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金相显微镜的使用和金相试样的制备

金相显微镜是对金属材料的金相组织进行分析的重要光学仪器。金相学主要指借助光学(金相)显微镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支,既包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征,亦包含必要的样品制备、准备和取样方法。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒(亦包括可能存在的亚晶)、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷(例如位错)的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。下面浅谈金相显微镜的使用以及金相试样的制备。

一、金相显微镜的构造 




光学金相显微镜的构造一般包括放大系统、光路系统和机械系统三部分,其中放大系统是显微镜的关键部分。 目前主要是电脑型金相显微镜,是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品,可以在计算机上很方便地观察金相图像,从而对金相图谱进行分析,评级等以及对图片进行输出、打印。



二、使用显微镜时应注意的事项




1)操作者的手必须洗净擦干,并保持环境的清洁、并保持环境的清洁、干燥;  

2)用低压钨丝灯泡作光源时,接通电源必须通过变压器,切不可误接在220V电源上; 

3)更换物镜、目镜时要格外小心,严防失手落地; 

4)调节物体和物镜前透镜间轴向距离(以下简称聚焦)时,必须首先弄清粗调旋钮转向与载物台升降方向的关系。应该先用粗调旋钮将物镜调至尽量靠近物体,但绝不可接触。然后仔细观察视场内的亮度并同时用粗调旋钮缓慢将物镜向远离物体方向调节。待视场内忽然变得明亮甚至出现映象时,换用微调旋钮调至映象最清晰为止。

5)用油系物镜时,滴油量不宜过多,用完后必须立即用二甲苯洗净、擦干;

6)待观察的试样必须完全吹干,用氢氟酸浸蚀过的试样吹干时间要长些,因氢氟酸对镜片有严重腐蚀作用。 



三、金相试样制备 




金相试样制备过程一般包括:取样、粗磨、细磨、抛光和浸蚀五个步骤。 

1)取样 

从需要检测的金属材料和零件上截取试样称为“取样”。取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定。截取方法有多种,对于软材料可以用锯、车、刨等方法;对于硬材料可以用砂轮切片机或线切割机等切割的方法,对于硬而脆的材料可以用锤击的方法。无论用哪种方法都应注意,尽量避免和减轻因塑性变形或受热引起的组织失真现象。试样的尺寸并无统一规定,从便于握持和磨制角度考虑,一般直径或边长为15~20mm,高为12~18mm比较适宜。对那些尺寸过小、形状不规则和需要保护边缘的试样,可以采取镶嵌或机械夹持的办法。 

金相试样的镶嵌,是利用热塑性塑料(如聚氯乙烯),热凝性塑料(如胶木粉)以及冷凝性塑料(如环氧树脂+固化剂)作为填料进行的。前两种属于热镶填料,热镶必须在专用设备一镶嵌机上进行。第三种属于冷镶填料。 

2)粗磨 

粗磨的目的主要有以下三点: 

修整 有些试样,例如用锤击法敲下来的试样,形状很不规则,必须经过粗磨,修整为规则形状的试样; 

‚磨平 无论用什么方法取样,切口往往不十分平滑,为了将观察面磨平,同时去掉切割时产生的变形层,必须进行粗磨; 

ƒ倒角 在不影响观察目的的前提下,需将试样上的棱角磨掉,以免划破砂纸和抛光织物。 

3)细磨 

粗磨后的试样,磨面上仍有较粗较深的磨痕,为了消除这些磨痕必须进行细磨。细磨,可分为手工磨和机械磨两种, 目前机械磨是主要的磨样方式。

目前普遍使用的机械磨设备是预磨机。电动机带动铺着水砂纸的圆盘转动,磨制时,将试样沿盘的径向来回移动,用力要均匀,边磨边用水冲。水流既起到冷却试样的作用,又可以借助离心力将脱落砂粒、磨屑等不断地冲到转盘边缘。机械磨的磨削速度比手工磨制快得多,但平整度不够好,表面变形层也比较严重。因此要求较高的或材质较软的试样应该采用手工磨制。

4)抛光 

抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕,得到光亮无痕的镜面。抛光的方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种,其中最常用的是机械抛光。  机械抛光在抛光机上进行,将抛光织物(粗抛常用帆布,精抛常用毛呢)用水浸湿、铺平、绷紧并固定在抛光盘上。

启动开关使抛光盘逆时针转动,将适量的抛光液(氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液)滴洒在盘上即可进行抛光,抛光时应注意: 

试样沿盘的径向往返缓慢移动,同时逆抛光盘转向自转,待抛光快结束时作短时定位轻抛。 

‚)在抛光过程中,要经常滴加适量的抛光液或清水,以保持抛光盘的湿度,如发现抛光盘过脏或带有粗大颗粒时,必须将其冲刷干净后再继续使用。

ƒ抛光时间应尽量缩短,不可过长,为满足这一要求可分粗抛和精抛两步进行。

④抛有色金属(如铜、铝及其合金等)时,最好在抛光盘上涂少许肥皂或滴加适量的肥皂水。

5)浸蚀 

抛光后的试样在金相显微镜下观察,只能看到光亮的磨面,如果有划痕、水迹或材料中的非金属夹杂物、石墨以及裂纹等也可以看出来,但是要分析金相组织还必须进行浸蚀。 

浸蚀的方法有多种,最常用的是化学浸蚀法,利用浸蚀剂对试样的化学溶解和电化学浸蚀作用将组织显露出来。 

纯金属(或单相均匀固溶体)的浸蚀基本上为化学溶解过程。位于晶界处的原子和晶粒内部原子相比,自由能较高,稳定性较差,故易受浸蚀形成凹沟。晶粒内部被浸蚀程度较轻,大体上仍保持原抛光平面。在明场下观察,可以看到一个个晶粒被晶界(黑色网络)隔开。如浸蚀较深,还可以发现各个晶粒明暗程度不同的现象。这是因为每个晶粒原子排列的位向不同,浸蚀后,以最密排面为主的外露面与原抛光面之间倾斜程度不同的缘故。 

经检查后合格的试样可以放在浸蚀剂中,抛光面朝上,不断观察表面颜色的变化。这是浸蚀法。也可以用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦拭抛光面,观察表面颜色的变化。此为擦蚀法。待试样表面被浸蚀得略显灰暗时即刻取出,用流动水冲洗后在浸蚀面上滴些酒精,再用滤纸吸去过多的水和酒精,迅速用吹风机吹干,完成整个制备试样的过程。

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