金相實驗技術(shù)在金屬材料研究中的應(yīng)用

金 迪

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 徐州221000)

0 前言

金相學(xué)所研究的是合金組織和金屬的一門科學(xué)，它所應(yīng)用的是通過金屬顯微鏡來觀察并且以此來研究金屬組織的內(nèi)部和性能二者之間的關(guān)系，從冶金領(lǐng)域來追溯，應(yīng)用金相學(xué)早在十六世紀就開始了，早在十九世紀六七十年代就已經(jīng)有利用金相顯微鏡來系統(tǒng)的對鋼鐵的組織進行研究。在十九世紀之后，顯微鏡取得了快速的發(fā)展，它的功能和作用也越來越多。在1909年出現(xiàn)了高溫金相的應(yīng)用，在1924年出現(xiàn)了偏光的應(yīng)用，在1934年產(chǎn)生了低溫金相裝置，在1948年產(chǎn)生了多光束干涉儀，隨后的兩年相襯的應(yīng)用和偏光干涉顯微鏡的出現(xiàn)等一系列顯著的和突飛猛進的成果，這也使得金相實驗的技術(shù)得到了廣泛的研究和使用。本文對金相實驗技術(shù)所涵蓋的內(nèi)容和原理進行了簡單的概述，對金相實驗技術(shù)在金屬材料研究中的應(yīng)用做了分析和探討，希望能夠向有關(guān)材料的研究人員提供有益的參考。

1 傳統(tǒng)的金相實驗技術(shù)現(xiàn)狀分析

“金相”一詞含有金屬的相貌和金屬的相片的含義。金相是金相學(xué)的同源詞，現(xiàn)如今金相學(xué)是一個比較復(fù)雜的主題，它由不同的學(xué)科知識所組成，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步在不同的發(fā)展階段包含著不同學(xué)科的知識。從廣義上來說，金相學(xué)所主要包括的內(nèi)容有：研究金屬及其合金的組成部分、物性和金體結(jié)構(gòu)二者之間的關(guān)系，顯微組織、宏觀組織和電子顯微鏡金相研究的一門科學(xué)。傳統(tǒng)的研究方法主要有三個方面：一是制備金相試樣，二是金相顯微鏡，三是攝影技術(shù)。

金相實驗技術(shù)的優(yōu)點突出表現(xiàn)在這樣幾個方面：一是，設(shè)備簡單便捷，二是，內(nèi)容豐富，三是，使用方法實用等等。正是因為如此，現(xiàn)如今在研究金屬中所使用的最基本的方法中，金相實驗技術(shù)仍然被廣泛利用。近些年來，電子顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射、電子探針以及圖像分析儀等許多先進的實驗工具的出現(xiàn)，使得人們對金相實驗技術(shù)有所忽視。在他們看來，采用新的實驗工具和實驗方法才能夠更好的解決問題，但是在實際運用上卻并不盡然。

2 金相宏觀實驗技術(shù)及發(fā)展趨勢

金相實驗技術(shù)有兩大類：一是，宏觀金相實驗技術(shù)；二是，微觀金相實驗技術(shù)。宏觀金相實驗技術(shù)也稱為低倍實驗技術(shù)，主要包括斷口檢驗，硫印實驗和酸蝕實驗等等。微觀金相實驗技術(shù)也稱作高倍實驗技術(shù)，主要有非金屬夾雜物分析，顯微組織分析以及相分析和高低溫金相等。 宏觀實驗技術(shù)指的是用肉眼或者是二十倍以下的低倍放大鏡以此來分析金屬材料以及其制品的宏觀方面的組織以及缺陷。通過這種技術(shù)，能夠很好的了解所實驗的金屬在熔煉或者是在加工中的質(zhì)量。宏觀分析具有方法簡便和設(shè)備簡單容易操作的優(yōu)點。但是受到檢查面積大因素的影響，所以能夠比較全面的對材質(zhì)的情況進行反映。

2.1 硫印試驗方法

硫印試驗方法在檢驗金屬中的硫元素中是一種宏觀的試驗法。硫它在鋼中是以硫化物這樣的形式存在的，能夠用宏觀試驗和微觀試驗兩種方法來檢查。由于硫印法檢驗的面積大，這種方法能夠反映處在整個鋼材截面上硫的分布情況。因此，在一些含硫量比較高的鋼材上，該方法也不失為一種簡單實用的試驗方法。硫印法它的基本原理是通過硫化物和稀硫酸二者的反應(yīng)作用，產(chǎn)生硫化氫氣體。該氣體和照相紙上的物質(zhì)（鹵化銀）進行反應(yīng)，從而能夠產(chǎn)生硫化銀沉淀物，這樣能夠在相紙上留下痕跡，該痕跡呈深棕色。該方法它的主要操作步驟有三：首先是將被檢測的鋼材面進行磨光處理。其次，在暗室內(nèi)將硫酸水溶液內(nèi)的相紙藥面貼在試驗的表面上。最后，經(jīng)過數(shù)十分鐘的反應(yīng)后，在將相紙取下，通過水洗定影后再水洗，這個過程后再經(jīng)過烘干就可以了。

2.2 酸蝕試驗方法

酸蝕試驗方法主要有這樣幾種：電介酸蝕法，冷酸浸蝕法，熱酸浸蝕法，以及塔形車削檢驗方法等等。利用酸液來對金屬材料的各個組成部分的顯示腐蝕程度的金屬的低倍組織和缺陷。制備步驟是：首先，將需要檢驗的材料表面進行磨光處理，其次在熱酸中經(jīng)過一定時間的腐蝕。最后把腐蝕面清洗干凈并保持干燥。使用這種方法的目的主要是來檢查是否存在以下四個方面的內(nèi)容。一是，熱處理過程中所形成的滲碳、脫碳以及硬化層等等。二是，鑄態(tài)結(jié)晶組織的分布情況。比如說柱晶帶、細晶帶等等軸晶帶的分布情況，以及晶粒的大小、形狀和定向結(jié)晶的情況等等。三是，在進行壓力加工時所形成的流線以及晶粒的大小是否均勻，是否出現(xiàn)折疊和裂紋等等情況。四是鑄件凝固時所形成的氣泡、縮孔、偏析、白點、夾雜物、軸心裂紋和翻皮以及焊接中是否存在缺陷和發(fā)紋等等。

3 金相微觀實驗技術(shù)及發(fā)展趨勢

微觀實驗技術(shù)借助的是小于3200倍的放大倍數(shù)較高的金相顯微鏡，以此來觀察金屬存在的缺陷和金屬組織的結(jié)構(gòu)。一般來說，金屬材料的性質(zhì)是由所存在的組織來決定的。觀察金屬材料的組織，是金相顯微鏡在研究方面所發(fā)揮的突出的作用。在今后很長一段時間它仍然是金屬實驗室中經(jīng)常采用的一種工具和方法。

3.1 金相顯微鏡

顯微鏡是由物鏡、目鏡以及與光源相關(guān)聯(lián)的一些輔助系統(tǒng)來組成的。物體是通過目鏡和物鏡的雙重放大所得到的較高倍數(shù)的放大影像。人們在分析中將樣品進行拋光處理和侵蝕之后，把它放在金相顯微鏡下進行觀察，可以呈現(xiàn)金屬在不同狀態(tài)下的顯微組織，經(jīng)過顯微鏡的觀察能夠了解在這些不同狀態(tài)下金屬組織的形貌，以此能夠更好的對金屬與合金進行摸索，總結(jié)出相變規(guī)律，通過找尋各種缺陷的根源從而能夠判斷出造成金屬構(gòu)建損壞的原因所在，以此能夠選擇更為合適的加工藝和熱處理技術(shù)。此外，還可以根據(jù)所選的不同的照明方式來提高所呈影像的立體感。

3.2 偏光顯微鏡

偏光顯微鏡是通過檢偏器和起偏器二者的配合來進行工作的。將起偏器放在光源后和物鏡前，能夠把光的震動限制在與光的傳播方向相垂直的平面的某一方向上就可以獲得偏振光。把檢偏器放在樣品的反射光之后，通過二者的相對轉(zhuǎn)動，二者的震動面就可以轉(zhuǎn)到相互垂直的位置上。非金屬夾雜物和金屬材料按照光學(xué)的性能劃分為兩類：一是，各向同性；二是，各向異性。

3.3 顯微硬度

在研究領(lǐng)域中顯微硬度已經(jīng)成為了研究金屬學(xué)所不可缺少的工具。尤其是在對金屬金熱處理進行研究和表面處理進行研究上都得到了比較廣泛的應(yīng)用。顯微硬度對化學(xué)成分分布不均勻的相距有很高的鑒別能力，顯微硬度對擴散層性能進行研究時是一個廣泛采用的比較好的方法。

［1］姚鴻年.金相實驗技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].理化檢驗：物理分冊,2009.

［2］許順生.金屬X射線學(xué)[M]．上海科技出版社，1962.