什么是金属显微组织检验?

[拼音]：jinshu xianwei zuzhi jianyan

[外文]：microscopic structure inspection of metals

利用光学金相显微镜或电子显微镜等观察、鉴别和分析金属材料微观组织的方法，为研究新材料、新工艺，探讨组织与性能之间的关系，提供依据。这是冶金和机械制造工厂鉴定金属材料的质量、判断生产工艺是否完善的常规手段，通称金相检验(见光学金相显微术)。金相检验须根据金属学、热处理知识和技术标准，判断和确定金属材料的显微组织图相。通常分为取样、试样制备和观察鉴定三个步骤。

试样必须具有代表性，并依据不同的研究目的和检验项目，选择合宜的切取部位、大小、数量和取向。切取时应确保检验面组织不受热变形的影响。

通常试样检验面的边长或直径以15～25mm的方形或圆形最合宜，对于薄、小试样（如丝、带、片等）或形状不规则试样，不便研磨、抛光时，要用夹具夹持或用低熔点合金、塑料等镶嵌，镶嵌时应保证不改变检验面组织。试样的研磨、抛光、浸蚀是制样过程中的主要 *** 作，直接关系到显微组织显示的真实性。

按顺序在砂轮和不同粒度号的金相砂纸上磨制，也可在洒有金刚砂粉的蜡盘上机械研磨。磨制时要不使试样发热，并避免磨面层产生较大塑性变形。

消除细微磨痕，获得光洁镜面。一般用机械抛光法，在呢、绒、绢等织物覆盖的抛光盘上按试样材质选用合适的磨料如氧化铝粉或三氧化二铬粉等进行抛光。 *** 作时注意避免产生金属扰乱层。对易产生金属扰乱层及强度低、塑性大、容易加工硬化的金属，也可用电解抛光法。电解液依试样材质、组织而定。电解抛光法的电解液配制和 *** 作控制较严，成本较高。

除夹杂物、石墨和某些表面缺陷可直接在抛光面上观察外，其他显微组织都要用化学腐蚀或物理方法使其显现出来。根据材质和显微组织不同，采用合适的腐蚀方法和腐蚀剂。常用的化学浸蚀法试剂有硝酸酒精溶液(4％硝酸酒精)和苦味酸酒精溶液(4g苦味酸，100ml酒精)，可显示碳钢、合金钢、铸铁等。对奥氏体不锈钢可采用硫酸铜溶液（20ml水，20ml盐酸，4g硫酸铜）或电解腐蚀法。对某些有色金属如铝及铝合金，常用氢氟酸溶液(10mlHF，5mlHCl，5mlHNO3，380mlH2O)浸蚀，再用清洗剂(25～30％HNO3水溶液)清洗。磨面如有较厚的金属扰乱层，要通过反复浸蚀和抛光加以消除。如有特殊需要，也可用热染法、高温挥发法、磁场法等物理方法，显示某些特殊相组织。

最常用最重要的仪器是光学金相显微镜，利用波长为 0.4～0.8μm 的可见光，相应的分辨距离约0.2μm。金属显微组织检验的项目因金属材料的性质和检验的目的而有所不同。一般碳素钢、合金钢等除了非金属夹杂物检验以外常规显微组织检验项目主要有以下几个；对有色金属有更多的金相组织检验项目，如铝及铝合金的过烧、铜扩散、包铝检查等。

钢的晶粒度测定分本质晶粒度和实际晶粒度。本质晶粒度表示钢的奥氏体晶粒长大倾向，常用的显示方法见表1;实际晶粒度表示钢经过各种热加工或热处理后实际晶粒大小，可用直接腐蚀法显示，对共析或亚共析钢直接用苦味酸水溶液（100ml水＋8g苦味酸+少量活化剂）在沸腾状态浸蚀5～40秒。

试样一般在显微镜下放大 100倍同标准晶粒度图片比较，将相似的晶粒度号数定为试样晶粒度号数。除比较评级法外还有弦计算法，但这种方法麻烦，只在要求精确或呈非等轴晶粒时方采用。

钢材在热加工和热处理过程中表面层含碳量会全部或部分丧失，造成脱碳。脱碳后硬度、强度降低，尤其显著影响疲劳寿命。脱碳层可分全脱碳层和部分脱碳层，典型钢种脱碳层测量界线见表2。试样在显微镜下放大100倍(必要时也可用其他倍数)用目镜测微尺测量脱碳层深度。深度以毫米计，也可用钢材厚度或直径的百分数表示。

含碳量较高的钢种。奥氏体中碳的溶解度随温度下降而降低，沿奥氏体晶界析出网状碳化物（图8）。如钢锭碳化物偏析严重，或锻轧加工温度过高并随后缓冷，可使碳化物网愈加连续、粗大。这会使钢的塑性和韧性大幅度降低，热处理淬火时易导致开裂。

网状碳化物检验通常选取横向截面，在显微镜下放大500倍，以最严重的视场与标准图片相比作为评定依据。评定时主要考虑网的完整性和连续性，愈完整愈连续表征其危害愈严重，评定级别也愈高。

液析是铬滚动轴承钢中一种不稳定的共晶碳化物。在化学成分配比不当，浇铸工艺不佳，锭型过大或设计不合理时，易在钢液凝固过程中析出。在显微镜下呈不规则的白色块状(图9)，具有高硬度和脆性，热处理时易引起淬火裂纹；在轴承使用过程中容易剥落，显著降低耐磨性和疲劳强度。

试样的检测面应沿钢材纵轴取向。为显示清晰，衬度好，可先淬火、回火后磨制。在显微镜下放大100倍，以最严重视场与标准图片比较作为评定依据，以碳化物大小、集中程度作为评定标准。

合金工具钢、高速钢等高碳合金钢，在钢锭凝固过程中发生共晶反应形成共晶碳化物偏析。在显微镜下具有白色鱼骨状特征（图10），氏体共晶碳化物。其偏析程度取决于锭型、铸温、铸速及冷却速度等。这种偏析可通过锻、轧等热加工加以改善，加工比愈大，共晶破碎程度愈大（图11、图12），对钢材的危害与碳化物液析类似。碳化物共晶的检验与液析同，评定时主要考虑共晶组织的破碎、堆集、网状共晶的变形、网的大小和连续程度。

亚共析钢，当化学成分配比不当、浇铸不佳、锭型过大时，易在钢液凝固过程中形成枝晶偏析(主要是碳、硫、磷)。在热加工时延伸成铁素体和珠光体交替条带。具有带状组织的钢，力学性能不均匀，横向塑性及韧性下降。在生产中常采用高温扩散退火加以改善。试样检验面取自钢材纵轴向，在显微镜下放大100或500倍，取最严重视场与标准图片比较而评定。条带的浓度差愈明显、带愈宽、带在显微镜视场中贯通愈全，则对性能的影响愈严重，评定级别也愈高。

此外，在铬滚动轴承钢中还呈现一种碳化物带，依带的碳化物颗粒大小、聚集程度、带的宽度、条数及贯通视场情况进行评定。

又称球化组织。工具钢、滚动轴承钢等钢材为以后淬火作金属组织的准备并便于车削加工，往往先作球化退火预处理（图13）。试样在显微镜下放大500倍，取最差视场与标准图片比较。以粒状珠光体中碳化物颗粒大小和片状珠光体中片的粗细，作为评定的主要依据，以均匀适中的粒度为宜。

试样取自钢材中心，磨制后可用电解抛光、腐蚀(图14)。在显微镜下放大300倍，以视场上α相含量最多处与标准图片比较进行评定。

金属显微组织的形貌、成分、结构，要用各类检验方法综合研究，才能正确判定。