镁合金的彩色金相

镁合金的彩色金相
镁是地球上储量最丰富的元素之一，镁的密度小，是最轻的金属结构材料，与其他金属结构材料相比，镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点。

镁合金的彩色金相分析技术对镁合金组织的精细研究和镁合金材料的发展具有十分重要的意义。

1. 彩色金相原理
彩色金相，首先是一个颜色的问题。

自然界中本身不发光的物体之所以会显示出不
同的颜色，是由于他们对白光的选择性吸收而造成的。

因为绝大部分彩色金相都是利用化学或者物理的方法，在不破坏表面或只进行轻微侵蚀的情况下，在试样表面形成一层在结构与成分上同基体组织密切相关的薄膜，然后利用光的干涉效应显示出干涉波长的补色。

在彩色金相中，除了膜的作用外，偏振光和灵敏色片也发挥着重要的作用，在实践中经常被用来增强颜色衬度，获得色偏振效果。

1.1 彩色金相的优点
①显著提高了相鉴别率
传统黑白金相完全以组织形貌的灰度差去鉴别相和组织，很显然有很大的局限性。

人眼对灰度图像的分辨能力远比彩色图像要低，用彩色金相方法却可以使不同相染上不同的颜色，这样不仅可以清晰的显示出相的数量、各个相的大小和分布规律，而已可以依此利用其它电子显微方法进行进一步的分析和研究。

②大大提高组织显示的精确性，为定量金相奠定良好的基础
材料的宏观性能与其微观组织结构密切相关，它们之间的依赖关系已经随着材料科学的发展由定性评估过渡到定量分析的阶段。

定量金相以体视学为理论基础，借助物体的二维截面或投影来推断三维空间中显微组织的定量关系。

其测量精度除取决于测量方法和仪器的测量精度外，最重要的取决于显微组织的显示精度。

彩色金相彩色显示，即使是化学蚀刻沉积法，对金属表面的浸蚀比黑白金相也要缓和的多，对金属表面的破坏也小的多，这样就保证显微组织接近真实的显示出来。

③可以提供更丰富的新的信息
彩色金相是利用薄膜干涉效应产生颜色衬度来显示微观组织结构的，而各种组织结构的因素都可能非常敏感地反映到颜色衬度上去，颜色衬度对组织状态的敏感性和提供信息的广泛性是黑白金相所不能比拟的。

可以发现一些新的现象、新的规律，使光学金相方法对组织的分析研究明显深化。

④形象性与艺术性
彩色金相不同于单调的黑白金相，它以有意义的丰富的色调将材料组织呈现出来，给人以美的享受，更符合人们观察事物的习惯，具有一定的美学价值。

2.镁合金彩色金相研究
虽然现在对镁合金的彩色金相进行了一些研究，但涉及的镁合金种类很少，对很多现在常用的镁合金种类都没有相关的彩色金相报道，对新发展起来的变形镁合金的彩色金相更缺乏相关的研究；用于镁合金彩色金相的方法和试剂种类都很少，都只是利用了彩色金相很小的一部分功能，除了用于显示彩色晶粒衬度、孪晶和成分偏析外，在镁合金的相鉴别、织构分析等方面并没有相关的彩色金相报告，也没有将彩色金相和凝固过程和原理结合起来的相关报道，没有充分发挥彩色金相的作用，对镁合金彩色金相的研究还有很多工作可以做。

3.金相试样的制备
3.1 试样的磨光
镁性质活泼，细的镁合金粉末是火灾隐患，因此镁合金需水磨。

水流一方面可以冲
走镁合金粉末，消除火灾隐患和保持砂纸的磨削功能，另一方面可以使磨面降温，防止
因摩擦升温而改变镁合金组织。

3.2 试样的抛光
①机械抛光②化学抛光③电解抛光
3.3 离子溅射
首先须将试样进行仔细抛光，因为均厚膜彩色金相对制样的要求比一般化学浸蚀还要高。

由于均厚膜基本只对鉴别第二相有用，用2%硝酸酒精预腐蚀，去除表面的杂质。

3.4 热染
虽然镁合金的相变温度和时效温度很低，热染法可能改变其组织结构而使得到的结果失真，但热染法作为一种古老的形膜方法，在很多金属上可以得到很好的应用。

可用热染法来显示其晶体位向，因此值得尝试。

对抛光后的各个镁合金试样在空气中进行了热染操作。

热源为普通电炉。

3.5. 抛光方法的结果影响及分析
抛光效果对彩色金相的影响颇大，一般来说，抛光好的试样表面应该平整、光亮、尽量少的氧化层。

有的试样在明场下看起来不错，但在偏光下却显示出细小的划痕。

4. 镁合金彩色金相与黑白金相的对比
彩色金相和黑白金相的显示机理不同，黑白金相是通过不同组织腐蚀（溶解）速率的不同而得到凹凸不平的表面，再通过反光强度的不同而得到黑白衬度，而彩色金相是通过在试样表面形成一层和基体组织密切相关的薄膜，然后充分利用光的各种特性来展现材料的微观组织。

一般来说，黑白金相得到的组织信息比较单一，只能得到某一方面的信息，如晶粒边界、枝晶、第二相等，而彩色金相可以丰富的颜色显示出晶粒衬度、成分偏析、枝晶组织等，不仅提供的信息大大增加。

黑白金相除了能显示出晶界外，几乎不能得到任何其它信息，而右图的彩色金相除了将不同晶粒染成不同颜色外，晶内的枝晶和成分偏析也有所展现，对理解镁合金元素的扩散分布具有很好的效果。

如果腐蚀的再深一些，则枝晶和成分偏析的信息会更清楚一些。

另外，理论上来说，不同晶粒的颜色如果相同或很接近的话，那么晶体位向也应该相同或接近。

5. 彩色金相效果的综合分析与存在的问题
试验的三种彩色金相方法（化学蚀刻形膜、离子溅射、热染）中，只有化学蚀刻的效果比较明显和直接。

通过合适的腐蚀剂进行化学蚀刻形膜，可以显示出镁合金的彩色晶粒衬度，同时可以显示出其枝晶和成分偏析。

理论上，影响彩色衬度的因素，或者说彩色金相可以表达出来的组织结构因素可以概括以下几个方面：①成分；②晶体结构；③晶体位向；④晶体缺陷；⑤应力应变状态。

这几个方面可以独立存在，也可以交叉影响。

在形膜方法方面，，因为镁很活泼，可以和除了氢氟酸以外的几乎所有无机酸、很多有机酸、还有一些盐和醇发生反应，并生成相应的镁盐。

这些镁盐中既有溶解度大的，也有溶解度小的，而且这些试剂中既有阳极试剂，也有阴极试剂，为形膜提供了非常广泛的选择。

但另一方面，各种化学试剂对镁体及其第二相的作用并没有形成一个系统的体系。

在离子溅射方面，可供溅射的材料有很多，但是考虑到成本、易用性等原因，选择了镀金来试验均厚膜的效果。

断进行尝试，虽然在比较满意的膜厚下得到了一定的衬度，但是得到的衬度依然很有限。

这一方面跟金的折射率偏低有关，从而使相应的衬度要降低一些；另一方面，镁合金中各个相在光学性质并没有经过实测，从而无法计算出最佳参数，因此实际根据经验试验的时候往往和理想状态有一定差距。

镁合金的机械抛光宜采用质地较柔软且具有良好保持抛光颗粒性能的精抛绒，得到的试样表面平整光洁，适合用于彩色金相的制样。

化学抛光可以较好地消除划痕，但会严重腐蚀合金含量较高的镁合金，并影响最终的彩色金相衬度，不宜采用。

试剂对显示铸态或均匀化的低铝含量镁合金都没有什么效果，而对高铝含量的铸态合金的效果不错，显示出其彩色晶粒衬度和枝晶。

对镁合金而言，彩色金相可以提供比黑白金相更多有用的信息，
可以解决铸态镁合金的晶界难以腐蚀出来的难题，可以以流畅的颜色变化来显示材料的成分变化，并具有一定的美观性和艺术性。

参考文献
张津, 张宗和. 镁合金及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004.
黄丽华. 彩色金相显微分析系统的建立与彩色图像研究[D]. 浙江大学, 2004。