什么是金相和金相制樣？
金相和金相制樣是材料學(xué)中最基本的專業(yè)名詞。教學(xué)實踐中經(jīng)常有學(xué)生覺得金相和金相制樣的概念很難理解，實際上這兩個概念都非常具體，并不深奧。“金”原來就是專指金屬材料，后來隨著材料學(xué)的發(fā)展，新材料的不斷出現(xiàn)，又有了泛指所研究對象的意義。“相”這個字很重要，從“相”字的字形來看，左右結(jié)構(gòu)，由“木”和“目”構(gòu)成，是一個意會字，可以形象的理解為用眼睛觀察樹木，這就是古人對這個字的描述。隨著細(xì)致的觀察和深入的思考，人們發(fā)現(xiàn)一棵樹由樹根、樹干、樹枝和樹葉組成，但不同的樹種，它們的形態(tài)、顏色、大小、分布又各不相同，不同樹種的果實、材質(zhì)也大不相同。初中語文課本中有一篇文言文，叫“九方皋相馬”，是講九方皋通過觀察一匹馬的外形、骨骼等等可見的外在形態(tài)，從小馬駒中來挑選千里馬的故事。這里的“相”就不僅僅是觀察，又有了依據(jù)經(jīng)驗進行判斷分析，并推測未來發(fā)展?fàn)顩r的意義。金相或金相學(xué)所做的工作與前面講的兩個故事是相通的，如同觀察樹的外形，能夠推斷一顆小樹苗將來能結(jié)出什么樣的果實或長成硬質(zhì)木材還是軟質(zhì)木材，觀察一匹小馬駒能夠推斷出哪種馬會成為千里馬。金相學(xué)簡單的說就是通過觀察金屬材料，來判別和推測一種金屬材料所具有的性能，使我們預(yù)先就知道哪種材料能制作鋒利的刀劍，哪種材料能制作柔軟的彈簧，從而依據(jù)機器零件所承擔(dān)的工作任務(wù)以及零件所處的工作環(huán)境，合理地選擇不同性能 (主要包括材料強度、硬度、塑性、韌性、耐高溫性、耐腐蝕性等等) 的材質(zhì)，從而有效提高機器零件的可靠性和使用壽命。要對金屬材料進行觀察，不能只憑肉眼，還必須借助于專業(yè)顯微鏡。目前在金相檢測方面所使用的主要是金相顯微鏡、電子顯微鏡和體視顯微鏡 (放大倍數(shù)小于50倍)。因此，金相學(xué)基本可以表達(dá)為借助于顯微鏡對材料顯微組織進行研究和表征的材料學(xué)科的一個分支。通過前面的表述我們知道了金相分析是用金相顯微鏡來觀察金屬，但金屬的自然表面很粗糙，很難直接看到其內(nèi)部組織，除斷口觀察等一些非常特殊的情況，一般都需要對被觀察的對象進行表面處理，其目的就是為了能在顯微鏡下清楚地看到內(nèi)部組織。這個對觀察對象進行處理的過程就是金相制樣。金相制樣通常包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等工作過程，需要一定的技術(shù)技能來支撐，才能制作出滿足顯微觀察并準(zhǔn)確反映出零件真實形態(tài)的合格的金相試樣。從取樣來說，要從檢驗的關(guān)注點出發(fā)，選擇零件的重點部位采樣，采樣中應(yīng)使用合適的方法，特別注意控制溫度、樣品大小等因素，保證樣品的原有狀態(tài)和為后續(xù)的處理提供方便；對很小的樣品和形狀很不規(guī)則的樣品要進行鑲嵌，以提高制備質(zhì)量和樣品保持在正確觀察方向上；磨光是利用不同粒度的砂紙，把取樣時表面留下的變形層減少到最低程度甚至為零，并使試樣表面平整，也為拋光奠定良好的基礎(chǔ)；拋光是去除磨光時留下的磨痕，對已選定表面進行鏡面化處理，提高試樣表面的光反射性，拋光后的試樣表面應(yīng)是平整、光潔、干凈的鏡面；浸蝕是利用化學(xué)物質(zhì)的腐蝕性使試樣的內(nèi)部組織能清晰的展示在顯微鏡下。整個金相制樣過程需要有認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度和熟練過硬的技術(shù)技能。金屬內(nèi)部到底長什么樣呢？每個第一次在顯微鏡下看到圖像的人都會感到驚訝，會被金屬內(nèi)部組織的豐富多彩所打動。下面以2023年由教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦、太原理工大學(xué)承辦的“徠卡杯”第九屆全國大學(xué)生金相技能大賽上使用的三個試樣為例，先來感受一下金屬內(nèi)部顯微組織的魅力。這三個試樣分別是鐵素體基體的球墨鑄鐵、工業(yè)純鐵和20鋼。工業(yè)純鐵的組織猶如不規(guī)則的稻田，平整的地面、清楚的田畦，一派祥和的氣息；20鋼的圖像似乎在稻田間又多了一些水塘，畫面顯得更加豐富；球墨鑄鐵的圖像又好似有人不懷好意地挖了一些陷阱，隱藏著一段神秘的故事。那么這到底都是些什么東西？有什么樣的故事呢？如果不標(biāo)識，只從外表看，三個試樣沒有什么區(qū)別，如圖1所示。但是參加比賽的選手都知道，這三種材料制樣過程中用力的大小、浸蝕時間的長短有很大差異。經(jīng)過一番艱辛的制樣，又如何準(zhǔn)確地描述顯微組織呢？
顯微組織要從組織的形態(tài)、顏色、分布、晶粒大小和組織組成物的多少幾個方面來描述,其次還要注明材料的名稱、處理狀態(tài)、浸蝕劑、放大倍數(shù)，給人一目了然、清新舒適的感覺，如圖2、圖3、圖4所示 (均為參賽選手訓(xùn)練時的金相照片)。
圖2 工業(yè)純鐵
圖3 20鋼
圖4 球墨鑄鐵
金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)極其豐富。就拿我們最常見的工程材料 ?? 鋼鐵來說，其基本組織有奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、萊氏體、馬氏體、貝氏體等等，還有很多不同類型的夾雜物。同種材料在不同的處理狀態(tài)下其顯微組織不同，力學(xué)性能差異也很大；不同材料在同種處理狀態(tài)下其力學(xué)性能相近。同種顯微組織使用不同的浸蝕劑，顏色也會不同；顯微鏡的照明方式不同，同種組織結(jié)構(gòu)也會呈現(xiàn)出不同的特征。以下是實驗教學(xué)和零件失效分析試樣的金相照片。
圖5 水泥磨機上的ZGMn13鋼篦子板，使用15天左右就碎裂成塊。分析時發(fā)現(xiàn)試樣中存在很多單個球狀不同類型的夾雜物。圖中所示就是其中一個夾雜物在不同照明方式下通過顯微鏡觀察到的形貌。作為材料中有害物的雜質(zhì)相，非金屬夾雜物就像人體中的“癌細(xì)胞”一樣會破壞正常的機體組織，割裂金屬基體的連續(xù)性，惡化材料的力學(xué)性能，顯著降低零件的使用壽命。所以在顯微組織鑒別中，對非金屬夾雜物的評定也是一項很重要的內(nèi)容。
圖6 拋丸機上的拋丸在離心式鑄造過程中大量破裂。圖中所示為試樣中琉璃質(zhì)球狀非金屬夾雜物在不同照明方式下通過顯微鏡觀察到的形貌。璀璨若星辰的玻璃質(zhì)球狀夾雜物在正交偏振光下具有“暗十字”特征，在暗場下呈現(xiàn)“等色環(huán)”現(xiàn)象。千里之堤，潰于螞穴。非金屬夾雜物在金屬材料中就充當(dāng)著這個“小螞蟻”的角色，它時時處處在影響著金屬材料的使用性能，所以材料的凈化也十分重要。
圖7 不同的顯微組織，用同種試劑進行著色顯示，其顏色是不同的。
圖8 同種組織在不同浸蝕劑下呈現(xiàn)出了不同的顏色。過共析鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體，在堿性苦味酸鈉煮沸后顯示為黑色，如上圖黑色網(wǎng)狀；在著色試劑中卻不染色仍然呈白色，如下圖白色網(wǎng)狀。
有了精湛嫻熟的制樣技術(shù)，又具有了在顯微鏡下識別金相組織的能力，也看到了神秘又夢幻的金相組織，那么金相制樣的目的就是為了呈現(xiàn)真實的組織形貌嗎？答案當(dāng)然不是這么簡單，更重要的還是為了準(zhǔn)確鑒別金相組織，因為金相組織是表征金屬材料力學(xué)性能合格以及生產(chǎn)工藝正確的重要指標(biāo)。不同的組織有不同的力學(xué)性能 (強度、硬度、塑性和韌性)。比如鐵素體強度硬度低，塑性韌性好；而珠光體強度硬度比鐵素體高，塑性韌性又比鐵素體低；同種組織大晶粒的脆性相對較高，小晶粒韌性相對較好；不銹鋼的耐腐蝕性好，金子在潮濕的空氣中仍然熠熠生輝，而鋼鐵材料卻銹跡斑斑；金剛石和石墨中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是100%，但金剛石是目前公認(rèn)的自然界硬度最高的物質(zhì)，而石墨的硬度幾乎為零，等等等等。到底是哪些因素影響著材料的各種性能呢？這就是材料人孜孜不倦探索的金相學(xué)所研究的范疇。任何一個學(xué)科脫離生產(chǎn)實際去進行研究都是沒有任何意義的，金相學(xué)也不例外。唯有當(dāng)我們結(jié)合生產(chǎn)實踐，了解金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)以及它們變化的基本規(guī)律，才能切實控制和改善金屬或合金的性能，正確對金屬或合金進行加工處理，針對實際應(yīng)用需要合理選擇和使用金屬材料。對金相組織的鑒別、分析與判定，就叫金相檢驗，是實際生產(chǎn)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。金相檢驗分為生產(chǎn)過程中的常規(guī)檢驗和零件的失效分析。常規(guī)檢驗就象我們一年一度的例行體檢。大多數(shù)人總是處于“小病不斷，大病不犯”的狀態(tài)，也有個別人偶爾會體檢出一些不能為人所接受的疾病。這時醫(yī)生就會發(fā)揮很大的作用，對病人追根問底，甚至排查其遺傳及祖?zhèn)鞑∈返鹊取?/span>生產(chǎn)過程中的常規(guī)檢驗包括原材料入廠的宏觀檢驗，比如硫印試驗是檢驗金屬材料中硫元素分布情況，酸蝕試驗是檢驗中心疏松、錠型偏析等等。生產(chǎn)過程中對工藝的實時監(jiān)控，比如化學(xué)熱處理中滲碳層深度的在線快速檢驗，當(dāng)滲碳時間基本達(dá)到工藝要求的時間后，要立即對隨爐試樣進行滲碳層深度的測定，判斷是否達(dá)到技術(shù)要求的指標(biāo)，如果達(dá)到了就可以馬上出爐，如果還未滿足要求，就根據(jù)實際情況延長相應(yīng)的保溫時間。再如鑄造過程中石墨的大小、分布以及數(shù)量的檢驗等等。失效的概念由來已久，其內(nèi)涵和定義隨主體而定。以人為例，人的生老病死就是失效；動物、植物均有失效。零件的失效分析包括服役前的廢品和服役后的失效件。服役前的廢品，即生產(chǎn)制造過程中發(fā)生質(zhì)量問題的零件，比如零件在熱處理淬火時發(fā)生了開裂，究竟是純粹的熱處理問題，還是熱處理前鍛造的問題，擬或是鍛造前原材料的問題，對這類問題的分析、歸納總結(jié)，防止同類缺陷的再發(fā)生就是防患于未然。服役后發(fā)生故障的失效件，是環(huán)境、使用、安裝等問題，還是生產(chǎn)制造過程中的問題，對這類問題的解剖、分析、判定就是死后驗尸。在廢品和失效件的分析中，通過“望、聞、問、切”，再根據(jù)鑒別和判斷，給生產(chǎn)工藝和使用過程提出改進意見和建議，金相組織檢驗在這里無疑發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)然了，還有一項更值得投入的事情，那就是新材料研發(fā)過程的檢驗，從預(yù)想、預(yù)知、預(yù)測入手，制訂詳細(xì)的實驗過程，擬訂比較準(zhǔn)確的工藝參數(shù)，通過耐心細(xì)致的操作，再經(jīng)過全面精準(zhǔn)的檢測，最后綜合優(yōu)化就可以達(dá)到滿意的效果，這可以叫未卜先知吧。因此，金相檢驗始終貫穿于新材料的研發(fā)、零件的加工生產(chǎn)以及整個服役過程之中。所以我們金相人也可以自豪地說 ?? 我們是真正的工業(yè)醫(yī)生！金相檢驗注定是一個追根問底，相當(dāng)辛苦的過程，在這個過程中，需要我們金相人永遠(yuǎn)秉承公平、公正的原則，不為環(huán)境因素所左右。金相組織的正確反映依賴于高水平的制樣技術(shù)，現(xiàn)在仍然以第九屆全國大學(xué)生金相技術(shù)大賽試樣為例，說明制樣技術(shù)對金相組織鑒別的影響。以下的圖9、11、13是本次大賽復(fù)賽和決賽中出現(xiàn)的極個別制樣缺陷 (均為本次比賽直播中金相照片的截圖)，圖10、12、14則是相應(yīng)材料的真實組織形貌。
圖9 球墨鑄鐵未拋干凈遺留在試樣表面的小黑點，嚴(yán)重污染了真實組織，給準(zhǔn)確鑒別組織帶來很大影響。
圖10 球墨鑄鐵中真實的組織，白色不規(guī)則多邊形的鐵素體和灰色球狀石墨。簡單清晰，眉清目秀，給人賞心悅目的感覺。
圖11工業(yè)純鐵表面的變形層，使鐵素體嚴(yán)重失真，這種假象已經(jīng)使真實形貌無法辨識了。
圖12 工業(yè)純鐵中的真實的鐵素體，是白色不規(guī)則的多邊形。看上去一目了然，清新舒適。
圖13制樣過程中殘留在20鋼試樣表面的外來臟物，如箭頭所示。它和正常組織不在一個平面，屬于比較簡單、也好鑒別的制樣缺陷。
圖14 20鋼中真實的組織形貌。是由白色不規(guī)則多邊形鐵素體和深色沿晶界分布的珠光體組成。清爽干凈，不脫泥帶水，讓人耳目一新。
作者燕樣樣，1983年參加工作，高級實驗師。在陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程學(xué)院從事金相檢驗教學(xué)與研究以及零件的失效分析工作30多年。在《金屬熱處理》、《熱加工工藝》、《理化檢驗》等核心期刊上發(fā)表專業(yè)論文20余篇，編著有《金相熱處理綜合實訓(xùn)》一書，擔(dān)任《金相檢驗》教材副主編，參與了著作《合金鋼顯微組織辨識》的編寫工作。在金相制樣和金屬材料顯微組織鑒別方面有著豐富的實踐經(jīng)驗。2018、2019、2020連續(xù)三年在陜西省大學(xué)生金相技能大賽中擔(dān)任評委。
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