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金相檢驗基礎與實踐

2024-12-24 11:23:25 作者：熱處理生態圈來源：熱處理生態圈分享至：

01 金相基礎知識

金相分析含義

金相分析（Metallographic Analysis）是材料科學與工程領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構。通過金相分析，可以獲取材料內部的晶粒形態、相分布、夾雜物、孔隙、析出物、變形特征以及其他微觀結構特征的信息。這些微觀結構直接影響材料的機械性能、物理性能以及化學性能，因此金相分析在材料設計、質量控制、失效分析等方面具有重要作用。金相分析在生產實際中常常稱為金相檢驗，在材料研發、生產過程控制、故障診斷和質量保證中都是不可或缺的工具。

金相檢驗的基礎

首先要明確金屬和合金在固態下，通常都是晶體。

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

晶體通常具有如下的特征：

1.均勻性；

2.各向異性；

3.能自發地組成多面體外形；

4.具有確定的熔點；

5.晶體的理想外形和內部結構都具有特定的對稱性；

6.對X射線產生衍射效應。

金相檢驗的基礎包括樣品制備、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試劑揭示材料的微觀結構。顯微觀察通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）獲取樣品圖像。圖像分析則通過軟件對顯微圖像進行定量和定性分析，以評估材料的微觀結構和性能。

晶格的分類

立方晶格（Cubic）：立方晶格是最對稱的晶格結構，其單位晶胞的三個邊長相等，且每個角度都是90度。常見的立方晶格類型包括簡單立方晶格（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邊長與另兩個邊長相等，且角度都是90度。四方晶格包括簡單四方晶格和體心四方晶格。簡單四方晶格的原子排列較為簡單，而體心四方晶格則在簡單四方晶格的基礎上，在中心位置添加了一個額外的原子，使結構更復雜。

正交晶格（Orthorhombic）：正交晶格的單位晶胞三個軸都互相垂直，但邊長不相等。常見的正交晶格類型包括簡單正交晶格、體心正交晶格（BCO）和面心正交晶格（FCO）。體心正交晶格在簡單正交晶格的基礎上添加了一個中心原子，而面心正交晶格則在每個面中心有額外的原子，形成更復雜的結構。

單斜晶格（Monoclinic）：單斜晶格的單位晶胞具有兩個軸互相垂直，第三個軸與這兩個軸不垂直的特征。該晶格類型包括簡單單斜晶格和體心單斜晶格。體心單斜晶格在簡單單斜晶格中添加了一個中心原子，使得結構更加復雜。

三斜晶格（Triclinic）：三斜晶格是最復雜的晶格類型，其單位晶胞的三個軸長度和相互夾角都不相等。沒有任何軸與其他軸垂直，導致其晶胞形狀較為不規則。三斜晶格的結構具有最低的對稱性，因此在自然界中相對少見。

六方晶格（Hexagonal）：六方晶格的單位晶胞具有兩個邊長相等，且底面為正六邊形的結構。其軸長不同于底面軸，角度為120度和90度。簡單六方晶格中的原子排列在一個六邊形的底面上，結構具有較高的對稱性。

羅頓晶格（Rhombohedral）：羅頓晶格的單位晶胞中的三個軸長度相等，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像一個“斜方立方體”，但所有邊長相等的特點使其成為一種對稱的晶格結構。

Fe-C相圖

相圖中特性點符號及含義

特性點	溫度（℃）	含碳量（%）	特性點的含義
A	1538	0	純鐵的熔點
B	1495	0.53	包晶轉變的液態合金成分
C	1148	4.30	共晶點
D	1227	6.69	滲碳體熔點
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
G	912	0	a-Fe← →r-Fe同素異構轉變點
H	1495	0.09	碳在ð-Fe中最大溶解度
J	1495	0.17	包晶點
K	727	6.69	Fe3C的成分
N	1394	0	r-Fe ← →ð-Fe同素異構轉變點
P	727	0.0218	碳在ɑ-Fe中最大溶解度
S	727	0.77	共析點
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	線名及含義
1	AC線，液體向奧氏體轉變的開始線，即：L→A
2	CD線，液體向滲碳體轉變的開始線，即：L→Fe3CI ACD線統稱為液相線，在此線以上合金全部處于液相狀態，用符號L表示。
3	AE線，液體向奧氏體轉變的終止線。
4	ECF線，水平線、共晶線。 AECF線統稱為固相線，液體合金冷卻至此線，全部結晶為固體，此線下為固相區
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

1.單相區，簡化的Fe-Fe3C相圖中有F、A、L和Fe3C四個單相區。

2.兩相區，簡化的Fe-Fe3C相圖中有L+A、L+Fe3C、A+F、A+FeC和F+Fe3C五個兩相區。

每個兩相區都與相應的兩個單相區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	力學性能	容碳量
鐵素體F	碳在ɑ-Fe中的間隙固溶體	強度、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%

鋼在加熱和冷卻時臨界溫度的定義

鋼

AC1 – 加熱時，珠光體向奧氏體轉變的開始溫度。

Ar1 – 冷卻時，奧氏體向珠光體轉變的開始溫度。

AC3 – 加熱時，先共析鐵素體全部轉變為奧氏體的終止溫度。

Ar3 – 冷卻時，奧氏體開始析出先共析鐵素體的溫度。

Accm – 加熱時，二次滲碳體全部融入奧氏體的終止溫度。

Arcm – 冷卻時，奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。

通常把加熱時的臨界溫度加注下標“C”，冷卻時的臨界溫度加注下標為“r”

鐵碳合金的七種類型

1.工業純鐵：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。因為體心立方晶格的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0.005%，隨著溫度升高，溶解度略有增加，在727度時達到最大值，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。因為面心立方晶格的γ-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度時為0.77%，在1148度時達到最大值2.11%。

奧氏體塑性很好，強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%，熔點約為1227度，晶體結構復雜，硬度很高，脆性極大，幾乎沒有塑性。

一般來說，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。通過熱處理可以使滲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。當冷卻至727度時，萊氏體中的奧氏體將轉變為珠光體。

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

02 金相檢驗設備

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。放大率與物鏡和目鏡的焦距乘積成反比。

物鏡：顯微鏡成象質量主要決定于物鏡的優劣，因此它是顯微鏡中的最重要的光學零件。

物鏡的分辨率：是指將試樣上細微組織構成清晰可分的能力。

象差：一般實用光束均要有一定寬度，而且物體的發光點也不可能全部都用在光軸上，對不同波長的光折射率也不相同。因此，實際的光學系統與近軸光學系統所得圖像有所偏差。

目鏡：是將物鏡放大的中間象再次放大。

放大倍數=物鏡放大倍數×目鏡放大倍數。

觀察：為了保證在聚焦過程中物鏡不觸及試樣的操作次序是先調節粗動螺絲使物鏡接近試樣，再通過目鏡觀察試樣時用微動螺絲進行調節。

2. 金相顯微鏡的光學系統

3. 金相組織檢驗方法

《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備的結構原理，使用方法，嚴守操作規程；

2）操作時雙手要干凈，試樣的觀察面應用酒精沖洗并吹干；

3）操作顯微鏡時，對鏡頭要輕拿輕放，不用的鏡頭應隨時放入盒中，不能用手觸摸鏡頭；

4）調整焦距時，應先輕輕轉動粗調，使物鏡和觀察面盡量靠近，并從目鏡對焦，然后輕輕轉動微調，直到調節成像清晰為止。在調節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，應及時將物鏡、目鏡卸下，放入盒中，最后切斷電源。

5. 金相顯微鏡的維護

1）金相顯微鏡的工作地點必須干燥、少塵、少震動，不應放在陰暗潮濕的地方，也不應受陽光暴曬；

2）不宜靠近揮發性、腐蝕性等化學藥品，以免造成腐蝕環境；

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

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

5）陰暗潮濕的空氣對顯微鏡危害很大，會造成部件生銹、發霉，以致報廢；

6）機械部分不要隨意拆卸，經常加潤滑油，以保證正常運轉。

金相切割機

1. 使用方法

1）右手將手柄抬起，左手將支撐板脫開支撐點，這時右手握住手柄使試樣漸漸接近砂輪片，進行切割；

2）切割時，冷卻液必須對準試樣的切割位置，并同時保持均勻進給。冷卻液的大小也應調節至切割要求，以免溢出機外；

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

2. 維護與保養

1）嚴禁使用已有裂紋或破損的砂輪片進行切割。

2）不宜在沒有冷卻液或冷卻液不充分的情況下切割。

3）切割機應每天做好清潔保養工作，各轉動處在操作前應注入潤滑油。

4）機體內積屑及垃圾應經常清除，使排水暢通。

金相鑲嵌機

1. 使用方法

1）接通電源開關；

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，恒溫一定時間，使試樣成形；

3）松開八角旋鈕及蓋板，頂出試樣，并在十分安全的情況下取出試樣；

4）如需調整設定溫度時，可根據需要按鍵進行調整設定溫度值，其他參數均不需要調整。

2. 維護與保養

1）每次使用完畢，及時做好清潔保養工作，嚴禁使用帶有腐蝕性的液體進行清洗，清潔后的鋼模套內腔和上下模應涂上油脂，防止銹蝕。

2）對絲杠、花鍵套等轉動、移動部位必須定期加油潤滑，連續使用3～5次，以免在操作時產生卡死和超負荷現象，損壞機件。

金相預墨機

1. 使用方法

1）調節水旋鈕，讓水不停地流入磨盤；

2）磨盤注入適量水后，放入砂紙；

3）接通開關磨盤旋轉后，進行磨光工作；

4）放入不同型號的砂紙，由粗至細連續進行磨光；

5）使用的砂紙以水砂紙最為適宜。

2. 維護與保養

1）不允許使用已破損的砂紙，以免影響磨光時的安全。

2）及時清除底座中的沉積物以利于排水，不使用時應及時蓋好塑料蓋。

3）長期使用后應及時更換軸承的潤滑油。

金相拋光機

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上，并在粘貼前先在盤上涂少量的機油，為保證使用安全，一般呢絨類織物采用粘貼法；

3）將罩緊壓在盤內，并在織物表面滴上適量的拋光液或拋光膏與水，接通電源開關，進行拋光工作；

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

2. 維護與保養

1）在使用時不允許對試樣加過大的壓力，以免電動機過載而導致電動機損壞。

2）拋光織物應緊貼在拋光盤上，不允許使用已破損的織物，以免在拋光時試樣有飛出去的危險。

3）在不使用時應及時清理排污通道的沉積物做好清潔保養工作。

4）長期使用后，應及時更換電動機潤滑油。

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。切割使用適當的工具將樣品切割成小塊，鑲嵌是將樣品固定在樹脂中以便于后續處理，研磨和拋光步驟通過逐步使用細粒度磨料和拋光劑來獲得鏡面般的表面。腐蝕處理則利用化學試劑揭示材料的微觀結構。制備過程中，常用的標準包括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》。這些標準確保了試樣制備的規范性和一致性。