。
1.宏觀鑒別方法
熱酸浸蝕、冷酸浸蝕、硫印、超聲波、磁粉探傷、斷口分析等。
2.微觀鑒別方法
化學分析、巖相法、金相法、X射線結構分析法、電子顯微鏡觀察法、電子探針法等。
三、非金屬夾雜物的金相鑒定
1.試樣準備
（1）取樣部位和數量按相應標準執行。
（2）磨制前經淬火和低溫回火提高基體硬度，以免磨制時非金屬夾雜物脫落。
（3）輕磨輕拋，短時完成。（拋光布用短纖維、拋光粉用氧化鎂等）
（4）拋光后→洗凈→吹干→直接觀察。
2.非金屬夾雜物的主要特征
（1）形狀
①球狀FeO、SiO2→圖6-1。
②方形、長方形、三角形、六角形、樹枝狀等圖6-2
（2）夾雜物分布
成群聚集——Cr2O3；孤立分散——硅酸鹽；
排列成串——AL2O3、FeO-MnO；沿晶分布——FeS、FeS-FeO共晶；
鏈狀分布——AL2O3；
（3）夾雜物的透明度與色彩
夾雜物分為：
透明——硅酸鹽、二氧化硅、硫化錳等。在暗場下明亮，色彩鮮明。圖6-4。
半透明——
不透明——氮化物、硫化鐵。在暗場下呈暗黑色、白色兩邊。圖6-5。
（4）在偏振光下的各向異性效應
夾雜物有各向異性、各向同性之分。
各向異性的夾雜物在正交偏振光下，當轉動顯微鏡的載物臺360°時，產生對稱的四次發光和消光現象。
（5）夾雜物的黑十字現象
球狀透明各向同性夾雜物，在正交偏振光下呈現獨特的黑十字現象。
（6）夾雜物的硬度、塑性、拋光性
用纖維硬度計測量，初步判斷。
（7）夾雜物的化學性能
根據夾雜物的抗蝕性不同。
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