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金相检验全解

日期:2020-08-15 00:59
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摘要:总述:金相检验是研究金属及合金内部组织的重要方法之一,实验目的为以下三个方面: 1.观看金相组织层 2.观看金相颗粒形状结构
 一、金相观察需要哪些专业知识以及标准

1.        知道金属成分型号的情况下,按成分型号查找相应的国家标准,国标上翻找试验方法或判定方法,按方法制样,观察分析,经验判定。

2、  不知道成分型号的金属,使用光谱分析出成分含量,按含量查询型号,得出型号后查找所需要的资料以及标准,按标准进行试验。


 二、金相试样的制备

     为了在金相显微镜下正确有效地观察到内部显微组织,就需制备能用于微观检验的样品――金相试样,也可称之为磨片。金相试样制备的具体步骤为:取样—嵌样(对于小样品)—磨光—抛光一浸蚀等。

1、  取样

取样原则:手工用金相显微镜对金属的一小部分进行金相研究,其成功与否,可以说首先取决所取试样有无代表性。在一般情况下,研究金属及合金显微组织的金相试样应从材料或零件在使用中重要的部位截取;或是偏析、夹杂等缺陷严重的部位截取。在分析失效原因时,则应在失效的地方与完整的部位分别截取试样,以探究其失效的原因。对于生长较长裂纹的部件,则应在裂纹发源处、扩展处、裂纹尾部分别取样,以分析裂纹产生的原因。研究热处理后的零件时,因组织较均匀,可任选一断面试样。若研究氧化、脱碳、表面处理(如渗碳)的情况,则应在横断面上观察。有些零部件的“重要部位”的选择要通过对具体服役条件的分析才能确定。

    2、试样截取

手工无论采取何种截取方法截取试样,都必须保证不使试样观察面的金相组织发生变化。软材料可用锯、车、刨等方法切取;硬材料可用水冷砂轮切片机、电火花切割等方法切取;硬而脆的材料(如白口铸铁),也可用锤击法获取。对于要测量表面处理层深的试样,要注意切割面与渗层面垂直。研究轧制材料时,如研究夹杂物的形状、类型、材料的变形程度、晶粒拉长的程度、带状组织等,应在平行于轧制方向上截取纵向试样;如研究材料表层的缺陷、非金属夹杂物的分布,应在垂直轧制方向上截取横向试样。金相试样较理想的形状是圆柱形和正方柱体。以具体情况而定。一般可取高为10~15mm,直径Φ1O~15mm;方形试样边长为10~15mm为宜。在实际工作中,由于被检材料和零件的品种极多,要在材料和零件上截取理想的形状与尺寸有一定的困难,一般可按实际情况决定。但是以试样的高度为其直径或边长的一半为宜,形状与大小以便于握在手中磨制为原则。

所需主要设备:金相切割机,分为台式和立式两大类:







3、试样镶嵌

手工当试样尺寸过小、形状特殊(如金属碎片、丝材、薄片、细管、钢皮等)不易握持,或要保护试样边缘(如表面处理的检验、表面缺陷的检验等)则要对试样进行夹持或镶嵌。

镶嵌可分为冷镶嵌和热镶嵌。冷镶嵌指在室温下使镶嵌料固化,一般适用于不宜受压的软材料及组织结构对温度变化敏感或溶点较低的材料。热镶法是把试样和镶嵌料一起放入钢模内加热加压,冷却后脱模。后者的使用较为广泛。实验室使用的上海日用电机厂生产的XQ-2型金相试样镶嵌机,这种镶嵌机操作简单,温度自动控制的范围的选择便利。主要缺点是模套不能变更,对试样的尺寸适应性较差,其次是不能强制冷却。嵌料常用的有酚-甲醛树脂、酚-糠醛树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯前两种主要为呈热凝性的材料,后两种为热塑性材料,并呈透明和半透明性。在酚-甲醛树脂内加入木粉,即常用的所谓“电木粉”,它可以染成不同颜色。常用热镶嵌工艺见表1-1,





热镶嵌中会碰到一些缺陷,这些缺陷的成因、补救办法见表1-2。





常用的金相镶嵌机如下图:







4、试样磨光

手工磨光的目的是要能得到一个平整的磨面,这种磨面上还留有极细的磨痕,这将在以后的抛光过程中消除。磨光工序又可分为粗磨和细磨两步。

粗磨

手工对于软材料可用锉刀锉平,一般材料都用砂轮机磨平。操作时应利用砂轮侧面,以保证试样磨平。要注意接触压力不宜过大同时要不断用水冷却,防止温度升高造成内部的组织发生变化。*后倒角时防止细磨时划破砂纸。但对需要观察脱碳、渗碳等表面层情况的试样不能倒角,有时还要采用电镀敷盖来防止这些试样边缘倒角。粗磨完成后,凡不作表面层金相检验的棱边都应倒成小圆弧,以免在以后的工序过程中会将砂纸或抛光物拉裂。甚至还可能会被抛光物钩住而被抛飞出外,造成事故。

细磨

细磨的方法有手工磨光和机械磨光。

细磨的目的是消除粗磨遗留下来的深而粗的磨痕,为抛光作准备。细磨本身包括多道操作,即在各号砂纸上从粗到细顺序进行。细磨操作方式有手工磨光和机械磨光两种。在磨光过程中如果用水或汽油等润滑冷却液则称之为“湿式磨光”,否则就称之为“干式磨光”。从磨光效率及质量而言,“湿式磨光”显然要比 “干式磨光”好。从总体趋势来看,“湿式”、“机械磨光”将逐步替代“干式”、“手工磨光”。

细磨的磨削工具是砂纸。砂纸由纸基、粘结剂、磨料组合而成。手工磨光主要使用干砂纸,机械磨光要求使用水砂纸。这两种砂纸的主要区别在纸基和粘结剂上。水砂纸自然要求纸基=粘结剂都能防水。它们的磨料基本相同,主要有人造刚玉、碳化硅及氧化铝。按照磨料颗粒粗细尺寸砂纸分为各种规格,分别编号。磨料尺寸一般用“粒度”单位。对用筛选法获得的磨粒来说,粒度号是用1英寸长度上有多少个孔眼的筛网来确定的。例如10号粒度是指1英寸长度上有10个孔眼的筛网;如果磨粒的粒度以它的实际尺寸来表示,就用“W”单位,这种磨粒也称为微粉。如28微米的微粉其粒度号为W28。干、水砂纸的编号、粒度尺寸分别见表1-3、1-4。

表1-3干砂纸编号和粒度尺寸






手工磨光法是把使用放在垫有平玻璃板或平铁板的金相砂纸上进行推磨。为了保证试样试面平整而不产生弧形,在磨面上所施力应力求均衡,磨面与砂纸完全接触。同时磨削应循单方向进行,向前推行时进行磨削,回程时把试样提离砂纸。细磨时一般依次从0号(W40)开始,逐一换细一号的砂纸推磨,一般钢铁试样磨到04号砂纸,软材料如铝、镁等合金可磨到05号砂纸。每换下一号细砂纸时,应将试样和手冲洗干净,并将下面垫的玻璃板擦干净,谨防粗砂粒掉入细砂纸上,同时磨面方向应旋转90°,以便观察上次磨痕是否磨掉。

在细磨较软的金相试样时,如铝、镁、铜等有色金属是应该在砂纸上涂一层润滑剂,可防止砂粒嵌入软金属材料内,同时减少表面撕损现象。常用的润滑剂有机油、石蜡、汽油溶液、汽油、皂化水溶液、甘油水溶液等。

机械磨光法 随着技术生产的发展,费时的手工细磨操作正在被便捷的机械细磨逐步代替。机械细磨的主要优点是效率高、同时由于在磨光过程中有水不断冷却、润滑热量及磨粒不断被带走,因此不易产生变形层,金相试样的质量容易控制。

机械细磨的主要设备是预磨机。预磨机主要由一个电动机带动一个或两个转盘及冷却部分组成,电动机的转速为600r/min。冷却水直接可接用自来水,流量可调。机械细磨要用水砂纸,其规格分档情况见表1-4机械粗磨时,可选用粒度号为50~180的水砂纸。细磨时相对应于手工推磨的操作过程分别可选用粒度号为240、320、400和600的水砂纸。从水砂纸的安装方法来分水砂纸可分为两种形式,一种背面光滑的,安置时要用卡圈把它固定在转盘上,或用少许的牛油粘合。这是较通用的一种。还有一种是外形和工作盘一致的、背面涂有压敏胶的水砂纸,使用时可直接粘贴在转盘上,十分方便。

手工细磨时要求的一些事项同样适用于机械细磨过程。机械细磨时更应注意勿使金相试样发热。若使用可调预磨机时,随着水砂纸的粒度号增加,转盘速度应相应减低。

先进的自动磨光机装有计算机,可对磨光过程进行程序控制。

5、试样抛光

抛光的目的是除去金相试样磨面上由细磨留下的磨痕,成为平整无疵的镜面。尽管抛光是金相试样制备中的*后一道工序并由此而得光滑的镜面,但金相工作者的经验是:在金相试样磨光过程中要多下功夫,因为抛光的作用仅能去除表层很薄一层金属,所以抛光结果在很大程度上取决于前几道工序的质量。有时抛光之前磨面上留有少量几条较深的磨痕,即使增加抛光时间也难以除去,一般必须重新磨光。故抛光之前应仔细检查磨面,是否留有单一方向均匀的细磨痕否则应重新磨光,以免白费时间。这是提高金相试样制备效率的重要环节。

机械抛光

这种方法使用较为广泛。是在专用的金相样品抛光机上进行,转速一般在200~600n/min。粗抛时转速要高些,精抛或抛软材料时转速要低些。在抛光盘上蒙一层织物,粗抛时常用帆布、粗呢等,精抛时常用绒布、细呢金丝绒与丝绸等。抛光时应在织物上洒以适量的抛光磨料(又称抛光粉)。常用的抛光粉。有以下几种:

氧化铝(AL2O3) 硬度仅略低于金刚石及碳化硅。天然的氧化铝称为“刚玉”,广泛使用的是人工制得的电熔氧化铝砂粒——人造刚玉。刚玉的纯度越高越接近无(白)色,杂质越多暗红色越深。金相抛光采用白色细颗粒(0.3~1u)氧化铝微粉它是能令人满意的抛光磨料,用于粗抛和精抛。

氧化铬(Cr2O3) 原是一种不褪色的绿色染料,具有很高的硬度,常用于抛淬火钢及铸铁等试样。除氧化铬粉外,现常用块状的氧化铬抛光膏。

以上两种抛光磨料要分别将它们制成水悬溶液后使用,一般为一份抛光磨料加二十份水。开始操作时浓度可以高一点,以后逐渐浓度降低。

氧化镁(MgO) 一种粒度极细的精抛磨料。白色,硬度较低,用于精抛有色金属或铸铁夹杂物检验的试样。极易潮解形成氢氧化镁或碳酸镁(若有足够的CO2存在),磨削性能也随之丧失,因此氧化镁应该用蒸馏水随用随调制,平时氧化镁应密封保藏,切勿受潮。

金刚石粉 具有极高硬度和良好的磨削作用。抛光软、硬材料都有良好的效果。可用于抛光硬质合金等极硬的材料。是极理想的抛光磨料。金刚石研磨膏是由金刚石粉配以油类润滑剂制成它的特点是抛光效率高,抛光后表面质量好。金刚石研磨膏的分档按金刚石粉粒的实际尺寸(微米)划分,如W3.5的研磨膏其颗粒的*大尺寸为3.5微米。抛光金相试样用的研磨膏一般选用W7-5作为粗抛,选用W2.5-1.5作为精抛。

抛光目前常用设备为磨抛一体机,取代前面粗磨、精磨、抛光三种设备。该设备速度可调,可通过更换不同目数砂纸、抛光布来实现上面三道工序。





6、试样显示

抛好光后的试样,若直接放在显微镜下观察,只能看到一片亮光,仅能观察某些非金属

夹杂物、灰口铸铁中的石墨、粉末冶金制品中的孔隙等,无法辨别出各种组成物及其形态特

征。为了把磨面的变形层除去,同时还要把各个不同的组成相显著地区分开来,得到有关显微组织的信息,就要进行显微组织的显示工作。按金相组织显示方法的本质可以分为化学、物理二类。化学方法主要是浸蚀方法,包括化学浸蚀,电化学浸蚀及氧化法,是利用化学试剂的溶液借化学或电化学作用显示金属的组织。金相试样表面的化学浸蚀可以是化学溶解作用,也可以是电化学溶解作用。这取决于试样材料的组成相的性质及它们的相对量。

一般把单相合金或纯金属的化学浸蚀主要看作是化学溶解过程。两相以上的合金,由于各组成相具有不同的电极电位,当试样浸入具有电解液作用的的侵蚀剂中,就在两相之间形成无数对“微电池”,具有负电位的一相成为阳极,被迅速地溶入侵蚀剂中,而使得该相形成凹槽,具有正电位的一相成为阴极,在正常的化学作用下不受侵蚀而保留原有光滑表面。当光线照射在凹凸不平的试样表面时,由于各处对光线的反射程度不同,在显微镜下就能观察到各种不同的组织即组成相,图1-16是具有两相(铁素体十渗碳体)的共析钢(T8)退火组织的浸蚀过程。铁素体为阳极易被浸蚀,渗碳体为阴极不易被浸蚀,所以渗碳体凸出,而铁素体凹下。因此,在显微镜下显示出铁素体和渗碳体的交界线。

对于钢铁材料,较为常用的漫蚀剂为4%硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精溶液。前者浸蚀热处理后的组织较适合;后者浸蚀缓冷后组织较好。浸蚀的方法可以是“浸入法”和“擦拭法”。浸蚀时间根据要求确定,不能太深也不能太浅,一般使表面由亮变灰白色即可。浸蚀后应立即用水冲洗,然后用酒精擦洗,用吸水纸吸干或吹风机吹干,才能在显微镜下观察。要注意试样表面不能用纸或其它东西去擦,更不能用手去摸,否则表面就会受到损坏,无法观察。侵蚀后的样品应保持在干燥器中,以防止潮湿空气的氧化。若氧化了只能重新抛光和浸蚀才能再进行观察。金相观察需专业的金相显微镜,常用设备如下图:






三、常备金相耗材

切割过程:金相切割片、切割润滑冷却液

镶嵌过程:镶嵌料、透明镶嵌料、脱模机、样品夹等

磨抛机:金相砂纸、金刚石抛光悬浮液、抛光绒布、转换盘、冷却润滑液等

腐蚀:适合试验材料的腐蚀剂。


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