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(shí)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(shí)際上這兩個(gè)概念都非常具體，并不深?yuàn)W。
先來說一說“金相”這個(gè)詞。 “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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)、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(yàn)進(jìn)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(gè)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(shí)，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(jī)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(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐高溫性、耐腐蝕性等) 的材質(zhì)，從而有效提高機(jī)器零件的可靠性和使用壽命。 要對金屬材料進(jìn)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(jìn)行研究和表征的材料學(xué)科的一個(gè)分支。 下面我們再說一說“金相制樣”。
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(jìn)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(gè)對觀察對象進(jìn)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(shí)形態(tài)的合格的金相試樣。從取樣來說，要從檢驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)出發(fā)，選擇零件的重點(diǎn)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(jìn)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(shí)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(shí)留下的磨痕，對已選定表面進(jìn)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(gè)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。
豐富多彩的金相知識
金屬內(nèi)部到底長什么樣呢？每個(gè)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(dòng)。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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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？
圖1 三個(gè)試樣的初始狀態(tài)
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幾個(gè)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(shí)的金相照片)。
圖2 工業(yè)純鐵
圖3 20鋼 圖4 球墨鑄鐵
夢幻般的金屬微觀世界
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，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(shí)驗(yàn)教學(xué)和零件失效分析試樣的金相照片。
圖5 水泥磨機(jī)上的ZGMn13鋼篦子板，使用15天左右就碎裂成塊。
分析時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣中存在很多單個(gè)球狀不同類型的夾雜物。圖中所示就是其中一個(gè)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(jī)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(xiàng)很重要的內(nèi)容。
圖6 拋丸機(jī)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?yuàn)A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(gè)“小螞蟻”的角色，它時(shí)時(shí)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(jìn)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，如圖中白色網(wǎng)狀。
金相檢驗(yàn)
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(shí)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?yàn)榻鹣嘟M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(qiáng)度、硬度、塑性和韌性)。比如鐵素體強(qiáng)度硬度低，塑性韌性好；而珠光體強(qiáng)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。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(gè)學(xué)科脫離生產(chǎn)實(shí)際去進(jìn)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(shí)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(shí)控制和改善金屬或合金的性能，正確對金屬或合金進(jìn)行加工處理，針對實(shí)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(yàn)，是實(shí)際生產(chǎn)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。金相檢驗(yàn)分為生產(chǎn)過程中的常規(guī)檢驗(yàn)和零件的失效分析。
常規(guī)檢驗(yàn)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(gè)別人偶爾會體檢出一些不能為人所接受的疾病。這時(shí)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?/p>
生產(chǎn)過程中的常規(guī)檢驗(yàn)包括原材料入廠的宏觀檢驗(yàn)，比如硫印試驗(yàn)是檢驗(yàn)金屬材料中硫元素分布情況，酸蝕試驗(yàn)是檢驗(yàn)中心疏松、錠型偏析等等。生產(chǎn)過程中對工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控，比如化學(xué)熱處理中滲碳層深度的在線快速檢驗(yàn)，當(dāng)滲碳時(shí)間基本達(dá)到工藝要求的時(shí)間后，要立即對隨爐試樣進(jìn)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(shí)際情況延長相應(yīng)的保溫時(shí)間。再如鑄造過程中石墨的大小、分布以及數(shù)量的檢驗(yàn)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(dòng)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(shí)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，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(yàn)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(jìn)意見和建議，金相組織檢驗(yàn)在這里無疑發(fā)揮著極其重要的作用。當(dāng)然了，還有一項(xiàng)更值得投入的事情，那就是新材料研發(fā)過程的檢驗(yàn)，從預(yù)想、預(yù)知、預(yù)測入手，制訂詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)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(yàn)始終貫穿于新材料的研發(fā)、零件的加工生產(chǎn)以及整個(gè)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(yàn)注定是一個(gè)追根問底，相當(dāng)辛苦的過程，在這個(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)，嚴(yán)重污染了真實(shí)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(shí)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(shí)形貌無法辨識了。
圖12 工業(yè)純鐵中的真實(shí)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(gè)平面，屬于比較簡單、也好鑒別的制樣缺陷。
圖14 20鋼中真實(shí)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
來源：金相技能大賽
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