金相分析技术

1、金相分析技术金相分析技术第1页序言/10/10豫联集团2 相是组成材料、影响材料性能一个微观结构单元，所以，为了得到含有理想性能材料，十分有必要对其进行了解和研究。 我们要求材料不但在宏观上含有均匀统一组织结构，还要求其在微观上协调、均匀。使材料在变形过程中各晶粒能够相互协调与配合，从而表现出理想力学性能。金相分析技术第2页内容金属宏观性能和内部组织结构关系相形成过程金属内部组织结构对宏观性能影响研究金属组织结构方法金相样品制备结论/10/10豫联集团3金相分析技术第3页 金属材料结晶/10/10豫联集团4金相分析技术第4页 金属材料结晶/10/10豫联集团5 结晶基本过程：形核长大。 液态金

2、属中存在着原子排列规则小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。温度降低到一定时，一些大尺寸晶胚将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新晶核产生。晶核不停形成，不停长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。金相分析技术第5页/10/10豫联集团6不一样金属微观组织体系内部，物理性质和化学性质完全相同、均匀一致（用肉眼或普通显微镜观察）部分称为一个相金相分析技术第6页/10/10豫联集团7Zn-3%Mg合金共晶组织 400XAl-4.5%Cu合金组织 450X不一样金属微观组织金相分析技术第7页Cu -20%Ni铜合金铸态组织：因为非平衡结晶，展现出树枝状

3、晶体（枝晶偏析）放大倍数：100 x Cu -20%Ni合金均匀化退火组织 ：多边形晶粒 放大倍数：100 x /10/10豫联集团8不一样处理工艺对金属影响枝晶偏析轻易造成合金塑性，韧性下降；易引发晶间腐蚀，降低合金抗蚀性能。金相分析技术第8页 Al-12%Si合金组织分析：块状晶+针状共晶放大倍数：100X/10/10豫联集团9Al-12%Si合金变质处理组织分析：树枝状初晶+共晶放大倍数：100X不一样处理工艺对金属影响块状晶针状晶金相分析技术第9页内容金属宏观性能和内部组织结构关系相形成过程金属内部组织结构对宏观性能影响研究金属组织结构方法金相样品制备结论/10/10豫联集团10金相分

4、析技术第10页相图/10/10豫联集团11 物质在温度、压力、成份改变时，其状态能够发生改变. 依据相图可确定在热力学平衡条件下，不一样成份材料在不一样温度下组成相种类、各相相对量、成份及温度改变时可能发生改变。相图：描述系统状态、温度、压力及成份之间关系图解。金相分析技术第11页Al-Cu合金相图/10/10豫联集团12金相分析技术第12页/10/10豫联集团13时效强化（沉淀强化）：铝合金合金元素在铝中固溶度随温度降低而急剧减小。将铝合金加热到某一温度保温后水中淬火，能够得到过饱和铝基固溶体。将饱和铝基固溶体在室温或加热到某一温度时，就会析出第二相，此相会对晶格畸变产生不一样影响，从而使合

5、金强度和硬度随时间延长而提升。固溶强化:纯铝中加入合金元素时，会造成晶格发生畸变，增加位错运动阻力，从而提升铝强度，同时取得优良塑性和良好压力加工性能。通常还经过随即时效过程使铝合金强度和塑性得到深入提升。合金强化机理金相分析技术第13页Al-Cu合金性质/10/10豫联集团14Al2Cu是一个强化相，参加固溶-沉淀强化，使合金再热处理后具有较高机械性能，其机械加工性能也得到了改进。但抗腐蚀性能较差。金相分析技术第14页/10/10豫联集团15AlMg2Si相图Al-Mg-Si 合金Mg2Si在Al中固溶度:共晶温度:1.85wt%，500C:1.05 wt %200C:0.09wt%Al-M

6、g2Si系合金有显著时效硬化效应金相分析技术第15页/10/10豫联集团16Al-Mg-Si 合金体系中Mg和Si原子个数比为2/1，质量比为1.73时，Si刚好完全形成Mg2Si相，叫做平衡相合金体系。假如Mg/Si质量比小于1.73，则Si含量超出形成Mg2Si当量所需Si，形成硅过剩合金系。过剩硅能够提升合金强度，但过剩硅存在可能造成材料脆性增加，所以硅含量普通不能超出太多。 该系合金特征：中等强度，耐腐蚀性能好，焊接性能好，工艺性能好（易挤压出成形）氧化着色性能好。Al-Mg-Si 合金金相分析技术第16页内容金属宏观性能和内部组织结构关系相形成过程金属内部组织结构对宏观性能影响研究金

7、属组织结构方法金相样品制备结论/10/10豫联集团17金相分析技术第17页/10/10豫联集团18不平衡结晶金相分析技术第18页/10/10豫联集团19热处理对1235铝合金材料影响金相分析技术第19页/10/10豫联集团20复熔共晶球热处理对1235铝合金材料影响金相分析技术第20页/10/10豫联集团21回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见改变，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前过程。 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新无畸变等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除过程。金相分析技术第21页（a）黄铜冷加工变形量到达CW38后组织

8、 （b）经580C保温3秒后组织/10/10豫联集团22回复与再结晶金相分析技术第22页（c）580C保温4秒后金相组织（d）580C保温8秒后金相组织/10/10豫联集团23回复与再结晶金相分析技术第23页/10/10豫联集团24（e）580C保温15分后金相组织（f）700C保温10分后晶粒长大金相组织回复与再结晶金相分析技术第24页/10/10豫联集团25金属及合金晶粒大小与金属材料机械性能、工艺性能及物理性能有亲密关系。细晶粒金属材料机械性能、工艺性能均比很好，它冲击韧性和强度都较高，在热处理和淬火时不易变形和开裂。粗晶粒金属材料机械性能和工艺性能都比较差。金属材料晶粒大小与浇铸工艺、

9、冷热加工变形程度和退火温度等相关。金属材料强度在很大程度上取决于晶粒大小，正如Hall-Petch公式所描述强度和晶粒尺寸之间函数关系：0Kd-1/2 式中：为屈服强度； 0 、 K为常数； d为晶粒直径； 晶粒尺度 金相分析技术第25页/10/10豫联集团26 试验表明，因为晶界强度高于晶内，在拉力作用下，在晶界处呈竹节状。 晶粒尺度 金相分析技术第26页/10/10豫联集团27晶粒细化 在Al-Mg-Si合金材料中加入Mg进行晶粒细化金相分析技术第27页/10/10豫联集团28第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级，称为聚合型两相合金-第二相强化第二相粒子细小而弥散地分布在基体晶粒中，称为弥

10、散分布型两相合金-弥散强化。相分布、形状、大小对材料影响金相分析技术第28页 钢中二次渗碳体硬脆相网状分布于晶界中，造成很大应力集中，造成早期断裂，影响晶粒结合，并使晶粒变形受阻而造成强度降低。/10/10豫联集团29相分布、形状、大小对材料影响硬脆相金相分析技术第29页/10/10豫联集团30相分布、形状、大小对材料影响金相分析技术第30页内容金属宏观性能和内部组织结构关系相形成过程金属内部组织结构对宏观性能影响研究金属组织结构方法金相样品制备结论/10/10豫联集团31金相分析技术第31页/10/10豫联集团32金相分析金相分析是人们经过金相显微镜来研究金属和合金显微组织大小、形态、分布、

11、数量和性质一个方法。显微组织是指如晶粒、包含物、夹杂物以及相变产物等特征组织。利用这种方法来考查如合金元素、成份改变与显微组织关系；冷热及其它加工对组织影响；应用金相检验还可对产品进行质量控制和产品检验以及失效分析等。 金相分析技术第32页金相显微镜成象原理 /10/10豫联集团33人眼判别能力：0.150.30mm。金相显微镜放大原理： （1）物镜 细节AB经过物镜得到放大倒立实角A1B1。A1B1细节虽已为被区分开，但其尺度仍很小，仍不能为人眼所判别，所以，还需第二次放大。金相分析技术第33页（2）目镜 当经第一级放大倒立实象处于目镜主焦点以内时，人眼可经过目镜观察到二次放大A3B3正立虚

12、象。观察物体细节经物镜放大后实象落到目镜主焦点以内后，人眼观察可看到经两次放大后虚象。A3B3虚象就是经物镜和目镜两次放大后组合物象。/10/10豫联集团34金相显微镜成象原理 金相分析技术第34页显微镜总放大倍数/10/10豫联集团35金相显微镜成象原理 金相分析技术第35页 任何一个金相显微镜均主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(包含摄影或其它装置)组成。金相显微镜结构/10/10豫联集团361载物台 2镜臂 3物镜转换器4微动座 5粗动调焦手轮 6微动调焦手轮 7照明装置 8底座 9平台托架 10碗头组 11视场光阑 12孔径光阑4型金相显微镜机械结构金相分析技术第36页内容金

13、属宏观性能和内部组织结构关系相形成过程金属内部组织结构对宏观性能影响研究金属组织结构方法金相样品制备结论/10/10豫联集团37金相分析技术第37页/10/10豫联集团38试样制备试样制备工作包含许多技巧，需要有长久实践经验才能很好地掌握；同时它也比较费时和单调，往往使人感到厌烦。因为研究材料各异，金相显微制样方法各种多样，其程序通常可分为取样、镶样、磨光、机械抛光(或电解概抛光、化学抛光)、腐蚀等几个主要工序，不论哪一个工序操作不妥，都会影响最终效果。所以，不应忽略任何一个步骤。不适当操作可能形成“伪组织”造成错误分析。金相分析技术第38页取样 /10/10豫联集团39选择适当、有代表性试样

14、是进行金相显微分析极其主要一步，包含选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。金相分析技术第39页一、取样部位选择取样部位及检验面选择取决于被分析材料或零件特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性部位。生产中常规检验所用试样取样部位、形状、尺寸都有明确要求(详见相关行业和国家颁布标准)。比如： 零件失效分析试样，应该依据失效原因，分别在材料失效部位和完好部位取样，方便于对比分析。对铸件，必须从表面到心部，从上部到下部观察其组织差异，以了解偏析情况，以及缩孔疏松及冷却速度对组织影响。取样 /10/10豫联集团40金相分析技术第40页二、试样截取取样时，应确保被观察截面不会因为截取而产

15、生组织改变，所以对不一样材料要采取不一样截取方法：1、对于软材料，能够用锯、刨等加工方法；2、对于硬材料，能够用砂轮切片机切割或电火花切割等方法。3、对于硬而脆材料，能够用锤击方法。4、在大工件上取样，可用氧气切割等方法。5、在用砂轮切割或电火花切割时，应采取冷却办法，以免试样因受热而引发组织改变。 取样 /10/10豫联集团41金相分析技术第41页三、试样尺寸金相试样大小方便于握持、易于磨制为准。 通常显微试样为直径15mm、高1520mm圆柱体或边长为1525mm立方体。 对于形状特殊或尺寸细小不易握持试样，要进行镶嵌或机械夹持。1、试样取下后，普通黑色金属要用砂轮打平，对于很软材料(如铝

16、、铜、镁等有色金属)可用锉刀锉平。 2、磨砂轮时应利用砂轮侧面，并使试样沿砂轮径向迟缓往复移动，施加压力要均匀。这么既能够确保使试样磨平，还能够预防砂轮侧面磨出凹槽，使试样无法磨平。 3、在磨制过程中，试样要不停用水冷却，以预防试样因受热升温而产生组织改变。 4、在普通情况下，试样周界要砂轮或锉刀磨成45角，以免在磨光及抛光时将砂纸和抛光织物划破。取样 /10/10豫联集团42金相分析技术第42页/10/10豫联集团43磨光分为粗磨与精磨。 (1) 粗磨粗磨目标是为整平试样，并磨成适当形状。金相试样磨光除了要使表面光滑平整外，更主要是应尽可能降低表层损伤。 该道工序本身应做到尽可能降低损伤，方

17、便于进行下道工序。磨光 金相分析技术第43页/10/10豫联集团44 图为试样经过切割加工及磨光工序后，表面变形层厚度改变示意图。图中A、B、C均为变形层，越往里，变形量越小，D为未受损伤组织。此过程要注意预防金属过分发烧。磨光 金相分析技术第44页 (2) 精磨精磨目标是消除粗磨时留下较深磨痕，为下一步抛光打好基础。 精磨通常是在砂纸上进行。精磨时可用水作润滑剂进行手工湿磨或机械湿磨，通常使用粒度为240、320、400、 600四种水砂纸进行磨光后即可进行抛光。 对于较软金属，应用更细砂纸磨光后再抛光。对于有一定数量试样，精磨可用手工湿磨机进行 。/10/10豫联集团45磨光 金相分析技术

18、第45页手工湿磨： 将砂纸粘贴在平板玻璃上磨制时，将试样磨面平放在砂纸上，直线向前推。退回时离开砂纸，这么重复进行，直到旧磨痕全部消失，在整个磨面上得到方向一致均匀新磨痕为止。 每换一道砂纸之前，必须先用水洗去样品和手上砂粒，然后将试样旋转90，再在次级砂纸上磨制。 湿磨优点： （a）绝大部分磨屑和脱落磨粒及时地冲走。这么在整个磨光操作过程中，磨粒尖锐棱角一直与试样表面接触，保持其良好磨削作用。 （b）水冷却作用能够降低磨光时在试样表面产生摩擦热，防止显微组织发生改变。/10/10豫联集团46磨光 金相分析技术第46页机械磨制将不一样粒度碳化硅砂纸分别置于边缘略有突起放了一些水电动转盘上，则伴

19、随转盘转动，砂纸下面水被甩出，砂纸被吸附在转盘上，即可进行机械湿磨，磨光效率能深入提升。如转盘式金相预磨机使用时用水作润滑剂和冷却剂。配有微型计算机自动磨光机，能够对磨光过程进行程序控制，整个磨光过程能够在数分钟内完成。 自动磨样机/10/10豫联集团47磨光 金相分析技术第47页一、机械抛光 抛光目标就是要尽快将磨光工序留下变形层除去，并使抛光产生变形层不影响显微组织观察。抛光与磨光机制基本相同，即嵌在抛光织物纤维上每颗磨粒能够看成是一把刨刀，依据它取向，有能够切除金属，有则只能使表面产生划痕。因为磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。 抛光 /10/10

20、豫联集团48金相分析技术第48页/10/10豫联集团49 抛光操作关键： a 设法得到最大抛光速率，方便尽快除去磨光时产生损伤层； b 使抛光产生变形层不致影响最终观察到组织，即不会产生假象。 问题： 这两个要求是有矛盾，前者要求使用较粗磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细磨料，但抛光速率较低。 处理方案：把抛光分为两个阶段来进行。 首先是粗抛，目标是除去磨光变形层，这一阶段应含有最大抛光速率，粗抛本身形成变形层是次要考虑，不过也应尽可能小。 其次是精抛(又称终抛)，其目标是除去粗抛产生变形层，使抛光损伤减到最小。 抛光 金相分析技术第49页1、粗抛：普通选取金刚石研磨膏进行粗抛，先使

21、用粒度为3.5m磨料，然后再使用粒度为1m磨料；对于较软材料要使用粒度为0.5m磨料才可取得最正确效果，注意合理选择抛光机转速：采取机械抛光时应为250300r/min自动抛光时应为150r/min) 。/10/10豫联集团50抛光 金相分析技术第50页2、精抛尽管对磨光及粗抛已经有了比较成熟标准，不过对于精抛，还要求操作者有较高技巧。惯用精抛磨料为MgO及Al2O3，其中MgO抛光效果最好，但抛光效率低。近年来已经有在抛光机上配置微型计算机，使抛光自动化，抛光机能够按照要求参数(如转速、压力、润滑剂选择、磨粒喷撒频率等)进行工作，这些参数还能够随时间而变。 对于某种材料金相试样，只要建立了最

22、正确制样参数，制样效果主要性很好，工作效率大大提升。不过这种制样设备并不能完全取代金相技术人员工作，它只能按照人们预制订程序进行工作。抛光 /10/10豫联集团51金相分析技术第51页金相试样腐蚀 /10/10豫联集团52 试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮磨面及夹杂物等。要对试样组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。 惯用腐蚀方法有化学腐蚀法和电解腐蚀法金相分析技术第52页化学腐蚀是将抛光好样品磨光面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出其试样组织形貌。1、纯金属及单相合金 腐蚀是一个化学溶解过程。晶界上原子排列不规则自由能高晶界易受腐蚀而呈凹沟在显微镜下能够看到多边形晶粒。 若腐蚀较深，因为各晶粒位向不一样不一样晶面溶解速率不一样腐蚀后显微平面与原磨面角度不一样反射进入物镜光线不一样明暗不一样晶粒。 /10/10豫联集团53化学腐蚀金相分析技术第53页/10/10豫联集团542、两相合金 腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。 两个组成相含有不一样电极电位形成极多微小局部电池较高负电位一相成为阳极被溶入逐步凹下去；含有