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金相檢驗(yàn)基礎(chǔ)與實(shí)踐

2024-12-24 11:23:25 作者：熱處理生態(tài)圈來(lái)源：熱處理生態(tài)圈分享至：

01 金相基礎(chǔ)知識(shí)

金相分析含義

金相分析（Metallographic Analysis）是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中的一種重要研究方法，主要用于研究和表征金屬及其合金的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)金相分析，可以獲取材料內(nèi)部的晶粒形態(tài)、相分布、夾雜物、孔隙、析出物、變形特征以及其他微觀結(jié)構(gòu)特征的信息。這些微觀結(jié)構(gòu)直接影響材料的機(jī)械性能、物理性能以及化學(xué)性能，因此金相分析在材料設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、失效分析等方面具有重要作用。金相分析在生產(chǎn)實(shí)際中常常稱為金相檢驗(yàn)，在材料研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程控制、故障診斷和質(zhì)量保證中都是不可或缺的工具。

金相檢驗(yàn)的基礎(chǔ)

首先要明確金屬和合金在固態(tài)下，通常都是晶體。

晶體就是原子在三維空間中有規(guī)則作周期重復(fù)排列的物質(zhì)，就是說(shuō)，在金屬和合金中，原子的排列都是有規(guī)則的，而不是雜亂無(wú)章的。

晶體通常具有如下的特征：

1.均勻性；

2.各向異性；

3.能自發(fā)地組成多面體外形；

4.具有確定的熔點(diǎn)；

5.晶體的理想外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特定的對(duì)稱性；

6.對(duì)X射線產(chǎn)生衍射效應(yīng)。

金相檢驗(yàn)的基礎(chǔ)包括樣品制備、腐蝕處理、顯微觀察和圖像分析。樣品制備涉及切割、鑲嵌、研磨和拋光，以獲得平滑的表面。腐蝕處理使用特定的化學(xué)試劑揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)。顯微觀察通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）獲取樣品圖像。圖像分析則通過(guò)軟件對(duì)顯微圖像進(jìn)行定量和定性分析，以評(píng)估材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

晶格的分類

立方晶格（Cubic）：立方晶格是最對(duì)稱的晶格結(jié)構(gòu)，其單位晶胞的三個(gè)邊長(zhǎng)相等，且每個(gè)角度都是90度。常見(jiàn)的立方晶格類型包括簡(jiǎn)單立方晶格（SC）、體心立方晶格（BCC）和面心立方晶格（FCC）。體心立方晶格中的原子不僅位于立方體的角落，還位于中心，而面心立方晶格在角落和每個(gè)面中心都布滿了原子，這使得FCC晶格的密度通常較高。

四方晶格（Tetragonal）：四方晶格的單位晶胞具有一個(gè)邊長(zhǎng)與另兩個(gè)邊長(zhǎng)相等，且角度都是90度。四方晶格包括簡(jiǎn)單四方晶格和體心四方晶格。簡(jiǎn)單四方晶格的原子排列較為簡(jiǎn)單，而體心四方晶格則在簡(jiǎn)單四方晶格的基礎(chǔ)上，在中心位置添加了一個(gè)額外的原子，使結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

正交晶格（Orthorhombic）：正交晶格的單位晶胞三個(gè)軸都互相垂直，但邊長(zhǎng)不相等。常見(jiàn)的正交晶格類型包括簡(jiǎn)單正交晶格、體心正交晶格（BCO）和面心正交晶格（FCO）。體心正交晶格在簡(jiǎn)單正交晶格的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)中心原子，而面心正交晶格則在每個(gè)面中心有額外的原子，形成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

單斜晶格（Monoclinic）：?jiǎn)涡本Ц竦膯挝痪О哂袃蓚€(gè)軸互相垂直，第三個(gè)軸與這兩個(gè)軸不垂直的特征。該晶格類型包括簡(jiǎn)單單斜晶格和體心單斜晶格。體心單斜晶格在簡(jiǎn)單單斜晶格中添加了一個(gè)中心原子，使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

三斜晶格（Triclinic）：三斜晶格是最復(fù)雜的晶格類型，其單位晶胞的三個(gè)軸長(zhǎng)度和相互夾角都不相等。沒(méi)有任何軸與其他軸垂直，導(dǎo)致其晶胞形狀較為不規(guī)則。三斜晶格的結(jié)構(gòu)具有最低的對(duì)稱性，因此在自然界中相對(duì)少見(jiàn)。

六方晶格（Hexagonal）：六方晶格的單位晶胞具有兩個(gè)邊長(zhǎng)相等，且底面為正六邊形的結(jié)構(gòu)。其軸長(zhǎng)不同于底面軸，角度為120度和90度。簡(jiǎn)單六方晶格中的原子排列在一個(gè)六邊形的底面上，結(jié)構(gòu)具有較高的對(duì)稱性。

羅頓晶格（Rhombohedral）：羅頓晶格的單位晶胞中的三個(gè)軸長(zhǎng)度相等，但軸間夾角不為90度，通常是60度或120度。雖然在幾何上看起來(lái)像一個(gè)“斜方立方體”，但所有邊長(zhǎng)相等的特點(diǎn)使其成為一種對(duì)稱的晶格結(jié)構(gòu)。

Fe-C相圖

相圖中特性點(diǎn)符號(hào)及含義

特性點(diǎn)	溫度（℃）	含碳量（%）	特性點(diǎn)的含義
A	1538	0	純鐵的熔點(diǎn)
B	1495	0.53	包晶轉(zhuǎn)變的液態(tài)合金成分
C	1148	4.30	共晶點(diǎn)
D	1227	6.69	滲碳體熔點(diǎn)
E	1148	2.11	碳在奧氏體中最大溶解度
F	1148	6.69	共晶滲碳體成分點(diǎn)
G	912	0	a-Fe← →r-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)
H	1495	0.09	碳在ð-Fe中最大溶解度
J	1495	0.17	包晶點(diǎn)
K	727	6.69	Fe3C的成分
N	1394	0	r-Fe ← →ð-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)
P	727	0.0218	碳在ɑ-Fe中最大溶解度
S	727	0.77	共析點(diǎn)
Q	室溫	0.0008	室溫下碳在鐵素體中溶解度

相圖主要特性線

序號(hào)	線名及含義
1	AC線，液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線，即：L→A
2	CD線，液體向滲碳體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始線，即：L→Fe3CI ACD線統(tǒng)稱為液相線，在此線以上合金全部處于液相狀態(tài)，用符號(hào)L表示。
3	AE線，液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終止線。
4	ECF線，水平線、共晶線。 AECF線統(tǒng)稱為固相線，液體合金冷卻至此線，全部結(jié)晶為固體，此線下為固相區(qū)
5	ES線，又稱Acm線，是碳在奧氏體中溶解度曲線，即：L→Fe3CII
6	GS線，又稱A3線。
7	GP線，是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終止線。
8	PSK線，共析線，又稱A1線。
9	PQ線，碳在鐵素體中的溶解度曲線。

相圖的相區(qū)

1.單相區(qū)，簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖中有F、A、L和Fe3C四個(gè)單相區(qū)。

2.兩相區(qū)，簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖中有L+A、L+Fe3C、A+F、A+FeC和F+Fe3C五個(gè)兩相區(qū)。

每個(gè)兩相區(qū)都與相應(yīng)的兩個(gè)單相區(qū)有相鄰兩條三相共存線，即：

共晶線：ECF、L、A和Fe3C三相共存。

共析線：PSK、A、F和Fe3C三相共存。

鐵碳合金的基本相

基本相	定義	力學(xué)性能	容碳量
鐵素體F	碳在ɑ-Fe中的間隙固溶體	強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好	最大0.02%
奧氏體A	碳在γ-Fe中的間隙固溶體	硬度低、塑性好	最大2.14%
滲碳體Fe3C	Fe與C的金屬化合物	硬而脆	最大6.7%

鋼在加熱和冷卻時(shí)臨界溫度的定義

鋼

AC1 – 加熱時(shí)，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度。

Ar1 – 冷卻時(shí)，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度。

AC3 – 加熱時(shí)，先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終止溫度。

Ar3 – 冷卻時(shí)，奧氏體開(kāi)始析出先共析鐵素體的溫度。

Accm – 加熱時(shí)，二次滲碳體全部融入奧氏體的終止溫度。

Arcm – 冷卻時(shí)，奧氏體開(kāi)始析出二次滲碳體的溫度。

通常把加熱時(shí)的臨界溫度加注下標(biāo)“C”，冷卻時(shí)的臨界溫度加注下標(biāo)為“r”

鐵碳合金的七種類型

1.工業(yè)純鐵：w（C）﹤0.0218%

2.共析鋼：w（C）=0.77%

3.亞共析鋼：w（C）=0.021%～0.77%

4.過(guò)共析鋼：w（C）=0.77%～2.11%

5.共晶白口鐵：w（C）=4.30%

6.亞共晶白口鐵：w（C）=2.11%～4.30%

7.過(guò)共晶白口鐵：w（C）=4.30%～6.69%

鐵碳合金的基本組織

鐵素體：

碳溶于ɑ-Fe中的間隙式固溶體稱為鐵素體，常用F表示。因?yàn)轶w心立方晶格的ɑ-Fe總的間隙量雖大，但是間隙半徑卻很小，所以碳在ɑ-Fe中的溶解度極小，室溫下不超過(guò)0.005%，隨著溫度升高，溶解度略有增加，在727度時(shí)達(dá)到最大值，也僅有0.0218%。

鐵素體含碳量很低，其性能接近純鐵，是一種塑性、韌性高和強(qiáng)度、硬度低的組織。

奧氏體：

碳溶于γ-Fe中的間隙式固溶體稱為奧氏體，常用A表示。因?yàn)槊嫘牧⒎骄Ц竦?gamma;-Fe總的間隙量雖比ɑ-Fe的小，但空隙半徑比較大，所以能溶解較多的碳。碳在γ-Fe中的溶解度隨溫度升高而增加，在727度時(shí)為0.77%，在1148度時(shí)達(dá)到最大值2.11%。

奧氏體塑性很好，強(qiáng)度和硬度也比鐵素體高。

滲碳體：

滲碳體是鐵與碳的化合物，常用Fe3C表示。

滲碳體的含碳量為6.69%，熔點(diǎn)約為1227度，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬度很高，脆性極大，幾乎沒(méi)有塑性。

一般來(lái)說(shuō)，在鐵碳合金中，滲碳體越多，合金就越硬，越脆。

珠光體：

鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物叫做珠光體，常用P表示。珠光體的平均含碳量為0.77%。其性能介于鐵素體和滲碳體之間。一般情況下，珠光體中鐵素體和滲碳體呈片狀交替分布，稱為片狀珠光體。通過(guò)熱處理可以使?jié)B碳體呈顆粒狀分布在鐵素體基體上，叫做球狀珠光體或粒狀珠光體。

萊氏體：

由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（共晶體）叫做萊氏體，常用Ld表示。

萊氏體的平均含碳量為4.3%，因它以滲碳體為基體，其性能硬而脆。當(dāng)冷卻至727度時(shí)，萊氏體中的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。

鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的五個(gè)基體組織中，鐵素體、奧氏體和滲碳體是鐵碳合金的三個(gè)基本相，而珠光體和萊氏體則為基本相組成的機(jī)械混合物。

02 金相檢驗(yàn)設(shè)備

金相顯微鏡

1. 金相顯微鏡的放大原理

金相顯微鏡是由兩塊透鏡（物鏡和目鏡）組成，并借助物鏡、目鏡兩次放大，使物體得到較高的倍數(shù)。放大率與物鏡和目鏡的焦距乘積成反比。

物鏡：顯微鏡成象質(zhì)量主要決定于物鏡的優(yōu)劣，因此它是顯微鏡中的最重要的光學(xué)零件。

物鏡的分辨率：是指將試樣上細(xì)微組織構(gòu)成清晰可分的能力。

象差：一般實(shí)用光束均要有一定寬度，而且物體的發(fā)光點(diǎn)也不可能全部都用在光軸上，對(duì)不同波長(zhǎng)的光折射率也不相同。因此，實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)與近軸光學(xué)系統(tǒng)所得圖像有所偏差。

目鏡：是將物鏡放大的中間象再次放大。

放大倍數(shù)=物鏡放大倍數(shù)×目鏡放大倍數(shù)。

觀察：為了保證在聚焦過(guò)程中物鏡不觸及試樣的操作次序是先調(diào)節(jié)粗動(dòng)螺絲使物鏡接近試樣，再通過(guò)目鏡觀察試樣時(shí)用微動(dòng)螺絲進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2. 金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)

3. 金相組織檢驗(yàn)方法

《GB/T 13298-1991》

試樣的侵蝕-一般情況下顯示組織用4%硝酸酒精溶液侵蝕。
在顯微鏡下觀察鐵素體為均勻明亮的多邊形晶粒。
滲碳體不會(huì)被硝酸酒精溶液腐蝕，所以在顯微鏡下顯示白亮顏色。
珠光體在高倍顯微鏡下可以看到是條狀滲碳體分布于鐵素體機(jī)體上，在低倍顯微鏡下呈片層狀特征。

4. 金相顯微鏡的操作

1）操作者必須充分了解儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，使用方法，嚴(yán)守操作規(guī)程；

2）操作時(shí)雙手要干凈，試樣的觀察面應(yīng)用酒精沖洗并吹干；

3）操作顯微鏡時(shí)，對(duì)鏡頭要輕拿輕放，不用的鏡頭應(yīng)隨時(shí)放入盒中，不能用手觸摸鏡頭；

4）調(diào)整焦距時(shí)，應(yīng)先輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)，使物鏡和觀察面盡量靠近，并從目鏡對(duì)焦，然后輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)，直到調(diào)節(jié)成像清晰為止。在調(diào)節(jié)中必須避免物鏡和試樣磨面碰撞，損壞鏡頭；

5）顯微鏡使用完畢后，應(yīng)及時(shí)將物鏡、目鏡卸下，放入盒中，最后切斷電源。

5. 金相顯微鏡的維護(hù)

1）金相顯微鏡的工作地點(diǎn)必須干燥、少塵、少震動(dòng)，不應(yīng)放在陰暗潮濕的地方，也不應(yīng)受陽(yáng)光暴曬；

2）不宜靠近揮發(fā)性、腐蝕性等化學(xué)藥品，以免造成腐蝕環(huán)境；

3）在顯微鏡工作時(shí)，樣品上的殘留液體、油污必須去凈，如不慎玷污鏡頭，應(yīng)立即用棉花擦凈。油鏡頭用畢應(yīng)立即用二甲苯細(xì)心的揩凈；

4）物鏡、目鏡一般應(yīng)放在干燥皿中，如果有灰塵用吹灰球洗凈，然后用擦鏡紙擦干凈；

5）陰暗潮濕的空氣對(duì)顯微鏡危害很大，會(huì)造成部件生銹、發(fā)霉，以致報(bào)廢；

6）機(jī)械部分不要隨意拆卸，經(jīng)常加潤(rùn)滑油，以保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

金相切割機(jī)

1. 使用方法

1）右手將手柄抬起，左手將支撐板脫開(kāi)支撐點(diǎn)，這時(shí)右手握住手柄使試樣漸漸接近砂輪片，進(jìn)行切割；

2）切割時(shí)，冷卻液必須對(duì)準(zhǔn)試樣的切割位置，并同時(shí)保持均勻進(jìn)給。冷卻液的大小也應(yīng)調(diào)節(jié)至切割要求，以免溢出機(jī)外；

3）切割完畢將鋸架抬起到一定的高度，支撐板便自動(dòng)將鋸架支撐在一定位置，此時(shí)方可取下試樣。

2. 維護(hù)與保養(yǎng)

1）嚴(yán)禁使用已有裂紋或破損的砂輪片進(jìn)行切割。

2）不宜在沒(méi)有冷卻液或冷卻液不充分的情況下切割。

3）切割機(jī)應(yīng)每天做好清潔保養(yǎng)工作，各轉(zhuǎn)動(dòng)處在操作前應(yīng)注入潤(rùn)滑油。

4）機(jī)體內(nèi)積屑及垃圾應(yīng)經(jīng)常清除，使排水暢通。

金相鑲嵌機(jī)

1. 使用方法

1）接通電源開(kāi)關(guān)；

2）將需鑲嵌的試樣放置在下模，放入電玉粉或膠木粉，合上防護(hù)蓋板，旋緊八角旋鈕，使下模上升到壓力指示燈亮，恒溫一定時(shí)間，使試樣成形；

3）松開(kāi)八角旋鈕及蓋板，頂出試樣，并在十分安全的情況下取出試樣；

4）如需調(diào)整設(shè)定溫度時(shí)，可根據(jù)需要按鍵進(jìn)行調(diào)整設(shè)定溫度值，其他參數(shù)均不需要調(diào)整。

2. 維護(hù)與保養(yǎng)

1）每次使用完畢，及時(shí)做好清潔保養(yǎng)工作，嚴(yán)禁使用帶有腐蝕性的液體進(jìn)行清洗，清潔后的鋼模套內(nèi)腔和上下模應(yīng)涂上油脂，防止銹蝕。

2）對(duì)絲杠、花鍵套等轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)部位必須定期加油潤(rùn)滑，連續(xù)使用3～5次，以免在操作時(shí)產(chǎn)生卡死和超負(fù)荷現(xiàn)象，損壞機(jī)件。

金相預(yù)墨機(jī)

1. 使用方法

1）調(diào)節(jié)水旋鈕，讓水不停地流入磨盤(pán)；

2）磨盤(pán)注入適量水后，放入砂紙；

3）接通開(kāi)關(guān)磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)后，進(jìn)行磨光工作；

4）放入不同型號(hào)的砂紙，由粗至細(xì)連續(xù)進(jìn)行磨光；

5）使用的砂紙以水砂紙最為適宜。

2. 維護(hù)與保養(yǎng)

1）不允許使用已破損的砂紙，以免影響磨光時(shí)的安全。

2）及時(shí)清除底座中的沉積物以利于排水，不使用時(shí)應(yīng)及時(shí)蓋好塑料蓋。

3）長(zhǎng)期使用后應(yīng)及時(shí)更換軸承的潤(rùn)滑油。

金相拋光機(jī)

1.使用方法

1）取下蓋、罩和套圈，做好清潔工作；

2）將拋光織物粘貼在拋光盤(pán)上，并在粘貼前先在盤(pán)上涂少量的機(jī)油，為保證使用安全，一般呢絨類織物采用粘貼法；

3）將罩緊壓在盤(pán)內(nèi)，并在織物表面滴上適量的拋光液或拋光膏與水，接通電源開(kāi)關(guān)，進(jìn)行拋光工作；

4）在不使用時(shí)及時(shí)蓋上塑料蓋，以免灰塵或其他雜物落入拋光織物上影響拋光效果。

2. 維護(hù)與保養(yǎng)

1）在使用時(shí)不允許對(duì)試樣加過(guò)大的壓力，以免電動(dòng)機(jī)過(guò)載而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞。

2）拋光織物應(yīng)緊貼在拋光盤(pán)上，不允許使用已破損的織物，以免在拋光時(shí)試樣有飛出去的危險(xiǎn)。

3）在不使用時(shí)應(yīng)及時(shí)清理排污通道的沉積物做好清潔保養(yǎng)工作。

4）長(zhǎng)期使用后，應(yīng)及時(shí)更換電動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。

03 金相試樣的制備

金相試樣的制備

金相試樣的制備包括切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕處理等步驟，以確保樣品表面光滑且適合顯微觀察。切割使用適當(dāng)?shù)墓ぞ邔悠非懈畛尚K，鑲嵌是將樣品固定在樹(shù)脂中以便于后續(xù)處理，研磨和拋光步驟通過(guò)逐步使用細(xì)粒度磨料和拋光劑來(lái)獲得鏡面般的表面。腐蝕處理則利用化學(xué)試劑揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)。制備過(guò)程中，常用的標(biāo)準(zhǔn)包括ASTM E3《金相試樣的制備》、ISO 8688《金屬和合金金相試樣的制備方法》以及GB/T 13298《金屬材料金相試樣制備方法》。這些標(biāo)準(zhǔn)確保了試樣制備的規(guī)范性和一致性。

取樣注意事項(xiàng)：

試樣尺寸以磨面面積小于400平方毫米，高度以15—20mm為宜。試樣可以用手鋸、砂輪切割機(jī)、電火花切割機(jī)、車、銑、鋸等方式。脆而硬的金屬可以用錘擊法取樣。不論使用何種方法切割，均應(yīng)該注意不能使試樣由于變形或受熱導(dǎo)致組織發(fā)生變化。對(duì)于使用高溫切割的試樣，必須除去熱影響部分。

1.在金相試樣制備過(guò)程中，有許多試樣直接磨拋有困難，需要進(jìn)行鑲嵌。通常進(jìn)行鑲嵌的試樣有：形狀不規(guī)則的試樣、線材及板材，細(xì)小工件；表面處理及滲層、鍍層等。