金相制样、金相组织与金相检验

阿斯米

什么是金相和金相制样？
金相和金相制样是材料学中最基本的专业名词。教学实践中经常有学生觉得金相和金相制样的概念很难理解，实际上这两个概念都非常具体，并不深奥。
先来说一说“金相”这个词。
“金”原来就是专指金属材料，后来随着材料学的发展，新材料的不断出现，又有了泛指所研究对象的意义。“相”这个字很重要，从“相”字的字形来看，左右结构，由“木”和“目”构成，是一个意会字，可以形象的理解为用眼睛观察树木，这就是古人对这个字的描述。随着细致的观察和深入的思考，人们发现一棵树由树根、树干、树枝和树叶组成，但不同的树种，它们的形态、颜色、大小、分布又各不相同，不同树种的果实、材质也大不相同。初中语文课本中有一篇文言文，叫“九方皋相马”，是讲九方皋通过观察一匹马的外形、骨骼等等可见的外在形态，从小马驹中来挑选千里马的故事。这里的“相”就不仅仅是观察，又有了依据经验进行判断分析，并推测未来发展状况的意义。
金相或金相学所做的工作与前面讲的两个故事是相通的，如同观察树的外形，能够推断一颗小树苗将来能结出什么样的果实或长成硬质木材还是软质木材，观察一匹小马驹能够推断出哪种马会成为千里马。金相学简单的说就是通过观察金属材料，来判别和推测一种金属材料所具有的性能，使我们预先就知道哪种材料能制作锋利的刀剑，哪种材料能制作柔软的弹簧，从而依据机器零件所承担的工作任务以及零件所处的工作环境，合理地选择不同性能 (主要包括材料强度、硬度、塑性、韧性、耐高温性、耐腐蚀性等等) 的材质，从而有效提高机器零件的可靠性和使用寿命。
要对金属材料进行观察，不能只凭肉眼，还必须借助于专业显微镜。目前在金相检测方面所使用的主要是金相显微镜、电子显微镜和体视显微镜 (放大倍数小于50倍)。因此，金相学基本可以表达为借助于显微镜对材料显微组织进行研究和表征的材料学科的一个分支。
下面我们再说一说“金相制样”。
通过前面的表述我们知道了金相分析是用金相显微镜来观察金属，但金属的自然表面很粗糙，很难直接看到其内部组织，除断口观察等一些非常特殊的情况，一般都需要对被观察的对象进行表面处理，其目的就是为了能在显微镜下清楚地看到内部组织。这个对观察对象进行处理的过程就是金相制样。
金相制样通常包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工作过程，需要一定的技术技能来支撑，才能制作出满足显微观察并准确反映出零件真实形态的合格的金相试样。从取样来说，要从检验的关注点出发，选择零件的重点部位采样，采样中应使用合适的方法，特别注意控制温度、样品大小等因素，保证样品的原有状态和为后续的处理提供方便；对很小的样品和形状很不规则的样品要进行镶嵌，以提高制备质量和样品保持在正确观察方向上；磨光是利用不同粒度的砂纸，把取样时表面留下的变形层减少到最低程度甚至为零，并使试样表面平整，也为抛光奠定良好的基础；抛光是去除磨光时留下的磨痕，对已选定表面进行镜面化处理，提高试样表面的光反射性，抛光后的试样表面应是平整、光洁、干净的镜面；浸蚀是利用化学物质的腐蚀性使试样的内部组织能清晰的展示在显微镜下。整个金相制样过程需要有认真细致的工作态度和熟练过硬的技术技能。
丰富多彩的金相组织
金属内部到底长什么样呢？每个第一次在显微镜下看到图像的人都会感到惊讶，会被金属内部组织的丰富多彩所打动。下面以2020年由教育部高等学校材料类专业教学指导委员会主办、太原理工大学承办的“徕卡杯”第九届全国大学生金相技能大赛上使用的三个试样为例，先来感受一下金属内部显微组织的魅力。
这三个试样分别是铁素体基体的球墨铸铁、工业纯铁和20钢。
工业纯铁的组织犹如不规则的稻田，平整的地面、清楚的田畦，一派祥和的气息；20钢的图像似乎在稻田间又多了一些水塘，画面显得更加丰富；球墨铸铁的图像又好似有人不怀好意地挖了一些陷阱，隐藏着一段神秘的故事。那么这到底都是些什么东西？有什么样的故事呢？
如果不标识，只从外表看，三个试样没有什么区别，如图1所示。但是参加比赛的选手都知道，这三种材料制样过程中用力的大小、浸蚀时间的长短有很大差异。经过一番艰辛的制样，又如何准确地描述显微组织呢？




图1 三个试样的初始状态
显微组织要从组织的形态、颜色、分布、晶粒大小和组织组成物的多少几个方面来描述,其次还要注明材料的名称、处理状态、浸蚀剂、放大倍数，给人一目了然、清新舒适的感觉，如图2、图3、图4所示 (均为参赛选手训练时的金相照片)。




图2 工业纯铁



图3 20钢



图4 球墨铸铁

梦幻般的金属微观世界
金属材料内部组织结构极其丰富。就拿我们最常见的工程材料  钢铁来说，其基本组织有奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体、贝氏体等等，还有很多不同类型的夹杂物。同种材料在不同的处理状态下其显微组织不同，力学性能差异也很大；不同材料在同种处理状态下其力学性能相近。同种显微组织使用不同的浸蚀剂，颜色也会不同；显微镜的照明方式不同，同种组织结构也会呈现出不同的特征。
以下是实验教学和零件失效分析试样的金相照片。



图5 水泥磨机上的ZGMn13钢篦子板，使用15天左右就碎裂成块。分析时发现试样中存在很多单个球状不同类型的夹杂物。图中所示就是其中一个夹杂物在不同照明方式下通过显微镜观察到的形貌。作为材料中有害物的杂质相，非金属夹杂物就像人体中的“癌细胞”一样会破坏正常的机体组织，割裂金属基体的连续性，恶化材料的力学性能，显著降低零件的使用寿命。所以在显微组织鉴别中，对非金属夹杂物的评定也是一项很重要的内容。


图6 抛丸机上的抛丸在离心式铸造过程中大量破裂。图中所示为试样中琉璃质球状非金属夹杂物在不同照明方式下通过显微镜观察到的形貌。璀璨若星辰的玻璃质球状夹杂物在正交偏振光下具有“暗十字”特征，在暗场下呈现“等色环”现象。千里之堤，溃于蚂穴。非金属夹杂物在金属材料中就充当着这个“小蚂蚁”的角色，它时时处处在影响着金属材料的使用性能，所以材料的净化也十分重要。






图7 不同的显微组织，用同种试剂进行着色显示，其颜色是不同的。





图8 同种组织在不同浸蚀剂下呈现出了不同的颜色。过共析钢中的网状二次渗碳体，在碱性苦味酸钠煮沸后显示为黑色，如上图黑色网状；在着色试剂中却不染色仍然呈白色，如下图白色网状。

金相检验
有了精湛娴熟的制样技术，又具有了在显微镜下识别金相组织的能力，也看到了神秘又梦幻的金相组织，那么金相制样的目的就是为了呈现真实的组织形貌吗？答案当然不是这么简单，更重要的还是为了准确鉴别金相组织，因为金相组织是表征金属材料力学性能合格以及生产工艺正确的重要指标。不同的组织有不同的力学性能 (强度、硬度、塑性和韧性)。比如铁素体强度硬度低，塑性韧性好；而珠光体强度硬度比铁素体高，塑性韧性又比铁素体低；同种组织大晶粒的脆性相对较高，小晶粒韧性相对较好；不锈钢的耐腐蚀性好，金子在潮湿的空气中仍然熠熠生辉，而钢铁材料却锈迹斑斑；金刚石和石墨中碳的质量分数都是100%，但金刚石是目前公认的自然界硬度最高的物质，而石墨的硬度几乎为零，等等等等。到底是哪些因素影响着材料的各种性能呢？这就是材料人孜孜不倦探索的金相学所研究的范畴。
任何一个学科脱离生产实际去进行研究都是没有任何意义的，金相学也不例外。唯有当我们结合生产实践，了解金属和合金的组织结构以及它们变化的基本规律，才能切实控制和改善金属或合金的性能，正确对金属或合金进行加工处理，针对实际应用需要合理选择和使用金属材料。
对金相组织的鉴别、分析与判定，就叫金相检验，是实际生产中不可缺少的一个环节。金相检验分为生产过程中的常规检验和零件的失效分析。
常规检验就象我们一年一度的例行体检。大多数人总是处于“小病不断，大病不犯”的状态，也有个别人偶尔会体检出一些不能为人所接受的疾病。这时医生就会发挥很大的作用，对病人追根问底，甚至排查其遗传及祖传病史等等。
生产过程中的常规检验包括原材料入厂的宏观检验，比如硫印试验是检验金属材料中硫元素分布情况，酸蚀试验是检验中心疏松、锭型偏析等等。生产过程中对工艺的实时监控，比如化学热处理中渗碳层深度的在线快速检验，当渗碳时间基本达到工艺要求的时间后，要立即对随炉试样进行渗碳层深度的测定，判断是否达到技术要求的指标，如果达到了就可以马上出炉，如果还未满足要求，就根据实际情况延长相应的保温时间。再如铸造过程中石墨的大小、分布以及数量的检验等等。
失效的概念由来已久，其内涵和定义随主体而定。以人为例，人的生老病死就是失效；动物、植物均有失效。零件的失效分析包括服役前的废品和服役后的失效件。
服役前的废品，即生产制造过程中发生质量问题的零件，比如零件在热处理淬火时发生了开裂，究竟是纯粹的热处理问题，还是热处理前锻造的问题，拟或是锻造前原材料的问题，对这类问题的分析、归纳总结，防止同类缺陷的再发生就是防患于未然。服役后发生故障的失效件，是环境、使用、安装等问题，还是生产制造过程中的问题，对这类问题的解剖、分析、判定就是死后验尸。在废品和失效件的分析中，通过“望、闻、问、切”，再根据鉴别和判断，给生产工艺和使用过程提出改进意见和建议，金相组织检验在这里无疑发挥着极其重要的作用。当然了，还有一项更值得投入的事情，那就是新材料研发过程的检验，从预想、预知、预测入手，制订详细的实验过程，拟订比较准确的工艺参数，通过耐心细致的操作，再经过全面精准的检测，最后综合优化就可以达到满意的效果，这可以叫未卜先知吧。因此，金相检验始终贯穿于新材料的研发、零件的加工生产以及整个服役过程之中。所以我们金相人也可以自豪地说 ¾¾ 我们是真正的工业医生！
金相检验注定是一个追根问底，相当辛苦的过程，在这个过程中，需要我们金相人永远秉承公平、公正的原则，不为环境因素所左右。
金相组织的正确反映依赖于高水平的制样技术，现在仍然以第九届全国大学生金相技术大赛试样为例，说明制样技术对金相组织鉴别的影响。以下的图9、11、13是本次大赛复赛和决赛中出现的极个别制样缺陷 (均为本次比赛直播中金相照片的截图)，图10、12、14则是相应材料的真实组织形貌。


图9 球墨铸铁未抛干净遗留在试样表面的小黑点，严重污染了真实组织，给准确鉴别组织带来很大影响。



图10 球墨铸铁中真实的组织，白色不规则多边形的铁素体和灰色球状石墨。简单清晰，眉清目秀，给人赏心悦目的感觉。


图11工业纯铁表面的变形层，使铁素体严重失真，这种假象已经使真实形貌无法辨识了。



图12 工业纯铁中的真实的铁素体，是白色不规则的多边形。看上去一目了然，清新舒适。



图13制样过程中残留在20钢试样表面的外来脏物，如箭头所示。它和正常组织不在一个平面，属于比较简单、也好鉴别的制样缺陷。



图14 20钢中真实的组织形貌。是由白色不规则多边形铁素体和深色沿晶界分布的珠光体组成。清爽干净，不脱泥带水，让人耳目一新。

在比赛中，由于同场竞技选手较多，气氛极其紧张，再加上平时训练和比赛设备参数的不匹配等，在这种环境下，要发挥平时的训练水平比较困难，各种制样问题应运而生，比如表面不平、浸蚀时间过短或过长、表面花斑、铁素体严重的变形层、石墨的污染和拖尾、在要求时间内未完成试样的制备等等。如果大家有兴趣，可以再仔细观看直播回放。



作者燕样样，1983年参加工作，高级实验师。在陕西工业职业技术学院材料工程学院从事金相检验教学与研究以及零件的失效分析工作30多年。在《金属热处理》、《热加工工艺》、《理化检验》等核心期刊上发表专业论文20余篇，编著有《金相热处理综合实训》一书，担任《金相检验》教材副主编，担任《金属加工（热加工）》编委，参与了著作《合金钢显微组织辨识》的编写工作。在金相制样和金属材料显微组织鉴别方面有着丰富的实践经验。2018、2019、2020连续三年在陕西省大学生金相技能大赛中担任评委。


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