金相试样的制备 - 图文

金相试样的制备

样品制备的基本步骤：取样、镶嵌、磨光、抛光四个步骤。每项操作都必须严格、细心，因为任何阶段上的失误都可能影响以后的步骤；在极端的情况下，不正确的制样可能造成组织的假像，从而得出错误的结论。 样品制备的方式：手工制样、机械制样、自动制样。 一、金相试样的截取

选取合适的、具有代表性的试样是金相研究和检验中至关重要的第一步，必须注意取样得部位、数量、尺度、磨面的取向和试样的截取方法。取样必须恰到好处地给材料提出统计上的可靠描述。

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取样的原则：

取样部位的选取取决于被检验材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程、使用情况等。根据检验目的和要求，通常分为两大类：系统取样、指定取样。 ⑴ 系统取样：选取的试样必须能表征被检验材料或零件的特点，即要有代表性。常规检验所取试样的部位、形状、数量、尺寸等都有明确的规定，详见有关标准：国标（GB）、冶标（YB）、航标（HB）。例如，标准中规定：棒材、钢锭、钢胚，在材料两端取样；热轧型材则同时取横向、纵向两组试样；航空压气机盘则要从径向、轴向、弦向同时取样。

⑵ 指定取样：根据所研究的问题，有针对性的取样。例如：零件失效分析的试样即属此类，必须根据零件使用部位、受力情况、出现裂纹的部位和形状等具体情况，抓住关键部位分别在材料失效部位和完好部位取样，以便对比分析，找出失效的原因。比如裂纹源区就是重要的取样部位。

磨面取向：根据生产工艺、产品形状、研究目的而定。

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形状尺寸：通常是Φ12×12mm的圆柱体或是12×12×12 mm的正方体；实际工作中还要具体问题具体分析。试样太大、太小都不好；太大，则制备样品时费时费力；太小，则操作不便。试样边缘无特殊要求时要磨制出倒角。

取样数量：实际生产中，某一材料、某一项目的检验，通常不会是单独的一个样品，一般是3~4个，以求统计上的可靠性。

在研究结果和检验报告上所列举的金相照片，必须注明截取部位和检验面的方向，甚至画图说明。

在本次课程实验的过程中，不要求同学自己取样，但是，对于取样的重要性，必须高度重视，深刻记忆。踏出的第一步如果出现失误，很可能就是：差之毫厘，谬以千里。取样的过程，对于实际工作条件、经验要求比较高，不是理论学习、实验课所能完全解决的。 二、取样的方法

总的要求：必须保证被切取的试样表面的显微组织不因切割而发生变化。 试样切取方法：可以根据取样零件的大小、材料的性能、现场实际条件灵活选取切取试样的方法。常见的形式有四类：机械切割、气切割、电弧切割、电解切割。每种类型有具体的方法。

机械切割：磨料切割（砂轮切割、线切割）、超声波、锯（手工、锯床）、一般机床（车床、刨床、铣床）、打断。

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图

图 砂轮机

电解切割：酸锯切、酸研磨、酸喷射

金

相

试

样

切

割

机

对于较软的材料可用锯、车、刨等加工方法；较硬的材料可用砂轮切片机切割，或用电火花切割方式；硬而脆的材料，如白口铸铁，可用锤击的方法；而在大工件上取样可用乙炔焰切割等。目前最常用的方法是砂轮片切割，它可以切割硬度悬殊的试样，而且表面较光洁。

切割时工件因高速磨削而产生很大的热量，因此。试样应充分冷却，以防止组织结构的改变。

切割试样会在表面形成变形层，该层对金相显微组织有很大影响，要想得到金属的真实组织，必须在后续工序中将该层完全去掉。因此，寻找变形层小的切割方法十分重要。（更详细的情况，感兴趣的同学可以查阅参考资料） 我们实验室现在拥有的取样条件是：Q-2砂轮切割机；手锯；锤击；Isomet4000精密切割机。

下面介绍一下常用的薄片切割方法：电火花切割薄块。

电火花切割法示意

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电火花线切割法是使薄板或细金属丝制成的刀具（作阴极）和样品（作阳极）保持一定的间隙，利用其间发生断续放电引起样品局部熔化并崩射出来进行的，切片的原理见下图[从网上摘取的说明:由于电火花线切割机把作为工具电极的线电极(通常采用Φ0.1-Φ0.3mm铜丝)接在负极，把被加工件接在正极，当两极间施加一定电压时，介于间隙中的电解液便产生放电现象，利用瞬时高温，使被加工部位材料剥离与汽化 ...]。为了延长刀具的寿命，可采用运动的金属丝作为阴极，电火花切片法适用于一切导电的样品。在控制得当的条件下，可获得厚度小于0.5mm的均匀薄块。为了稳定火花并防止连续打弧，刀具和样品可以浸在介电液体（煤油或石蜡）中。对半导体等导电性差的材料可浸入加热的油介质中进行切割。最常用的电火花刀具材料是黄铜，也可以采用较昂贵的钨、钼和钽，这样可以减少刀具的损耗。

电火花切片的速率、切割表面的光洁度以及损伤层的深度，取决于每次放电的能量，后者可由RC电路的阻抗控制。例如，高能量（1~0.5J）时排屑率约为每小时1~20cm3，通常采用的低能量（5×10-6J）条件下切割速率至少小一个数量级。对于不同的样品，电火花引起的损伤深度差别很大，在低能量条件下，硅铁的损伤层小于2μm，铜则深达80~300μm。

线切割图案

关于Isomet4000精密切割机

美国Buehler公司的产品，价格：12万元。

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一般由操作熟练的教师使用，谢绝同学自己使用。其实功能特点是：适合切割各种软硬程度的试件，但是，在试件尺度大小上有限制。

Q-2砂轮切割机，是现在实验室最常规的切割设备，一般同学自己亲自操作使用。

三、金相试样的镶嵌

当试样形状不规则（失效分析试样）、较小（线材、细管材、薄板等）、较软、易碎或边缘需要保护时，必须将试样镶嵌起来，以便于试样的制备；另外，随着试样磨光、抛光工序的逐渐自动化，要求试样形貌尺寸规格化，这也要通过镶嵌来完成。 选用镶嵌材料和工艺时，应考虑：① 材料要有足够的硬度和与试样之间的粘附性，以保证所镶嵌的试样在以后的制备过程中不突出平面和无缝隙；② 对各种溶剂和浸蚀剂的抵抗能力；③ 操作时间尽可能短；④ 操作时不能由于加热、加压或凝固热而改变组织形貌。在早期，人们也采用低熔点合金做镶嵌材料，现在已被塑料所替代；但仍有些材料在使用，比如制备钠试样时就用鸟德合金镶嵌试样，因为钠和有机材料起作用。（众多所采用的镶嵌材料，请查阅参考资料）

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塑料镶嵌法

⑴ 热镶法

热镶法的反应式为：树脂＋压力＋热＝聚合物

热镶法常用的材料是热固性塑料（胶木粉或电木粉，即酚醛模塑料）或热塑性材料（聚乙烯聚合树脂、醋酸纤维树脂）等，在专门的镶嵌机的模具内加热、加压成

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图2

粘结可以采用502万能胶水，施加一定的压力可以尽量减小锯片与待检表面间的缝隙，更好地保护检测面不出现圆角。实际操作可以在小台钳上进行。

当有些样品的规格超过上述12mm×12mm×12mm条件，但是也还可以勉强镶嵌时，注意样品的尖角效应，避免样品镶嵌后由于意外碰撞造成开裂。见图3。

不好 好

图3

3、

总结

在使用镶嵌机进行样品镶嵌时，应当根据实际设备的特点及镶嵌所用材料确定合适的温度、压力、时间，以获得优质的样品，并且提高工作效率。根据样品的检验需求，确定是否在镶嵌时进一步进行样品表层组织的保护。 五、金相试样的磨光和机械抛光

磨光是用砂轮、砂纸等磨粒固定的工具对试样表面进行机械磨制，以去掉切割造成的损伤层，得到平整磨面的过程。

抛光是用各种方法，去掉试样磨面上磨制时产生的磨痕及损伤层，使之成为损伤

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层较薄（电解抛光、化学抛光一般不会产生新的损伤层），表面呈光滑镜面的过程。 目前常用的抛光方法有：机械抛光、电解抛光、化学抛光及复合抛光。 1、

磨光

磨光是制备试样过程中非常重要的一环，因为在切取试样时引起的表面损伤层必须在这一阶段去除。如果在切割时损伤太大，比如烧损，就很难在磨光的过程中去除，只能在其它地方重新取样。磨光本身也会产生表层损伤，但能够在后续工序中去除。磨光结束时，表层的损伤应当只是由于最后一道工序磨制时存留下的。过于严重的磨光造成的损伤层无法在后续的抛光工序中去除。

磨光分为粗磨、细磨两个阶段。 ⑴粗磨

粗磨是指利用锉刀、铣床、车床、磨床、砂轮等工具去除样品切割所造成的粗糙不平，根据软硬不同进行选取。注意充分冷却。若切割效果很好时，粗磨过程可以跳过。

⑵细磨

粗磨后的磨痕较粗，变形层较深，试样表面仍是凸凹不平，需要经过不同粒度砂纸的细磨。得到磨痕较细、变形层较浅的磨制表面。细磨时，应当尽快去除前一道工序产生的磨痕及变形层。同时，尽可能减小本道砂纸产生的变形层。

① 试样磨光用的砂纸

天然刚玉砂纸、碳化硅砂纸等，本次课程实验采用碳化硅水砂纸。其亦称水砂纸，可以在水冲刷的条件下进行使用。国产水砂纸的编号、粒度号和粒度尺寸见下表：

（μ编号 粒度号 粒度尺寸备注 m） 80 70 100 80 一般钢铁材料用120 90 （200）、400、150 100 ~75（平均） 150600、800四个编号180 120 号的砂纸磨光即200 140 ~60（平均） 可。 220 150 240 160

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编号 80 100 120 260 280 300 320 340 360 380 400 500 600 700 800 900 1000 ② 手工细磨

（μ粒度号 粒度尺寸m） 70 80 90 170 180 200 220 ~55（平均） 230 240 63~50 280 50~40 32040~28 （W40） 360 —— 40028~20 （W28） 500—— （W20） 60020~14 （W14） 700—— （W10） 800（W7） ~18（平均） 900（W5） 备注 一般钢铁材料用150（200）、400、600、800四个编号号的砂纸磨光即 感兴趣的同学可以参看有关文献。 ③ 机械细磨

手工细磨费时费事，大量金相试样的制备最好采用机械磨光以替代手工磨光。常见的机械磨光的机械是砂纸磨光机，即转盘式M-2型金相预磨机。

图1 200号砂纸的磨面 图2 400号砂纸的磨面

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图3 600号砂纸的磨面 图4 800号砂纸的磨面

实际操作时，将水砂纸粘附在电动机带动的磨盘上进行磨光。操作的细节请依据课堂讲解。

M-2型预磨机 P-2型抛光机

更详细的有关不同种类的磨光机，可以参看相关的参考资料。 2、

机械抛光

机械抛光是不固定的抛光微粉（磨料）与磨面间相对机械作用而将试样上最后磨光产生的磨痕及变形层去除，使其成为光滑镜面的过程。金相试样的磨面质量是由抛光质量决定的。而抛光前的磨面平整度及产生的变形层，又直接影响抛光质量。因此，只有经过反复细磨，得到均匀的磨痕及较浅变形层时，才能进行抛光工序。

⑴ 机械抛光设备

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P-2型抛光机。细节请参看相关文献。 ⑵ 机械抛光用抛光微粉和抛光织物

抛光微粉采用金刚石抛光膏；抛光织物采用海军呢。细节参看相关的文献。 ⑶ 抛光操作

参看本节后面，第九部分的相关内容。

⑷ 新型机械抛光设备（略，可以参看相关的参考资料） 3、

磨光、抛光的机制

磨光、抛光的机制是：在砂纸上磨光，在抛光机上进行抛光，每颗磨粒均可以看作为一把具有一定迎角的单面刨刀，其中迎角大于临界角的磨粒，起切削作用，而迎角小于临界角的磨粒只能在试样表面压出沟槽，这两者均要挤压周围的金属，使试样表层产生塑性变形，形成试样的表面损伤层，它包括外部可见的划痕（严重变形层）和试样表面下的显著变形层及变形层，损伤层的厚度随着磨粒尺寸增加而加厚，损伤层存在显微组织的假相，为了确保显微组织的真实性，在后续工序中必须去处损伤层。

在实际工作中，一方面要会辨认损伤层造成的假象；另一方面，要制定合理的磨光、抛光工艺，尽量减少损伤层。

有关磨光、抛光机制理论研究的实验数据、分析方法及手段，参看相关的参考资料。

4、平台课程与其他课程的关联

本课程的磨光、抛光实验所涉及到的软金属，是采用《材料工程实践Ⅱ》中的《实验一 材料加工过程对材料结构、性能的影响》中会涉及到的铝铜合金样品，是上一届同学在《材料工程实践Ⅱ》过程中保留在实验室的，已经进行过磨光、抛光、腐蚀。同学们可以先观察一下当前样品的显微组织形貌，然后再进行后续的工作。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z7ct.html