第三章金相检验技术及设备

式中d—两点间的距离，λ—波长； A—数值 孔径。 可看出物镜数值孔径越大，波长越短，则显 微镜的鉴别率就越高。





（三）数值孔径 数值孔径通常以NxA表示，它表征着物镜的集光 能力。 物镜的数值孔径越大即表示透镜面积越大，则像就 越鲜明。这说明显微镜的鉴别能力主要取决于进人 物镜的光线所张开的角度，即决定于其角孔径的大 小。 数值孔径NxA=η x sinψ 式中η—介质的折光系数；ψ—角孔径的一半。 说明数值孔径的大小不仅与角孔径大小有关，还与 光所通过介质的折射率有关。介质的折射率大，则 物镜的数值孔径亦大，即鉴别率就相应提高。
金相砂纸编号及粒度
编号 特定 标号 240 280 00 320 0 400 01 500 02 600 03 800 04 1000 05 1200 06
尺寸 μm
粒度 号
63-50 50-40 40-28 28-20 20-14 14-10 10-7
W63 W50 W40 W28 W20 W14 W10
2．电解抛光 电解抛光采用电化学溶解作用，使试样达 到抛光的目的。


（四）自动制样设备的简介
四、金相试样的侵蚀 （一）化学侵蚀法 1．化学侵蚀的原理 化学侵蚀法是利用化学试剂的溶液，借助 于化学或电化学作用显示金属的组织。 纯金属及单相合金的侵蚀纯粹是一个化学 溶解过程。 两相合金的侵蚀它主要是电化学腐蚀过程。
金相检验
第三章 金相检验 技术及设备
第一节 金相试样的制备


一、金相试样的选取 （一）纵向取样 纵向取样是指沿着钢材的锻轧方向进行取样。主 要检验内容为：非金属夹杂物的变形程度、晶粒畸 变程度、塑性变形程度、变形后的各种组织形貌、 热处理组织的全面情况等。 （二）横向取样 横向取样是指在垂直于钢材锻轧方向取样。主要 检验内容为：金属材料从表层到中心的组织、显微 组织状态、晶粒度级别、碳化物网、表层缺陷深度、 氧化层深度、脱碳层深度、腐蚀层深度、表面化学 热处理及镀层厚度等。
一、显微镜简述 二、金相显微镜的放大原理 显微镜是由两块透镜（物镜与目镜）组成， 并借物镜、目镜两次放大，使物体得到较高 的倍数。 （一）显微镜的放大倍数 所以显微镜的总放大倍数为


经物镜放大后的放大倍数Mob为：

经目镜 再次放大的放大倍数Mok为：

显微镜的总放大倍数为M为：






（二）偏光在金相方面的应用 1．组织与晶粒的显示 各向异性金属组织因晶粒的光轴位置不同，经检 偏镜后，从目镜中观察到具有不同亮度的晶粒衬度 。 2．多相合金的相分析 若两相合金中一相为各向同性，另一相为各向异 性，则极易由偏振光鉴别。 3．非金属夹杂物的鉴别 非金属夹杂物的鉴别往往需要多种方法，金相法 是最常用的方法之一。在正交偏振光下各类夹杂物 将有不同的反射规律。
第三节 定量金相
一、定量金相试样的选取和制备 （一）取样 金属材料的合金组织在微观上总是不均匀 的，定量金相参数的测量和计算是在任意截 面的金相磨面上进行的，取样的过程必须具 有随机性和统计性。 假若合金组织具有方向性，则必须考虑金相 试样的选取方位。



（二）试样制备 定量金相的金相试样的制备要求应更高一些；除了 要求显示合金中各种组织的特征和细节外，还要求 各种组织显示的衬度分明，轮廓线清晰均匀，整个 试样的平整度、洁净度、均匀性和重现性都要尽可 能地好。 （三）视场选择 金相试样，应选取有代表性的测量视场，如试样边 缘位置、中心位置或其他指定位置等。 另外，从数理统计的观点，测量视场应具有随机性 和统计性。 测量视场的数目也应足够多，以减小测量数据的偶 然误差。相试样的镶嵌 样品镶嵌的常用方法有机械镶嵌法和树脂镶嵌 法。 （一）机械镶嵌法 机械镶嵌法系试样放在钢圈或小钢板中，然后用 螺钉和垫块加以固定。该方法操作简便，适合于镶 嵌形状规则的试样。 （二）树脂镶嵌法 1．热压镶嵌法 热压镶嵌法是将聚氯乙烯、聚苯乙烯或电木粉经 加热至一定温度并施加一定压力和保温一定时间， 使镶嵌材料与试样紧固地粘合在一起，然后进行试 样研磨。热压镶嵌需要用镶嵌机来完成。

经侵蚀适度的试样应迅速用清水彻底冲洗， 然后浸人酒精中或用酒精喷射试样磨面，再 用热风吹干，喷酒精的目的是使磨面加快干 燥，吹风时试样应倾斜，防止表面积水而成 “水渍”。 侵蚀后的试样磨面应保持清洁，保护磨面不 受损坏。侵蚀后的试样如果不要求及时观察， 或需保存，应立即放入干燥器内。

（二）电解侵蚀法 电解侵蚀的工作原理基本上与电解抛光相同。 在电解抛光开始试样产生“侵蚀”现象，这 一阶段正好是电解侵蚀的工作范围。由于各 相之间与晶粒之间的析出电位不一致，在微 弱电流的作用下各相的侵蚀深浅不同，因而 能显示各相的组织。
（三）相衬装置与结构 （四）相衬在金相方面的应用 金相磨面上的两相高度差在10—150 nm范 围内，用相衬法鉴别较为适宜。 相衬在金相分析中的作用如下： (1)增加组织衬度 (2)鉴别显微组织 (3)显示显微偏析




五、金相显微镜的操作与维护 （一）金相显微镜的操作 ①操作者必须充分了解仪器设备的结构原理，使 用方法，严守操作规程。 ②操作时双手要干净，试样的观察表面应用酒精 冲洗并吹干。 ③操作显微镜时，对镜头要轻拿轻放，不用的镜 头应随时放人盒中，不能用手触摸镜头。 ④调整焦距时，应先轻轻转动粗调，使物镜和观 察面尽量靠近，并从目镜对焦，然后轻轻转动微调， 直到调节成像清晰为止。在调节中必须避免显微镜 的物镜和试样磨面碰撞，损坏镜头。 ⑤显微镜使用完毕后，应及时将物镜、目镜卸下， 放入镜头盒中，最后切断电源。





（二）金相显微镜的维护 ①金相显微镜的工作地点必须干燥、少尘、少振 动，不应放在阴暗潮湿的地方，也不应受阳光曝晒。 ②不宜靠近挥发性、腐蚀性等化学药品，以免造 成腐蚀环境。 ③在显微镜工作时，样品上的残留液体、油污必 须去净，如不慎沾污镜头，应立即用棉花擦净。油 镜头用毕应立即用二甲苯细心的揩净。 ④物镜、目镜一般应放在干燥皿中，如有灰尘可 用吹灰球吹净，然后用擦镜纸揩净。 ⑤阴暗潮湿的空气对显微镜危害很大，会造成部 件生锈、发霉、以致报废；在梅雨季节，显微镜的 各个零件都应注意防霉。 ⑥机械部分不要随意拆卸，经常加润滑油脂，以 保证正常运转。
三、金相显微镜的光线系统 （一）物镜 物镜按其所接触的介质可分为干系（介质是 空气）、湿系或油浸系（其介质是高折射率 的液体）。 物镜按其光学性能又可分为消色差、平面消 色差、复消色差、平面复消色差、半复消色 差物镜和供特殊用途的显微硬度物镜、相衬 物镜、球面及非球面反射物镜等。

（二）目镜 目镜主要是用来对物镜已放大的图像进行 再放大。目镜又可分为普通目镜、校正目镜 和投影目镜等。 （三）照明系统 金相显微镜中主要有两种观察物体的方法， 即45°平面玻璃反射和棱镜全反射。 照明方式分为明场和暗场照明两种。
2．浇注镶嵌法 浇注镶嵌法适用于不允许加热的试样、较软 或熔点低的金属，形状复杂的试样、多孔性 试样等，或在没有镶嵌设备的情况下应用。 通常采用环氧树脂，常用配方为：环氧树脂 90 g，乙二胺log，还可以加人少量增塑剂 （磷苯二甲酸二丁醋）。 按以上配比搅拌均匀，注入事先准备好的金 属圈内，圈内先将试样安置妥当，约2-3h后 即可凝固脱模。
物镜 10× 25× 40× 63× 100× 目镜 8× 10× 12.5× 16× 显微镜的总放大倍数为M为： 400倍= 40×10 500倍=40×12.5 100倍=10×10

（二）显微镜的鉴别率 显微镜的鉴别率是指显微镜对于所观察的 物体上彼此相近的两点产生清晰像的能力。

1．正射照明 正射照明的折光构件为平面玻璃，置于物 镜下面与物镜光轴呈45°。 2．斜射照明 采用显微的光轴构成30°角度的光线照明 试样的方法，称为“斜射照明”。 3．暗场照明





（四）光栏 1．孔径光栏 孔径光栏是位于光源聚光透镜前的可变光栏，可 以控制人射光束的粗细，以改变物镜的数值孔径。 (1)对分辨率的影响 当孔径光栏缩小时，数值孔 径减小，仅物镜的中心部分起放大作用，使得物镜 的鉴别能力降低。 (2)对物像清晰度及衬度的影响 扩大孔径光栏，可 使物镜的数值孔径增大，有利于鉴别组织细节。但 会降低物像的的清晰度和衬度。 孔径光栏大小的合适程度应依照光束充满（或略小 于）物镜的后透镜为宜。

2．化学侵蚀的要点 磨面侵蚀前必须冲洗清洁，去除污垢，侵蚀 的方法有浸入法和揩擦法。 浸入法是将试样用夹子夹住，浸入盛有侵蚀 剂的器皿中，使磨面朝上，并使试样全部浸 入。 整个侵蚀过程如下：光亮的磨面经侵蚀逐渐 失去光泽，变成银白色或淡黄色，最后成为 灰黑色。 揩擦法是将试样磨面朝上平放在工作台上， 以蘸有侵蚀剂的棉花在磨面上轻轻揩擦。
（三）缺陷或失效分析取样 截取缺陷分析的试样，应包括零件的缺陷 部分在内。 （四）注意事项 试样尺寸以磨面面积小于400 mm2，高度以 15~20 mm为宜。 不论用哪种方法切割，均应注意不能使试样 由于变形或受热导致组织发生变化。对于使 用高温切割的试样，必须除去热影响部分 。


二、自动图像分析仪的应用 金属平均晶粒度的测定；高速工具钢中碳化物颗粒 尺寸、数量及分布的测定；可锻铸铁中石墨颗粒数 量和分布测定；球墨铸铁中石墨球化率的测定；铸 铁中珠光体、铁素体含量测定；钢中非金属夹杂含 量的测定；金属材料中各相显微组织体积分数的测 定；镀层厚度的测定；脱碳层、渗碳层等层深测定 以及其他特定要求的金相定量分析。 使用图像分析软件进行金相分析，目前还不能做到 全自动的分析，原因在于数学建模的困难。因此， 当前的图像分析软件的分析还是一种辅助手段，还 需要有金相分析的专业技术人员进行操作。