金相显微镜及制样技术-上海大学史文

1 第一章 引言 1.1 金相的历史 金相显微分析是金属材料科学的一个重要的研究方法，它可以观察及 研究金属中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷。随着科学技术的 进步，新材料的发展，金相显微分析已扩展应用于无机非金属材料、有机高 分子材料、矿岩材料等，并成为材料科学的一个重要研究方法。在了解金相 显微分析技术前，让我们先回顾一下金相学的发展历史。 在 1808 年，A loys von Widmanstatten 首先将铁陨石（铁镍合金）切成 试片，经抛光后用硝酸水溶液蚀刻，获得了图 1-1 的图像。铁陨石在高温是 奥氏体，由于缓慢的冷却，在奥氏体的{111}面上析出了肉眼可见的粗大的 铁素体片。Widmanstatten 用蚀刻的方法把铁素体腐蚀掉，使奥氏体凸出， 再用拓碑的方法把奥氏体印制下来，由此获得了图 1 的组织形貌。在图 1-1 中可以清晰地看到铁素体的四种不同取向，这是用显微分析技术进行组织取 向关系研究的起始，这一组织及类似组织以后被命名为魏氏组织。 Widmanstatten 的研究方法被认为是宏观观察或低倍金相检验技术的开端， 而 Widmanstatten 被称为金相学的启蒙者。 在这以后的几十年，用化学试剂腐蚀金属试片的试验方法在各地流行， 并获得有意义的结果。如：1817 年 J. F. Daniell 发现铋在硝酸中浸泡数日后 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面出现立方的小蚀坑，从而建立了用蚀坑法研究晶粒取向的技术。时至今 日，这一技术在硅钢的织构研究中依然被应用。再如 1860 年 W. Luders 在低 碳钢拉伸试样表面观察到腐蚀程度与基体不同的条带，并正确解释这是由于 局部的不均匀切变引起的。以后，这种滑移带就称为吕德斯带。 图 1-1 铁陨石腐刻后直接印制的魏氏组织（1820） 国际公认的金相学的创建人是英国的 H. C. Sorby。他于 1863 年首次用 2 显微镜观察了经抛光并腐蚀的钢铁试片，并拍摄了钢与铁的显微像。图 1-2 是索氏当年制备并观察过的钢样在 1953 年拍的显微像，放大倍数也与当年 的相近。图中的珠光体非常的清晰。索氏通过用显微镜对钢铁的观察，发现 并描述了钢铁中的铁素体、渗碳体、珠光体、石墨、夹杂物等组织，这些描 述以今天的认知来看依然是非常正确的。所以，国际上也将 1863 年作为金 相学的诞生年。 图 1-2 索氏当年观察过的珠光体试样（1953 年照相，500 倍） 德国的A dolf Martens (马氏)和法国的 Floris Osmond也对金相学的发展 作出了重要的贡献。他们分别在 1878 及 1885 年独立地用显微镜观察了钢 铁的显微组织，并在钢铁厂首次建立了金相检验。在他们的影响下，金相检 验技术在冶金行业获得了重要应用。 图 1-3 是 Osmond 拍摄的珠光体的高倍显微像, 就是在今天用先进的实 验仪器与照相器材, 要达到这么高的金相水平也非易事。 今天，金相学已成为一门成熟的学科。随着科学技术的发展, 金相学还 在不断充实新的内容和扩大它的领域。首先，观察手段的改进使金相学发生 了明显的变化，发展了定量金相学、电子显微金相学等。其次, 随着新材料 的不断出现, 金相学的范围也逐渐扩大, 并渗透到其它材料领域中去。 3 图 1-3 1.6%C 钢中的珠光体(Osmond, 1901) 1.2 金相的分类 金相分析技术主要包括：宏观金相、光学显微金相和电子显微金相。 宏观金相主要针对金属材料的宏观组织进行观察分析，一般采用肉眼或低倍 （<=30 倍）观察，优点是方法简便、观察区域大等。光学显微金相是采用 光学显微镜进行材料的组织观察分析，使用的放大倍数一般小于 2000 倍， 电子显微分析采用电子显微镜进行观察分析，可以有更大的分辨率和放大倍 数，在金相分析中得到越来越多的应用。我们这里主要介绍光学显微金相。 1.3 现代制备技术 光学显微金相的目的是要观察到真实的、清晰的显微组织，这里包括 制备金相试样和正确掌握光学显微镜的使用。 传统的制备金相试样的要求是获得光滑无划痕的抛光表面，可以看到 它重点强调了抛光的作用。现代的观点认为，好的金相试样制备应该是有效 去除试样表面的损伤，并尽量减少制备过程中产生新的缺陷，这里重点强调 的是去除表面损伤和减少新的制备缺陷。图 1-4 和图 1-5 是二个例子。图 1-4 中可以清晰的看到，由于试样制备过程，如试样切割、夹钳而导致金相组织 的变化。图 1-5 是碳钢经 80＃砂纸磨制后的横截面金相，可以看到，由于砂 纸的磨制，导致试样表面产生了深度达到 120um 的变形损伤层。这些现象 在传统金相制备技术中是较难以克服的，从而使金相显微组织的真实性受到 影响。为此，需要掌握和了解现代显微金相制备技术。 4 图 1-4 试样切割、夹钳而导致金相组织的变化 图 1-5 砂纸磨制后的横截面组织变化 第二章 现代显微金相制备技术 2.1 切割、镶嵌和磨制 金相试样制备包括：切割、镶嵌、磨平、磨光、研磨和抛光等步骤， 其中，切割和镶嵌是制备的准备阶段，磨平、磨光、研磨和抛光是制备的主 要阶段。 5 2.1.1切割 切割的目的是为了取样，并使样品留下的残余损伤最小。切割是试样 制备的重要工序。从取样方式来看，一般是先从大的料块取样，通常采用空 心钻取、带锯或砍式锯、火焰切割等方法取样。随后送实验室进行最终切取。 为了避免使待检查区域的显微组织发生改变，实验室的切取推荐采用砂轮切 割方法，图 2-1 是一般实验室常用的台式砂轮片切割机。 图 2-1 实验室常用的台式砂轮片切割机 现代制备技术认为，切割是试样制备的重要工序,必须对切割参数进行 优化。首先，砂轮片的选择是重要的。在传统制备技术中通常是采用相同的 并且是耐用的砂轮片来切割不同的材料，这是切割的误区。砂轮片主要由切 割颗粒和黏结料组成。砂轮的切割颗粒主要是氧化铝或碳化硅，填充的黏结 料可能是树脂、橡胶或树脂和橡胶的混合物。为了提高切割效率,减小切割 损伤,砂轮片的粘接强度应当与被切割材料的强度和韧性相匹配。所以，氧 化铝(三氧化二铝)砂轮是理想的切割铁基金属的材料，而碳化硅砂轮是理想 的切割非铁基金属和矿石的材料。图 2-2 是合适的砂轮在切割过程中的情况， 由于砂轮粘结强度合适，可以使已失去尖锐菱角的磨粒及时的脱离，同时使 具有尖锐菱角的新磨粒及时露出来。图 2-3 是不合适的砂轮在切割过程中的 情况，若粘结强度太弱，使磨粒过早脱落，影响切割效率和砂轮寿命；若粘 结强度太大，则已磨平的磨粒无法及时脱落，切割过程变成了摩擦过程，必 然导致切割效率低下和切割损伤增加。 6 图 2-2 合适砂轮在切割过程中情况示意图 图 2-3 不合适砂轮在切割过程中的情况示意图 其次，砂轮切割机的大小也会影响切割的重要因素。砂轮切割片的直 径增加，使得可切割的试样尺寸更大，但砂轮厚度也将同时随之逐渐增加。 较厚的切割片虽然强度大，但去除的材料也多，产生的热量更多。因此，为 达到切口损失和热量损伤降到最小，尽可能选择厚度最薄的黏结强度恰当的 切割片切割。 图 2-4 是试样与砂轮片的两种接触方式，当接触面积大时，将导致切割 速度下降、发热增加，为此，现代制备技术认为，切割时应当使样品与砂轮 片的接触面积小并保持不变，这样可以使加在砂轮片磨料颗粒上的压力尽可 能小并保持不变，从而可以获得高的切割效率，小的切割损伤和发热。这被 称为最小接触面积切割原则。 图 2-5 是几种切割方式的示意图。依次为直切、脉冲式直切、摆动式切 割、递增式横切和轨道式切割，其中的轨道式切割是一种新型的切割方式， 被认为是最接近最小接触面积原则，为此被推荐使用。 7 图 2-4 不同的接触方式 2-5 几种切割方式示意图 图 2-6 是直切和轨道式切割的比较，由图可见，对硬度约 20 HRC 的低 硬度材料,直切和轨道式切割所需的时间几乎一样，对硬度为 60 HRC 的样 品，直切所需的时间要比轨道式切割多 50%。同时，采用轨道式切割, 砂轮 片的使用寿命远高于直切时的寿命。另外，从切割损伤层深度来看，轨道式 切割的损伤层深度明显小于直切，如图 2-7 所示。 图 2-6 直切与轨道式切割的比较 8 图 2-7 直切与轨道式切割的损伤层深度比较（左：直切；右：轨道式切割） 精密切割机也是实验室常用的切割设备，图 2-8 是工作示意图，图中 A 是样品，B 是配重，C 是切割片，D 是润滑液。精密切割机上使用的切割片 主要有两种类型：一是磨耗型的，是橡胶粘接的氧化铝或碳化硅砂轮片，其 厚度由 0.5mm～0.8mm；二是非磨耗型的，由镀铜的钢片制成，金刚石或立 方氮化硼磨料粘接在切割片的两侧边缘部分，其宽度由 3.2mm 至 5mm，切 割片的厚度由 0.15mm 至 0.76mm，它的使用寿命要比砂轮片的长得多。由 于精密切割机的切割片比常用的砂轮片薄得多, 切割时对样品施加的载荷 也小得多, 因此切割表面的变形损伤深度也要浅得多, 这样就为缩短试样制 备时间、提高试样制备效率创造了有利条件。 图 2-8 精密切割机工作示意图 图 2-9～图 2-11 是几种切割效果的比较，图 2-9 和图 2-10 是切割表面 形貌和切割粗糙度比较，可见，经金刚石锯切割后有最好的表面形貌和低的 粗糙度。图 2-11 是切割对表面结构的影响，为表面结构的 XRD 衍射环。可 见经金刚石锯切割后对表面结构影响最小。 9 图 2-9 切割方式对表面形貌的影响（左：砂轮；中：金刚石锯；右：电火花） 图 2-10 切割方式对表面粗糙度的影响（上：砂轮；中：金刚石锯；下：电火花） 10 未切割 砂轮 金刚石锯 电火花 图 2-11 切割方式对表面结构的影响 2.1.2镶嵌 切割后的试样通常要进行镶嵌，镶嵌的目的是为了：保持试样边缘的 平整，以便于使用半自动制样设备进行试样制备；保护精细或易碎的样品， 以便于手握操作；便于试样的保管。通常采用两类镶嵌方法：加压热镶嵌或 简称热镶嵌；浇注冷镶嵌或简称冷镶嵌。 热镶嵌具有如下的优点：镶嵌部位硬度较高、化学耐腐蚀性好、尺寸 稳定，试样边缘平整性好，镶嵌料无毒、价格低廉。常用的热镶嵌料有：热 硬化性树脂如酚醛树脂、己二烯酞酸脂、环氧树脂等。热塑性镶嵌树脂如甲 基丙烯酸甲酯等。 酚醛树脂具有价格最低、高收缩、不能保持边缘平整、不耐热腐蚀剂 作用等特点。环氧树脂具有优异的保持边缘平整特性、低收缩、耐热腐蚀剂 和化学试剂作用、磨耗率与金属匹配等特点。丙烯酸树脂具有透明固化周期 长、高收缩率、容易产生缺陷、不耐化学试剂作用、不耐热等特点。 在镶嵌的成型过程中，热塑性和热硬化性的树脂都需要热量和压力。 在成型后，热塑性的塑料树脂必须在压力保持的情况下至少冷却到 70℃后 11 脱模，而热硬化性的树脂也许可以在成型温度下从模具中脱出。热硬化性树 脂的试样在成型后脱模前，在压力保持的情况下冷却到室温，可以有效减少 缩孔形成。如果热硬化性树脂试样是在成型温度下脱的模，那么绝对不要用 水去直接快速冷却，由于热收缩率不同将导致金属拔出，从而产生缩孔不利 于试样边缘保持。 一般来讲，热硬化性材料比热塑性材料的边缘保持要更好，热硬化性 材料己二烯酞酸脂比起经济的酚醛树脂而言，提高的不是很多，效果最好的 是含有填充剂的环氧树脂。 热镶嵌需要有专用设备，图 2-12 是一种热镶嵌压力机。 图 2-12 热镶嵌压力机 冷镶嵌具有如下优点：可同时浇注多块试样，缩短工作周期短，镶嵌 试样不会发生组织转变、不产生变形（不加压），可以不需专用设备，可以 采用真空镶嵌技术，可以填充试样孔隙等。 常用的冷镶嵌料是丙烯酸树脂和环氧树脂。丙烯酸树脂的价格最便宜， 固化迅速，放热反应强烈，但其味道刺鼻，且收缩率高，试样边缘保持特性 不好。环氧树脂具有低收缩率、透明、与试样附着好、抗腐蚀剂作用、固化 缓慢至中等等特点，并且在真空下可流入试样的裂纹和孔隙，这样就可以保 持试样原有孔隙的形貌、数量与分布。而丙烯酸树脂由于粘度太大，不能用 于真空冷镶嵌。 图 2-13 是冷镶嵌操作过程示意图。冷镶嵌时，需要注意如下几个方面： 试样必须清洗干净并干燥，不要使用过期的产品，按照规定的配比仔细将树 脂与固化剂混合，混合后产生的热与环氧树脂的体积成正比，使用导热性好 的模具可以减少放热反应产生的热，大尺寸试样使固化时间增加。另外，镶 嵌介质应当与试样有良好的附着，并其不应产生固化收缩，否则会产生裂纹 或缝隙。若树脂与试样的硬度差别较大时，制备时试样部分容易凸起并在边 缘形成圆角，这时，将一定比例的陶瓷颗粒作为填料加入树脂中，可以提高 树脂固化后的硬度。所选用的陶瓷颗粒的磨光与抛光特性最好与金属材料相 12 匹配，这样可以获得好的金相试样。图 2-14 是 40Cr 钢用含有软陶瓷填料的 树脂经冷镶嵌后的金相照片，可见试样自边缘至内部均能保持平坦。 图 2-13 冷镶嵌操作过程示意图 Institute for Microstructural AnalysisInstitute for Microstructural Analysis 图 2-14 用含有填料树脂进行冷镶嵌的例子 图 2-15 是一种简易的真空浸透设备，如期所述，进行真空冷镶嵌可以 保持试样原有孔隙的形貌、数量与分布，对于多孔性试样，例如粉末冶金试 样、陶瓷试样、热喷涂涂层试样或经受过腐蚀的试样，可以进行真空冷镶嵌。 低真空(~85kPa)将孔隙内的空气抽走，使环氧树脂在浇注时得以进入与试样 表面连通的孔隙。这样就可以保持试样原有孔隙的形貌、数量与分布，并且 很容易与制备时产生的孔隙、脱落等缺陷区分开。 13 图 2-15 真空冷镶嵌装置示意图 如上所述，恰当的镶嵌样要比不镶嵌样获得更好的边缘保持，热压镶 嵌获得的边缘保持要比浇铸镶嵌好，电镀或化学镀镍的表面可提供良好的边 缘保持。如果热压镶嵌样在聚合反应之后冷却太快，镀层也许会与试样表面 被剥离留下缝隙。如果产生缝隙，镀层对边缘的保持效果就会消失。热塑性 材料热压镶嵌比热硬化性材料的效果差。最好的边缘保持镶嵌料是一种含硬 的填充材料的环氧基树脂。绝对不要在聚合反应之后对热硬化性材料进行热 脱摸并快冷到室温(例如：放入水中冷却)，以防由于镶嵌料与试样不同的热 收缩率而产生缝隙。使用全自动热压镶嵌机在保持压力的条件下将试样冷到 室温，这会把因收缩产生的缝隙减到最小。 2.1.3磨制 切割和镶嵌是试样制备的准备阶段，磨平、磨光和抛光是试样制备的 主要阶段。磨平和磨光过程是试样表面以高应力划过固定在某种基底(例如 砂纸的纸基)上的磨料颗粒后，在试样表面产生了磨屑(即材料去除)，留下了 磨痕，同时也形成了具有一定深度的变形损伤层。并最终导致显微组织产生 假相。所以，磨光的目的是要使试样表面的损伤逐渐减小，直到理论上为零。 实际操作时，只须使损伤减小到能够观察到试样的真实组织即可，只有电解 法(又称电解抛光)才能将试样表面的损伤全部去除。 磨光过程中试样表面损伤与研磨介质等有关，通常用于研磨制备金相 试样的研磨介质有：SiC、Al2O3、金刚砂(Al2O3-Fe3O4)、复合陶瓷、金刚 石等。金刚砂纸由于磨削效率太低，已经很少有人使用了。SiC 砂纸比氧化 铝砂纸更耐水浸，而氧化铝砂纸对一些材料有着比 SiC 更好的磨削率。 多年来人们一直使用碳化硅砂纸进行磨光，表 2-1 是多数金属材料试样 的传统制备方案。可以看到，在磨平、磨光阶段主要使用砂纸。图 2-16 是 14 SiC 砂纸的使用特性，在使用的开始阶段，随使用时间增加，试样表面的残 余损伤不断下降，但是，很快残余损伤就开始增加了。这是由于 SiC 磨粒的 菱角很快就被磨平了，这时必须要换新的砂纸，否则将产生累积损伤。所以， 碳化硅砂纸的使用寿命相当短，特别是当使用半自动磨光机时，一张砂纸只 能使用 1~2 分钟，甚至不足以完成装在一个试样夹持器上的多块试样的一道 工序，从而大大影响了制备的效率。另外，SiC 颗粒很容易嵌到软材料中， 造成组织假相，图 2-17 是一个实例。 所以，传统制备在试样表面易形成累积损伤，同时制备过程工序繁多 , 辅助操作时间长，使用砂纸的工序多，而砂纸的使用寿命却相当短，所以制 备质量和制备效率都低下。 表 2-1 多数金属材料试样的传统制备方案(采用半自动制样设备)多数金属材料试样的传统制备方案 阶段 制备表面 磨料及粒度 载荷 N 磨盘转速, rpm 方向 时间 min 磨 平 碳化硅砂纸 120 # (P120), 水冷 27 240 – 300, 相向 直至 平面 240 # (280), 水冷 27 240 – 300, 相向 1 320 # (P400), 水冷 27 240 – 300, 相向 1 400 # (P600), 水冷 27 240 – 300, 相向 1 粗磨光 碳化硅砂纸 600 # (P1200), 水冷 27 120 – 150, 相向 1 帆布 6 微米 Metadi 单晶金刚石研磨膏 27 120 – 150, 相向 2 细磨光 台球桌织物、 毛毡 1 微米 Metadi 单晶金刚石研磨膏 27 120 – 150, 相向 2 粗抛光 Microcloth 抛光 织物 0.3微米氧化铝液悬浮液, Micropolish 浆料 27 120 – 150, 相向 2 最终抛光 Microcloth 抛光 织物 0.05 微米氧化铝悬浮液 , Micropolish 浆料 27 120 – 150, 相向 2 注：相向指试样夹持器与磨盘的转向相同 图 2-16 SiC 砂纸的使用特性 15 图 2-17 SiC 颗粒(箭头)嵌入到 6061-T6 铝焊接件中(500X，0.5% HF 水溶液) 先进试样制备一般采用半自动或全自动制样设备进行，也包括磨平、 磨光和抛光三个阶段。其中，磨平是使固定在中心加载夹持器上的多块试样 处于同一平面；磨光是去除试样表面的变形损伤，使得试样的真实组织能够 被观察到；抛光是去除残余的微细磨痕。 先进试样制备方法的特点是：磨平阶段只需一道工序，磨光阶段只需 1 至 3 道工序，抛光阶段只需一道工序。 磨平可以看成是磨光的一种特殊形式。磨平可以使用半自动设备进行， 要将装在中心加载试样夹持器上的数个试样，在最短时间内都处于同一平 面。若使用碳化硅砂纸，则根据试样表面的粗糙程度进行砂纸选择，碳化硅 砂纸粒度范围：从 120 号(平均粒度 116 µm)至 240 号(平均粒度 51.8 µm)。 为了克服碳化硅砂纸的固有缺点，近年来研制出了多种新型的制备表面。新 型制备表面一般有如下特点：（1）使用金刚石磨料，材料去除速率高，可以 一开始就使用较细的磨料使损伤减小；（2）用于磨平, 可使工序数减至 1 道； （3）将磨光的工序数减至 1- 3 道；（4）使用寿命远比碳化硅砂纸长，一般 可以制备上千块试样。 图 2-18 是使用金刚石磨料和磨盘的使用特性，与图 2-16 的砂纸相比， 新型制备表面在使用过程中可以使残余损伤达到最小。新型制备表面主要是 一些不同类型的织物，并制成磨盘，使用金刚石磨料，如图 2-19 所示。还 有一种是金刚石磨光片，如图 2-20 所示，它是用树脂粘接、磨料固定的耐 用制备表面, 具有高的材料去除速率, 试样边缘平整性极好，使用时只需加 水，有多种磨粒尺寸可选，可用于铝、铁基材料、陶瓷、热喷涂涂层、玻璃、 碳化钨、铸铁、钛、高温合金等许多材料，使用寿命约为一千块试样。 图 2-21 是单晶金刚石磨料与多晶金刚石磨料的比较，可见多晶磨料有 更快的材料去除速率。 16 图 2-18 新型制备表面的使用特性 图 2-19 磨光片 图 2-20 金刚石磨光片 17 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 钛 不锈钢 铝青铜 钢 (HRC 60) 钢(HRC 20) 锌 Mono-Crystalline 单晶 Metadi Supreme 多晶 材 料 去 除 速 率 （ 微 米 /分 ） 图 2-21 单晶与多晶金刚石磨料材料去除速率比较 在现代制备技术中，对于脆性材料通常采用研磨技术。研磨是使坐落 在制备表面上的磨料颗粒在试样表面滚动，并使材料去除。研磨所造成的变 形损伤小于磨光时造成的变形损伤。 研磨后的表面无光泽，呈漫反射。研 磨技术一定不可用于延性材料，以免磨料嵌入试样表面。图 2-22 是研磨作 用示意图。 图 2-22 研磨作用示意图 获得无损伤表面是磨光阶段完成的标志，所以也有把磨光阶段称为无 损伤阶段。为了确认试样是否已完成无损伤(磨光)阶段，应当在抛光前用显 微镜在暗视场照明条件下检查磨痕是否保持良好的形貌。 18 2.1.4抛光 在获得无损伤表面后，就可以进行抛光，是试样制备的最后阶段。在 抛光时，坐落在抛光织物绒毛上的磨料颗粒能够上下起落，使其作用在试样 表面上的应力不足以产生磨痕。抛光的目的仅限于将磨痕去除。但抛光去除 磨痕的机制不同于磨光，目前对于抛光过程是否有材料被去除还未有定论。 现代制备技术中的抛光是用含有磨料的悬浮液与抛光织物配合，达到去除磨 痕的作用。常用的抛光悬浮液有： 氧化铝悬浮液：含有粒度均匀的 0.05 微米非团聚颗粒，使用时无须用 水稀释，可用于制备软材料(铝、黄铜、铜)、钢铁、以及非铁材料，适用于 自动配送系统； 胶体状二氧化硅悬浮液 I：含有 0.06 微米非晶态 SiO2 颗粒的水基悬浮 液，pH=9.6，通过化学机械抛光，用于制备软材料(铜和铝)以及陶瓷(氧化铝)； 胶体状二氧化硅悬浮液 II：含有不晶化的 0.02 微米非晶态 SiO 2 颗粒的 水基悬浮液，用于制备软材料(铜和铝)、陶瓷(氧化铝和氧化锆)、光学纤维(玻 璃和塑料)。 氧化铝与胶体状二氧化硅悬浮液：为 0.05 微米高纯度氧化铝与胶体状 二氧化硅的混合物，pH=9.0，具有抛光迅速，腐蚀作用适度。用于制备铁基 和非铁基材料、以及金属基复合材料。 图 2-23 是γ- 氧化铝悬浮液的抛光机制示意图，这个示意图明确表示 抛光时有材料去除。图 2-24 是胶体状二氧化硅悬浮液的化学抛光作用示意 图，SiO2 颗粒在其外表面有一个软的反应层，它的作用是将，试样表面的 反应层去除，使化学抛光得以继续。 图 2-23 γ- 氧化铝悬浮液的抛光机制示意图 19 图 2-24 胶体状二氧化硅悬浮液的化学抛光作用示意图 图 2-25 是传统制备方法与先进制备方法的比较，由图可见，先进制备 方法具有如下特点：（1）工序数目明显减少；（2）一般只在磨平阶段使用砂 纸；（3）无损伤(磨光)阶段普遍使用各种新型制备表面和多晶金刚石磨料； （4）无损伤(磨光)阶段至多三道工序；（5）抛光阶段只有一道工序。表 2-2 和表 2-3 分别是推荐的钢试样制备方法。 图 2-25 传统制备方法与先进制备方法的比较 表 2-2 钢试样三工序制备方案 阶段 制备表面 磨料及粒度 载荷 N 转速 rpm 时间 min 磨成平面 碳化硅砂纸 120#，水冷 27 240-300 相向 直至平面 无损伤 BuehlerHercules-H 磨光片 3 微米 Metadi Supreme 多晶金刚石 27 120-150 相向 5 20 抛光 Microcloth 抛光织 物 0.05 微米 Masterprep 氧化铝悬浮液 27 120-150 反向 5 注：相向指试样夹持器与磨盘的转向相同，反向指试样夹持器与磨盘的转向相反 表 2-3 钢试样四工序制备方案 阶段 制备表面 磨料及粒度 载荷 N 转速, rpm 方向 时间 min 磨成平面 碳化硅砂纸 120 #, 180 #, 或 240 # (P120, P180, 或 P280)水冷 27 240 – 300 相向 直至 平面 无损伤 BueherHercules H 磨光片 9 微米 Metadi Supreme 多晶金刚石悬浮液 27 120 – 150 相向 5 Texmet 1000 或 Trident 磨光织物 3 微米 Metadi Supreme 多晶金刚石悬浮液 27 120 – 150 相向 4 抛光 Microcloth, Nanocloth 或 Chemomet 抛光织物 0.05 微米 Mastermet 胶体状 SiO2 或 Masterprep 氧化铝悬浮液 27 120 – 150 反向 2 注：Texmet 1000 为一种无绒毛化学织物，与 Metadi Supreme 配合使用，可获得高材料 去除率，具有保持边缘平整、夹杂物不脱落的特性；Trident 为一种合成编织织物，可 缩短制备时间；Microcloth 为一种具有中等绒毛的合成织物 Nanocloth 为一种具有致密 短绒毛的合成织物；Chemomet 为一种耐腐蚀的无绒毛合成织物。 2.2 浸蚀 试样的显微组织大多在光学显微镜的明视场下进行观察，可以用化学 腐蚀法显示其组织，也可以在抛光条件下观察。前者主要用于显示抛光态下 不能观察的特定的组织结构；后者可以检查试样中的孔洞、裂纹以及非金属 夹杂等。通过显微组织的检查，可以揭示材料的机械性能和热处理过程。特 定的显微组织特点，可以根据图象分析程序按 ASTM 标准或企业内部开发 的标准来进行判别。 化学腐蚀是显示显微组织的主要方法，它是使试样表面某些部分有选 择地被溶解掉，而使组织细节显露出来，并产生适当的反差。这些部分可以 是：晶粒与晶界；不同取向的晶粒；不同的相；成分不均匀的相(偏析)等。 化学腐蚀剂的基本组成包括：腐蚀剂、缓冲剂和氧化剂。常用的腐蚀 剂有：盐酸、硫酸、磷酸、醋酸等；常用的缓冲剂有：乙醇、甘油等；常用 的氧化剂有：过氧化氢、Fe3+、Cu2+等。为了控制腐蚀时的溶解过程，氧 化速率必须受到控制。因此，在配制腐蚀剂时，应坚持使用蒸馏水。表 2-4 是常用的钢铁材料的化学腐蚀剂及其简单的使用说明，更多的腐蚀剂及其使 用请参阅相关 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 。 21 表 2-4 常用钢铁材料化学腐蚀剂及其简单的使用说明 化学腐蚀剂 说明 90～99ml 甲醇或酒 精+1～10ml 硝酸 适用于铁、碳钢、合金钢和铸铁，显示铁素体晶界及组织，特 别适合马氏体组织。最常用是 2％浓度，5％～10％适用于高合 金钢，浸蚀或擦拭试样，最长 60 秒。 100ml 酒精+4g 苦味 酸 建议用于铁素体和碳化物组成的组织结构，不能显示铁素体晶 界，可添加 0.5～1％氯化苄基以提高腐蚀效率和腐蚀均匀性。 100ml 酒精 +5ml 盐 酸+1g 苦味酸 适用于铁素体－碳化物组织结构，获得晶粒反差以便于测量奥 氏体晶粒度，用于 300～500℃回火的马氏体结果最好，偶尔也 能显示高合金钢中初生奥氏体晶界。显示不锈钢中组织的轮廓， 非常适合于工具钢和马氏体不锈钢。 饱和苦味酸+少量润 湿剂 多数情况下用于显示初生奥氏体晶界。非常适合于马氏体和贝 氏体钢。润湿剂使用十三烷基苯酯钠是最成功的，一般在 20～ 100℃使用，浸蚀或擦拭试样 2～60 分钟。 150ml 水+50ml 盐酸 +25ml 硝 酸 +1g CuCl2 用于含 18％镍的马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢。 100ml 水 +25g NaOH+2g 苦味酸 特别适合于碳化试样和碳化物。用沸腾溶液腐蚀 1～15 分钟或 电解腐蚀 30～120 秒，可以显示高碳钢奥氏体晶界。 3 份盐酸+2 份甘油+1 份硝酸 适用于奥氏体不锈钢。显示晶粒结构，σ相和碳化物的轮廓。 100ml酒精+100ml盐 酸+5g CuCl2 用于奥氏体和双相不锈钢。铁素体易浸蚀，碳化物不被浸蚀， 奥氏体被轻浸蚀。室温下擦拭或浸蚀。 15ml盐酸+10ml醋酸 +5ml 硝酸+2 滴甘油 适用于高合金不锈钢。 100ml 水 +10g K2Fe(CN)6+10gKOH 或 NaOH 更适用于铁素体不锈钢。20℃下腐蚀 7～60 秒显示碳化物，腐 蚀最长到 3 分钟可以隐约显示σ相。80℃下沸腾 2～60 分钟，可 以使碳化物发黑，σ相发蓝，铁素体发黄或棕黄，奥氏体不被浸 蚀。 100ml 水+10g 草酸 6Vdc 用于不锈钢电解腐蚀，15～30，秒显示碳化物，45～60 秒 显示晶界，6 秒后显示σ相轮廓。也可以用 1～3V，溶解碳化物， σ相被强腐蚀，奥氏体被中等腐蚀，铁素体不被腐蚀。 100ml 水+25g NaOH 用于马氏体、沉淀硬化双相不锈钢中铁素体的着色。 40ml 水+60ml 硝酸 电解腐蚀显示奥氏体不锈钢（304、316 等），但不显示孪晶晶界。 图 2-26 是 1.3％C 热轧碳素工具钢腐蚀剂选择的例子，可见，对于晶间 和晶内的渗碳体用碱性苦味酸钠腐蚀效果最好。 22 2% 硝酸酒精溶液 硷性苦味酸钠 90℃, 60 s 4% 苦味酸酒精溶液 图 2-26 腐蚀剂选用例子 热染法和化学染色法也是常用的试样显微组织显示方法。热染法是将 试样放在空气炉中加热，使其表面形成氧化膜。在光的干涉作用下，使不同 的相组成物或成分不均匀的相呈现出不同的颜色。氧化膜的厚度与加热温度 和时间有关。热染法简单易行，但不易控制，重现性差。化学染色法是用适 当的化学试剂与试样表面产生化学反应，形成一定的膜，使不同的相、不同 取向的晶粒或成分不均匀的相呈现不同的颜色。其中一些很稳定的相在室温 下不参与化学反应，因而不会被染色，仍保持为白亮色。 经过热染或化学染色腐蚀后的试样，如果在偏振光加灵敏色片的照明 条件下观察，可以使显微组织的色彩更加鲜艳。图 2-27 是退火的工业纯钛 经热染法制备后的金相组织，采用偏振光加灵敏色片进行观察，可以很好的 区分不同位向的晶粒。图 2-28 是铸态双相不锈钢固溶处理后的显微组织， 采用 LB 试剂腐蚀，奥氏体被染色而铁素体则不受影响。 显然，染色腐蚀技术并不是单纯地为了使显微组织好看，而是为了增 强显微组织的反差，更好地分辨出组织细节中的不同相和不同取向的晶粒以 及显微偏析的程度。人的眼睛只能辨别为数不多的不同灰度色调 (包括黑与 白)，但是却能够分辨上千种只有细微差别的颜色。所以，染色法并结合不 同的显微镜照明方式，可以获得高质量的金相显微组织，在材料研究中有广 泛的应用。 23 图 2-27 退火的工业纯钛金相 图 2-28 铸态双相不锈钢固溶处理后的显微组织 2.3 金相显微镜及其发展 金相显微镜是进行金相显微分析的主要工具，其成像原理图如图 2-29 所示。试样 ab 位于物镜的前焦点外很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一 个倒立的发大实像a’b’，这个像位于目镜的物方焦距内很靠近焦点的位置上， 作为目镜的物体。目镜将 a’b’再放大成虚像 a’’b’’，位于观察者的明视距离处， 供眼睛观察，在视网膜上形成最终的实像 a’’’b’’’。 现代显微镜一般采用 Köhler 照明系统，其光路图如图 2-30 所示。现今 显微镜的照明方式除了最常用的明视场照明外，还有暗视场、偏振光和微差 干涉衬度（DIC）三种照明方式，这是对明视场照明方式的重要补充。 图 2-31 是明视场照明光路示意图，图中 1 是光源，2 是平面玻璃反射 器，3 是反射光物镜，4 是试样表面，5 是镜筒透镜。对于立方金属来说， 明场可以较好的反映金相组织。但是，对于非立方结构材料或立方金属中的 非立方相来讲，使用明场很多时候并不能获得满意的图像，这时候使用偏振 光、暗场、DIC 有可能获得意想不到的效果。 24 图 2-32 是暗视场照明光路示意图，与明场相比较增加了 2 位置处的环 状光阑。暗场通过收集被表面粗糙、裂纹、凹陷、腐蚀台阶、沟等散射的光 线成像，用于晶粒结构等方面研究。 图 2-33 是偏振光照明光路示意图，与明场相比增加了 2 位置的起偏振 器和 6 位置的检偏振器。偏振光对于显示光各向异性材料的组织很有效，如 六立方系结构的钛、镁、锌等，试样抛光后未经腐蚀，在偏振光照明条件下 组织细节就可以清晰地显示出来。如果在光程中放入灵敏色片，还可以得到 鲜艳的彩色图象。 图 2-34 是微差干涉衬度(DIC)照明光路示意图，与偏振光照明相比，增 加了 4 位置的 DIC 棱镜。调节 DIC 照明光路中的棱镜可以产生不同色彩， 色彩显示了试样表面不同部位的高度差别。所以，DIC 观察到的色彩没有物 理意义，试样也无须腐蚀。 图 2-29 金相显微镜成像原理图 25 图 2-30 Köhler 照明系统光路图 图 2-31 明视场照明光路示意图 图 2-32 暗视场照明光路示意图 26 图 2-33 偏振光照明光路示意图 图 2-34 微差干涉衬度(DIC)照明光路示意图 显微镜的物镜在很大程度上决定了显微镜的成像质量，新的物镜按照 无限远象距进行设计，这种光学系统称为：无限远色差和象差校正的光学系 统，或简称无限远光学系统。目前世界上生产显微镜的主要公司，例如 Zeiss,Leica,Nikon,Olympus 等均已先后采用无限远光学系统设计显微镜。新 的高性能的物镜也被开发，如：平场消色差物镜、高倍干物镜、长工作距离 物镜等。 物镜的数值孔径决定了显微镜的有效放大倍数，有：550 NA < M 有效 < 1100 NA。这里，NA 是物镜的数值孔径，M 有效是显微镜的有效放大倍数。 实际上，显微镜的分辨率还与物象的反差有关，显微镜的照明条件、放大倍 数、观察条件也都会影响分辨率，所以，有人认为显微镜的有效放大倍数可 27 以更高：M 有效≈2200 NA。高倍干物镜的使用也使得金相显微镜有效放大 倍数的提高更易实现。另外，显微镜的同焦面性设计、多功能紧凑性设计、 显微照相和图象分析的数字化等技术的开发和应用，使得金相显微镜的性能 日益提高，应用更加的广泛。 由于材料试样显微组织的彩色显示以及暗视场、偏振光、DIC 等照明方 式的广泛使用，对试样制备的质量提出了更高的要求。任何微小的制备缺陷 都会暴露无疑，从而显著降低最终显微组织的质量。只有使用半自动制样设 备、新型制备表面和新型磨料 (特别是胶体状非晶态二氧化硅、单晶金刚石 和多晶金刚石)才有可能高效率地制备出高质量并具有重现性的试样。 第三章 铁碳相图 铁碳合金系是碳钢、低合金钢和铸铁的基础。图 3-1 是铁碳相图，其中 的实线是稳定系，为铁－石墨相图；虚线是亚稳系，为铁－渗碳体相图。铁 碳系中的相主要有： 1. 铁素体—碳在α- Fe 中的间隙固溶体； 2. 奥氏体—碳在γ-Fe 中的间隙固溶体； 3. 渗碳体—Fe3C,一种间隙化合物具有正交结构； 4. 石墨—属于六方晶系,很软且脆。 通常用 A1 表示亚稳定系的共析反应温度，用 A2 表示α- Fe 中的磁性 转变温度，用 A3 表示(γ-Fe)开始转变为(α- Fe)的温度，. 用 A4 表示(γ-Fe) 开始转变为(δ- Fe)的温度。铁碳相图(亚稳定系)中的有三个恒温反应，分别 为： 1. 包晶反应(1493℃)：液相+δ铁素体=奥氏体； 2. 共晶反应(1148℃)：液相=奥氏体+渗碳体； 3. 共析反应(727℃)：奥氏体=铁素体+渗碳体。 按照含碳量可以把铁碳合金分为钢和铸铁，具体如下： 28 图 3-1 铁碳相图 第四章 冷却转变曲线 冷却是热处理的重要工序，采用不同的冷却 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ，金属材料可以获得 不同的组织结构，进而获得不同的性能。冷却可以分为等温冷却和连续冷却， 通常采用等温冷却转变曲线和连续冷却转变曲线来了解金属材料在冷却过 程中发生的组织结构变化。 4.1 等温冷却转变曲线（TTT 图） 把钢加热到高温阶段，经一定时间等温后形成均匀的、无未溶碳化物 的奥氏体。然后把钢从高温快速冷却到设定的等温温度，找出奥氏体转变的 开始时间和终了时间，并将其画在温度－时间（对数）坐标图中，就获得了 奥氏体等温冷却转变图。 图 4-1 是用膨胀仪测定的奥氏体等温冷却转变的膨胀量（温度）－时间 曲线。图中曲线 1 是温度－时间曲线，曲线 2 是膨胀量－时间曲线，S 点为 冷却转变开始点，F 点为冷却转变终了点，分别对应 1％和 99％的奥氏体分 29 解量。把不同等温温度测得的 S 点时间和 F 点时间画在温度－时间（对数） 坐标中，连接相同意义的点，就得到了奥氏体等温冷却转变曲线。 图 4-1 膨胀量（温度）－时间曲线 图 4-2 是共析钢奥氏体等温冷却曲线。图中标出了 A1 温度，A1 温度 以上是未转变区，A1 温度以下有两条 C 形的曲线，其中左面的一条为转变 开始线，右面的为转变终了线，它们分别对应了 1％和 99％的奥氏体分解量。 由于冷却曲线的形状为 C 形，所以，通常把这类曲线称为 C 曲线。 在转变开始线的左方是过冷奥氏体区，在转变终了线的右方是奥氏体 转变产物区。在 C 曲线的高温区发生珠光体转变，在低温区发生贝氏体转变。 图中的 Ms 温度是马氏体转变的开始温度，它与奥氏体的成分有关。 图 4-2 共析钢奥氏体等温冷却曲线 30 当钢中含有合金元素，特别是含有 Cr、Mo 等碳化物形成元素时，会影 响 C 曲线的形状和位置。如图 4-3 为 40CrMnMo 钢的 C 曲线，图中的实线 是经 950℃、6s 奥氏体化，其珠光体转变和贝氏体转变分别是两个 C 曲线。 虚线是经 860℃、10min 奥氏体化，与实线比较，虚线向时间延长方向移动， 说明奥氏体化时间对 C 曲线位置也会有影响。 图 4-3 40CrMnMo 钢的 TTT 曲线 4.2 连续冷却转变曲线（CCT） 在实际工业生产中更多采用的是连续冷却，对其有指导意义的当然是 连续冷却转变曲线。 测定奥氏体连续冷却转变曲线的方法同测定等温冷却曲线的方法相 近，只是把奥氏体化后的试样以一系列恒定的速度冷却，得到相应冷速下的 转变开始和转变终了时间，将其画在温度－时间（对数）坐标图中，便获得 了奥氏体连续冷却转变曲线。 图 4-4 是共析钢连续冷却转变曲线，图中的 v1、v2、v3 是不同的冷却 速度。与等温冷却曲线相比较（图中的实线），在连续冷却过程中，珠光体 转变被推迟，贝氏体转变被抑制。所以，共析钢的连续冷却曲线就好像只有 半个 C 曲线。 31 图 4-4 共析钢连续冷却转变曲线 对于有贝氏体转变的 C 曲线，如亚共析钢，由于贝氏体转变的发生， 将使随后发生的马氏体转变开始温度下降，如图 4-5 所示。 图 4-5 亚共析钢的 CCT 图 在实际生产中，连续冷却过程中的冷却速度通常不是恒定的，如零件 的不同截面的冷却速度是不同的，在不同介质中的冷速也不同。所以，在连 续冷却曲线中，通常标上了不同直径的试棒、在不同冷却介质中试棒中心的 冷却速度，如图 4-6 所示。由图可见，直径 2mm 的试棒冷到空气中与直径 40mm 的试棒冷到油中的效果是一样的，与直径 50mm 的试棒冷到水中的效 果也是一样的。图中还标出了在不同冷速下获得的组织结构种类，以及它们 的数量。下发的图还反映了经不同冷速冷却后和经不同温度回火后的硬度。 使用连续冷却曲线可以很容易的用于不同的目的，如：了解材料或工 32 件获得一定组织结构和性能所需的冷却能力、了解工件或材料的变形等。但 是，在使用连续冷却曲线时，要注意到材料或零件的前期处理的影响、成分 波动的影响等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 图 4-6 40CrMnMo 的 CCT 图 参考文献 1 金属学实验，谢希文等编，上海科学技术出版社，1987 年版 2 金相分析，上海交通大学编，国防工业出版社，1982 年版 3谢希文，先进试样制备技术_宝钢 07 年讲座 4 Buehler 公司网站