金相显微镜在金属材料研究中的应用

金相显微镜在金属材料研究中的应用

李慕姚 1351626

1 前言

金相学所研究的是合金组织和金属的一门科学，它所应用的是通过金属显微镜来观察并且以此来研究金属组织的内部和性能二者之间的关系，早在十九世纪六七十年代就已经有利用金相显微镜来系统的对钢铁的组织进行研究。在十九世纪之后，显微镜取得了快速的发展，它的功能和作用也越来越多。在1909 年出现了高温金相的应用，在1924 年出现了偏光的应用，在1934 年产生了低温金相装置，在1948 年产生了多光束干涉仪，随后的两年相衬的应用和偏光干涉显微镜的出现等一系列显著的和突飞猛进的成果，这也使得金相实验的技术得到了广泛的研究和使用。

本文对金相显微镜所涵盖的内容和原理进行了简单的概述，对金相实验技术在日常金属材料研究中的应用做了分析和探讨。

2 金相显微镜构造

图1为实验室中常见的金相显微镜及其计算机观测系统，图二则为其抽象的构造图，可以看出，其组成包括光学系统，照明系统和机械系统3个部分组成其中光学系统由光源、反光镜、物镜组（图三）、目镜（图四）及多组聚光镜组组成。照明系统由安装在底座上的低压灯泡、聚光镜、反光镜、孔径光栏和安在支架上的视场光栏和另一聚光镜组成。机械系统：由载物台（试样台）、物镜转换器（安装多个物镜）、目镜筒（接目镜）、粗调和微调手轮（图四）、视场光栏（调节视域大小）和孔径光栏（调节进光量）组成

图一图二

图三图四

金相显微镜与一般显微镜的成像原理相同，这里就不再赘述。

2 金相实验样品制备

金相实验样品制备一般四个步骤，取样，磨制，抛光，浸湿

2．1金相试样的取样原则

金相试样按照金属或在钢材上所取的截面位置的不同，可分为横向试样（磨面为原构件的横截面）和纵向试样（磨面为原构件的纵截面）。

横向试样常用于观察：

(1)试样中心边缘组织分布的渐变情况；

(2)表面渗层、硬化层、镀层等表面处理的深度及其组织；

(3)表面缺陷,如裂纹、脱碳、氧化、过烧等疵病的深度；

(4)非金属夹杂物在整个端面上的分布情况；

(5)测定晶粒度等。

纵向试样常用于观察：

(1)非金属夹杂物大小、变形情况及其含量；

(2)带状组织的存在或消除情况；

(3)塑性变形引起的晶粒或组织变形的情况。

金相试样的形状，一般选择方柱体和圆柱体两种。

2．2 磨制

试样的磨制一般分为粗磨和细磨两道工序。

粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。试样截取后，在砂轮上磨制，压力不宜过大，并随时用水冷却，以防受热引起金属组织变化。经粗磨后试样表面虽较平整，但仍存在有较深的磨痕。

细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，为进一步的抛光做好准备，将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，随即依次在由粗到细的各号金相砂纸上把磨面磨光。除手工磨制外，还可以将不同型号的砂纸贴在带有旋转圆盘的预磨机上，实现机械磨制。

2．3抛光

抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广，抛光后的试样，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应抛掉或有曳尾现象。

抛光后的试样应该用清水冲洗干净，然后用酒精冲去残留水滴，再用吹风机吹干。

2．4浸蚀

抛光后的试样磨面是一光滑镜面，若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物、石墨、孔洞、裂纹外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须经过适当的浸蚀，才能使显微组织正确地显示出来。目前，最常用的浸蚀方法是化学浸蚀法。

化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂(常用酸、碱、盐的酒精或水溶液)中浸蚀或擦拭一定时间。由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电势，在浸剂中就构成了许多微电池，电极电势低的相为阳极而被溶解，电极电势高的相为阴极而保持不变。故在浸蚀后就形成了凹凸不平的表面，在显微镜下，由于光线在各处的反射情况不同，就能观察到金属的组织特征。

纯金属及单相合金浸蚀时，由于晶界原子排列较乱，缺陷及杂质较多，具有较高的能量，故晶界易被浸蚀而呈凹沟。在显微镜下观察时，使光线在晶界处被漫反射而不能进入物镜，因此显示出一条条黑色的晶界。对于两相合金，由于电极电势不同，负电势的一相被腐蚀形成凹沟，当光线照射到凹凸不平的试样表面时，就能看到不同的组成相，

金属中各个晶粒的成分虽然相同，但由于其原子排列位向不同，也会使磨面上各晶粒的浸蚀程度不一致，在垂直光线照射下，各个晶粒就呈现出明暗不一的颜色。

抛光前抛光后浸蚀后

3 金相显微镜在金相分析中的应用

金相显微镜主要可以的运用是通过对组织形貌的检查和分析来金属及合金的组织与其化学成分的关系；可以确定各类合金材料经过不同的加工及热处理后的显微组

织；可以判别金属材料的质量优劣，如各种非金属夹杂物－－氧化物、硫化物等在组织中的数量及分布情况以及金属晶粒度的大小等

3.1 金属组织及相的研究

经过腐蚀处理后，金相显微镜可以观测到金属的亚显微组织情况，一般情况下，晶界处被漫反射而不能进入物镜，因此晶界一般为黑色。被晶界分割的即为金属的组织结构，可以根据其做出对金属的定性分析，包括材料的组织形貌、晶粒大小、非金属夹杂物——氧化物、硫化物等在组织中数量和分布情况等问题，材料的组织结构与其化学成分之间的关系、可以确定各类材料经不同加工工艺处理后的显微组织、可以判别材料质量的优劣等。

如对灰口铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁的分析（图3），球墨铸铁图片中，黑色的球状组织为石墨，在低倍下近似圆形。在高倍下为多边形，周围凹凸。因未浸蚀，基体未显示，呈白色。

图中可锻铸铁为退火态，黑色团絮状组织为石墨，类似棉絮，外形较为规则。未浸蚀，基体未显示为白色。试样是由白口铸铁生坯。通过退火的固态石墨化处理，使一次、二次、三次渗碳体经过充分的石墨化而得。而对于灰口铸铁，黑色片状组织为石墨，因未作浸蚀，故基本未显示，呈白色。金相观察石墨以单独的片状，散布在基体上，它们是分开的，互不联系的。片状石墨的长度各不相同，性能存在差异。

图3-1球墨铸铁图3-2 可锻铸铁图3-3灰口铸铁

3.2 夹杂物的分析

利用金相显微镜对夹杂物分析一般是定量分析，利用明视场观察夹杂物的颜色、形态、大小和分布; 在暗视场下观察夹杂物的固有色彩和透明度; 在偏振光正交下观察夹杂物的各种光学性质,从而判断夹杂物的类型。

在明视场下是以观察夹杂物的形状、分布、变形行为、大小、数量、组织、反射本领及其色彩等项目来识别夹杂物的属类。夹杂物的外形有规则的几何形状,像玻璃质SiO2 呈球状, TiN 呈方形; 不规则的形状,如FeO呈卵形,多角形铝硅酸盐玻璃呈脆性破碎粒状。一般的硅酸盐呈单独的孤粒形状分布, Al2O3 和FeO· MnO等氧化物聚集成群呈串状分布,而FeS及FeS· FeO则沿晶界分布。

3.3 偏光显微镜的相差分析

在金属组织中, 有时会遇到反射能力相同( 或相近) , 表面高低只有微小差别的组织。当入射光波射到这两种组织表面再经反射后, 它们的振幅基本相同,