金相试件的制备技巧大揭秘！

【实验目的】

（1）了解金相试件的制备过程；

（2）初步掌握金相试件制备、浸蚀的基本方法。

【实验内容】

（1）试件的取样、镶嵌、磨制；

（2）浸蚀剂的选取，试件的浸蚀；

（3）试件制备质量检验。

【实验仪器与设备】

（1）金相切割机、砂轮机、镶嵌机、预磨机、抛光机、吹风机、显微镜。

（2）金相砂纸、抛光粉、抛光布、浸蚀剂、棉球、酒精。

（3）20钢试件（独立制备，无明显划痕、扰乱层等缺陷）。

【实验相关知识】

在科研和实验中，人们经常借助于金相显微镜对金属材料进行显微分析和检测，以控制金属材料的组织和性能。在进行显微分析前，首先必须制备金相试件，若试件制备不当，就不能看到真实的组织，也就得不到准确的结论。

金相试件制备过程包括：取样（镶嵌）、磨制、抛光和浸蚀。

1.取样

取样部位的选择应根据检验的目的选择有代表性的区域。一般进行如下几方面取样。

原材料及锻件的取样：原材料及锻件的取样应根据所要检验的内容进行纵向取样和横向取样。纵向取样检验的内容包括：非金属夹杂物的类型、大小、形状，金属变形后晶粒被拉长的程度，带状组织等。横向取样检验的内容包括：检验材料自表面到中心的组织变化情况，表面缺陷，夹杂物分布，金属表面渗层与覆盖层等。

事故分析取样：当零件在使用或加工过程中被损坏时，应在零件损坏处取样然后再在没有损坏的地方取样，以便于对比分析。

取样的方法：因为材料的硬度不一样，所以取样的方法也不一样。软材料可用锯、车、铣、刨等方法来截取；硬材料可用金相切割机或线切割机床截取，切割时要用水冷却，以免试件受热引起组织变化；对硬而脆的材料，可用锤击碎，再选取合适的试件。

试件的大小以便于拿在手里磨制为宜，一般用直径为12～15 mm的圆柱体或12 mm×12 mm×15 mm的长方体。取样的数量根据工件的大小和检验的内容取2～5个为宜。

截取好的试件有的过于细小或是薄片、碎片，以及不宜磨制或要求精确分析边缘组织的试件需要镶嵌成一定的形状和大小。常用的镶嵌方法有机械镶嵌法、环氧树脂冷嵌法或塑料镶嵌法，如图5.6.1所示。

图5.6.1　金相试件镶嵌方法

（a）机械镶嵌法；（b）塑料镶嵌法；（c）环氧树脂冷嵌

（1）机械镶嵌法：用不同的夹具将不同外形的试件夹持。夹持时，夹具与试件之间、试件和试件之间应放上填片，填片应采用硬度相近且电位高的金属片，以免浸蚀试件时发生反应，影响组织显示。

（2）塑料镶嵌法：在专用镶嵌机上进行，常用材料是电木粉。电木粉是一种酚醛树脂，不透明，有各种不同的颜色。镶嵌时在压模内加热加压，保温一定时间后取出。优点是操作简单，成型后即可脱模，不会发生变形；缺点是不适合淬火件。

对于一些不能加热和加压的试件可采用环氧树脂冷嵌法，读者可自行查阅相关资料，本书不再介绍。(www.xing528.com)

2.磨光

磨光的目的是得到平整光滑的表面。磨光分粗磨和细磨。

（1）粗磨：一般材料可用砂轮机将试件磨面磨平，软材料可用锉刀锉平。粗磨时要用水冷却，以防止试件受热改变组织。不需要检查表层组织的试件要倒角倒边。

（2）细磨：目的是消除粗磨留下的划痕，为下一步的抛光做准备，细磨又分为手工细磨和机械细磨。

①手工细磨：选用不同粒度的金相砂纸（180、240、400、600、800号），由粗到细进行磨制。磨制时将砂纸放在玻璃板上，手持试件单方向向前推磨，切不可来回磨制，用力均匀，不宜过重。每换一号砂纸时，试件磨面需转90°与旧划痕垂直，依此类推，直到旧划痕消失为止。试件细磨结束后，用水将试件冲洗干净待抛光。

②机械细磨：在专用的机械予磨机上进行。将不同号的水砂纸剪成圆形，置于予磨机圆盘上，并不断注入水，就可进行磨光。其方法与手工细磨一样，即磨好一号砂纸后，再换另一号砂纸，试件同样转90°，直到800号为止。

3.抛光

抛光的目的是去除试件磨面上经细磨留下的细微划痕，使试件磨面成为光亮无痕的镜面。

抛光有机械抛光、电解抛光、化学抛光等类别，其中最常用的是机械抛光。机械抛光在金相抛光机上进行。抛光时，试件磨面应均匀地轻压在抛光盘上，并将试件由中心至边缘轻微移动。在抛光过程中要以少量多次和由中心向外扩展的原则不断加入抛光微粉乳液，抛光应保持适当的湿度，因为湿度太高，会降低磨削力，使试件中的硬质相呈现浮雕；湿度太低，由于摩擦生热会使试件生温，使试件产生晦暗现象。合适的抛光湿度是以提起试件后磨面上的水膜在3～5 s内蒸发完为准。抛光压力不宜太大，时间不宜太长，否则会增加磨面的扰乱层。粗抛光可选用帆布、海军呢做抛光织物，精抛光可选用丝绒、天鹅绒、丝绸做抛光织物。抛光前期使用浓度较高的抛光液，后期使用浓度较低的，最后使用清水，直至试件成为光亮无痕的镜面。用清水冲洗干净后即可进行浸蚀。

4.浸蚀

抛光后的金相试件置于金相显微镜下观察仅能看到铸铁中的石墨、非金属夹杂物。金相组织只有经过处理显示后才能看到。金相组织显示的方法有化学浸蚀法，电解浸蚀法，物理浸蚀法，常用的是化学浸蚀法。

化学浸蚀法就是利用化学试剂对试件表面进行溶解或电化学作用来显示金属的组织，常用的金相试剂如表5.6.1所示。纯金属及单相合金的浸蚀是一个化学溶解过程，因为晶界原子排列较乱，不稳定，在晶界上的原子具有较高的自由能，晶界处就容易被浸蚀而下凹，来自显微镜的光线在凹处就产生漫反射回不到目镜中，晶界呈现黑色，如图5.6.2（a）所示。二相合金的浸蚀与纯金属截然不同，它主要是一个电化学过程。因为不同的相具有不同的电位，当试件被浸蚀时，就形成许多微小的局部电池，具有较高负电位的一相为阳极被迅速溶解，而逐渐凹洼，具有较高正电位的一相为阴极，不被浸蚀，保持原有的平面。两相形成的电位差越大，浸蚀速度越快，在光线的照射下，2个相就形成了不同的颜色，凹洼的一相呈黑色，凸出的一相发亮呈白色，如图5.6.2（b）所示。

图5.6.2　单相合金和二相合金浸蚀示意图

（a）铁素体（单相合金）；（b）珠光体（二相合金）

表5.6.1　常用的金相试剂

续表

【实验步骤】

（1）实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务。

（2）认真了解所使用的仪器型号、操作方法及注意事项。

（3）按实验内容制备一个合格的金相试件。

（4）认真观察制备的试件，并画出组织示意图。

【分析与思考】

根据自己的实践体会，说出在制备金相试件时应注意哪些事项。