光學金相顯微分析

概述

guangxuejinxiangjianyan光學金相顯微分析opticalmetallographicexamination用肉眼、放大鏡或光學金相顯微鏡觀察金屬材料的組織(或缺陷)及其變化規律的一種材料物理試驗。通過光學金相顯微分析可以控制加工工藝，保證產品質量；找出機器零部件的失效原因，以提高產品的性能和壽命；研究材料的組織和成分與性能之間的關係，為發展新工藝、新材料、新設備提供依據。光學金相顯微分析一般都應參照相應的檢驗標準，如晶粒度標準、夾雜物標準、巨觀檢驗標準和馬氏體級別標準等來進行。光學金相顯微分析包括巨觀檢驗和顯微組織檢驗兩部分。巨觀檢驗用肉眼或30倍以下的放大鏡檢測巨觀組織和缺陷。這種檢驗所需設備簡單，故套用廣泛。常用方法有侵蝕法、斷口法和印痕法。①侵蝕法-包括熱酸蝕、冷酸蝕、電解酸蝕等。套用化學藥品進行侵蝕以顯示金屬鑄錠、鑄件或型材等的巨觀組織和缺陷，如偏析、疏鬆、夾雜、縮孔、氣泡、裂縫、摺疊、表面脫碳、發紋和粗晶等。圖1[1Cr13不鏽鋼方錠橫截面，經50％鹽酸水溶液在78℃時侵蝕20分鐘][後所顯示的巨觀組織]為1Cr13不鏽鋼方錠用熱酸蝕法顯示的巨觀組織照片。從圖[1Cr13不鏽鋼方錠橫截面，經50％鹽酸水溶液在78℃時侵蝕20分鐘後所顯示的巨觀組][織]中可看出因激冷形成的表層細等軸晶區、向著錠心成長的柱狀晶區和內部粗等軸晶區，以及錠心處串聯成海綿狀的疏鬆缺陷。②斷口法-將金屬材料折斷，以觀察斷口的組織和缺陷。這種方法對顯示晶粒粗細、滲層厚度、分層、白點、裂縫等特別適用。圖2[用斷口法顯示的鋼材縱向斷口上的白點]為用斷口法顯示的鋼中白點（發裂）缺陷。白點還可通過酸蝕法在橫向試片上顯示，但不如在縱向斷口上顯示得清楚和直觀。③印痕法-主要指鋼鐵檢驗中套用的硫印和磷印法。硫印法是將經2～5％硫酸水溶液浸潤過的相紙覆於鋼鐵試片表面上，使試片中的硫化物與相紙上的溴化銀作用而生成硫化銀沉澱的斑點，從而顯示出硫的多少和分布狀況。磷印的原理與硫印相似，但其圖象所顯示的是磷的分布情況。各種巨觀檢驗方法各有一定的適用範圍須根據檢驗目的不同而進行選擇。顯微組織檢驗利用金相顯微鏡來觀察、分析金屬材料的顯微組織和微觀缺陷。檢驗內容包括測定各組成相和夾雜物的種類、分布和形態特徵，有無孔隙、裂紋等存在並確定其數量和分布情況。檢驗目的是通過這些觀察和分析，進一步了解金屬材料的各種顯微組織和微觀缺陷的形成規律以及它們與各種性能之間的關係。金相顯微鏡的放大倍率一般不超過2000倍，其分辨極限約為0.2微米。在檢驗孔隙和夾雜物時，通常先在材料或機件上具有代表性的部位取樣，然後經磨平、拋光即可觀察。如欲檢驗顯微組織，則還須將金相試樣再用化學或其他物理方法進行組織顯示，具體方法視檢驗目的而定。鋼鐵中的常見顯微組織在工業用金屬材料中以鋼鐵套用最廣，它們在加熱和冷卻過程中形成各種具有不同性能的顯微組織。常見的鋼鐵顯微組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、貝氏體和馬氏體。①鐵素體-碳溶解在具有體心立方晶體結構的鐵(-Fe或-Fe)中所形成的固溶體。鐵素體一般硬度較低，塑性較好。經硝酸溶液侵蝕後，鐵素體晶粒在顯微鏡下呈均勻白亮的多邊形（圖3[鐵素體晶粒(100倍)4％硝酸酒精溶液侵蝕]）。由於各晶粒取向不同，相互間常有明暗之分。因含碳量的變化和冷卻條件的不同，鐵素體還可能以網狀、針狀、片狀等形態出現。②奧氏體-碳溶解在具有面心立方晶體結構的鐵(-Fe)中所形成的固溶體。通常在高溫時存在，但由於合金元素的加入，有時也可能在室溫時穩定存在，如高錳鋼，Cr18-Ni8型奧氏體不鏽鋼等。奧氏體晶粒(圖4[奧氏體晶粒(500倍)10％高氯酸酒精溶液電解拋光-侵蝕])在顯微鏡下一般也呈多邊形，但晶界較鐵素體晶界平直。奧氏體塑性較好，但強度較低。③滲碳體-碳與鐵的間隙型化合物(Fe3C)，屬複雜斜方晶體結構，含6.67％的碳。硬度高，塑性和韌性很低，不受硝酸酒精溶液侵蝕，故在顯微鏡下呈白亮色。其形態有條塊狀、細片狀、針狀和球狀等。它是碳鋼中的主要強化相，其形態、大孝數量、分布等對鋼的性能有很大影響。④珠光體-奧氏體從高溫冷卻下來所形成的鐵素體和滲碳體的兩相共析組織，其疏密程度受形成時過冷度的影響，過冷度越大則越細密，強度和硬度也越高。圖5[片狀珠光體(500倍)4％硝酸酒精溶液侵蝕]為鋼中的片狀珠光體，呈指紋狀的層狀排列，其中細條狀者為滲碳體，白色基底為鐵素體。⑤貝氏體-過冷奧氏體在中溫區域轉變而成的鐵素體和滲碳體兩相混合組織（有時可能有奧氏體）。主要有上貝氏體（羽毛狀）、下貝氏體（針狀）和粒狀貝氏體3種形態。上貝氏體形成溫度較高，下貝氏體形成溫度較低，粒狀貝氏體則是某些合金鋼在一定冷速範圍內連續冷卻過程中形成的。圖6[下貝氏體(1500倍)4％硝酸酒精溶液侵蝕]為鋼中的下貝氏體組織，呈黑色針狀。⑥馬氏體-碳在-Fe中的過飽和固溶體，是奧氏體在很大的過冷度條件下形成的低溫轉變產物。按含碳量的不同主要有低碳馬氏體和高碳馬氏體兩種形態。前者在金相顯微鏡下呈細條狀並同向成束排列，故又稱板條狀馬氏體（圖7[板條狀馬氏體（500倍)4％硝酸酒精溶液侵蝕]），在一個奧氏體晶粒中可出現多個不同位向的馬氏體束。它有較好的強度和韌性，是低碳鋼和低合金鋼中具有良好性能的組織。高碳馬氏體相互交叉成針狀或竹葉狀，故又稱針狀馬氏體(圖8[針狀馬氏體(500倍)4％硝酸酒精溶液侵蝕])。在針葉之間常有殘餘奧氏體存在。針狀馬氏體脆性大，硬度高，一般須經回火後使用。