金相分析技术及其应用

金相分析技术及其应用

金属的性能取决于它的成分和微观组织，其中微观组织对金属性能的影响最为直接，因此我们可以通过对金属微观组织的观察和分析（即金相分析技术）来预测和判断金属的性能，并分析其失效破坏的原因。金相分析技术是根据有关的标准和规定来评定金属材料内在质量的一种常规检验方法，并可用来判断零件生产工艺是否完善，有助于寻求零件产生缺陷的原因，因此它是涉及金属材料生产、使用和科研中一种必不可少的手段。

进行金相分析，首先应根据各种检验标准和规定制备试样（即金相试样），若金相试样制备不当，则可能出现假象，从而得出错误的结论，因此金相试样的制备十分重要。通常，金相试样的制备步骤主要有：取样、镶嵌、标识、磨光、抛光、浸蚀，但并非每个金相试样的制备都必须经历上述步骤，如果试样形状、大小合适，便于握持和磨制，则不必进行镶嵌；如果仅仅检验金属材料中的非金属夹杂物或铸铁中的石墨，就不必进行浸蚀。总之，应根据检验的目的来确定制样步骤。

一、金相试样制备与观察

1、取样

取样是金相试样制备的第一道工序，若取样不当，则达不到检验目的。因此，取样的部位、数量、磨抛光面方向等应严格按照相应的标准规定执行。

（1）取样部位和磨面方向的选择

取样部位必须与检验目的和要求相一致，使所切取的试样具有代表性。必要时应在检验报告单中绘图说明取样部位、数量和磨抛光面方向。

图1-1表示轧制型材金相试样的切取方位，一般纵断面（图1-1中的1、2、4、5）主要用于：1）检验非金属夹杂物的数量、大小和形状；2）检验晶粒的变形程度；3）检验钢材的带状组织，以及通过热处理对带状组织的消除程度。横断面（图1-1中的3）主要用于：1）检验从表面到中心金相组织变化情况；2）检验表层各种缺陷，如氧化、脱碳、过烧、折叠等；3）检验表面热处理结果，如表面淬火的淬硬层，化学热处理的渗碳层、氮化层、碳氮共渗层以及表面镀铬、镀铜层等；4）检验非金属夹杂物在整个断面上的分布；5）测定晶粒度等。

（2）取样方法

金相试样一般为φ12×12mm的圆柱体或12×12×12mm的立方体。

若太小则操作不方便，若太大则磨制面过大，增长磨制时间且不易磨平。非检验表面缺陷、渗层、镀层的试样，应将棱边倒圆，防止在磨制中划破砂纸和抛光织物，反之，检验表层组织的试样，严禁倒角并应保证磨面平整。

2、镶嵌

当金相检验的材料为丝、带、片、管等尺寸过小或形状不规则的试样，由于不便握持，可采用镶嵌的方法，得到尺寸适当，外形规则的试样。当检验试样的表层组织时，为防止在磨制中产生倒角，也可采用镶嵌。常用的镶嵌方法有机械夹持法、热镶嵌法和冷镶嵌法等。

3、磨光与抛光

金相试样经过切取、镶嵌后，还需进行磨光、抛光等工序，才能获得表面平整光滑的磨面。图1-3表示了切取试样后形成的粗糙表面，经粗磨、细磨、抛光后，磨痕逐渐消除，得到平整光滑的磨面。

磨光可以分为粗磨和细磨。每一道工序，都与上一道工序成90o 方向，直到看不到上道工序的划痕为止。

抛光可以分为机械抛光和电解抛光。机械抛光适用于大部分钢种，但是由于机械抛光有机械力的作用，不可避免会产生金属变形层，使金属扰乱层加厚，出现伪组织。而电解抛光是利用电解方法，以试样表面作为阳极，逐渐使凹凸不平的磨面溶解成光滑平整的表面，因无机械力的作用，故无变形层，亦无金属扰乱层，能显示材料的真实组织并兼有侵蚀作用，适用于硬度较低的单相合金、容易产生塑性变形而引起加工硬化的金属材料，如奥氏体不锈钢、高锰钢、有色金属和易剥落硬质点的合金等的试样抛光。

4、金相显微组织的显示

抛光后的试样表面是平整光亮、无痕的镜面，置于金相显微镜下观察时，除能见到非金属夹杂物、孔洞、裂纹、石墨和铅青铜中的铅质点以及极硬相在抛光时形成的浮凸外，仅能看到光亮一片，看不到显微组织，必须采用适当的显示方法（即侵蚀），才能显示出组织。

金相显微组织的侵蚀方法很多，可分为化学侵蚀、电解侵蚀和其他侵蚀等。其中化学侵蚀法具有显示全面、操作便捷、经济便宜、重现性好等优点，故在生产以及科研中广泛应用。

化学浸湿是一个电化学溶解的过程。金属与合金中的晶粒与晶界之间，以及各相之间的物理化学性质不同，他们具有不同的自由能，在电解质溶液中则具有不同的电极电位，可组成许多微电池，较低电位的部分是微电池的阳极，溶解较快，溶解的地方则呈现凹陷或沉积反应产物而着色，如图1-3a所示。在显微镜下观察时，光线在晶界处被散射，不能进入物镜而显示出黑色晶界；在晶粒平面上的光线则散射较少，大部分反射进入物镜而呈现亮白色的晶粒。图1-3b是纯铁的显微组织，黑色为晶界明亮色微晶粒。

二、金属材料典型组织

1、铁碳平衡相图

按铁碳平衡相图中含碳量的多少，钢铁材料的典型组织。

工业纯铁(铁素体F)

按照含碳量从高到低的顺序，典型的钢铁平衡组织如下：

铁素体（工业纯铁）

铁素体+珠光体（20钢）

铁素体+珠光体（45钢）

铁素体+珠光体（60钢）

珠光体（T8钢退火组织）

P+Fe3CⅡ（T12钢退火组织）

Ⅱˊ（亚共晶白口铁组织）P+Fe3C+Ld

Ld(

2、典型非平衡组织

低碳马氏体（15钢淬火组织）

20钢板条状马氏体

45钢中碳马氏体

T12钢回火马氏体

40Cr 回火托氏体

40Cr 回火索氏体

ZGMn13 奥氏体组织

上贝氏体组织形态

下贝氏体组织形态

魏氏组织

三、金相分析技术的应用

金相分析在生产中有广泛的应用。下面以失效分析中的应用，举例说明，如下：

1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷（1）螺栓金相显微组织分析

螺栓的金相组织照片见图1。横剖面金相显微组织观察结果表明，该螺栓基本组织为铁素体（白色）＋珠光体（黑色），晶粒度比较细小（约为11～12级），表明该螺栓采用变形加工或者正火热处理进行了细化晶粒处理，细小的晶粒可以提高螺栓的综合力学性能，对提高螺栓的强度有益。纵剖面金相显微组织观察结果表明，该螺栓存在较为严重的带状组织分布，带状组织分布程度等级为5级。带状组织通常发生在经过热变形加工后的亚共析钢（中、低碳钢）中，其典型特征是铁素体和珠光体沿着压延变形方向交替分层分布。带状组织会使钢的力学性能产生各向异性，即沿着带状组织的纵向强度高、韧性好，而横向则强度低、韧性差，另外还会导致硬度不均匀。

a）横剖面

b) 纵剖面