基于金相技术的金属材料显微组织研究

基于金相技术的金属材料显微组织研究

伍文文

山东省冶金科学研究院有限公司  山东济南250014

摘要：金相技术作为一种针对金属或合金的的化学研究技术，本文以金相技术为基础，将金属材料显微组织进行了研究，首先阐明了金相试样的制备，其次将夹杂物、带状组织、脱碳、晶粒度四项内容进行了研究，最后希望本文的研究内容能够帮助相关研究人员提供参考。

关键词：金相技术；金属材料；显微组织

引言：当前，金相技术已经广泛应用于金属材料的显微组织研究，通过光学显微镜以及金相试样来对金属材料的显微组织进行观察分析。金相技术经历了一个较为漫长的发展过程，在当前已经成为了一项常规式的研究方式，其对金属材料的寿命与质量性能的判定有着极为准确的结果。

1.金相试样制备

由于在使用金相技术进行金属材料的显微组织的观察时要对金属材料进行抛光打磨，因此首先要对抛磨机的机器参数、夹具形式、模量以及金属材料的特点进行了解，以此判定金相试样的形状。一般情况下，金相试样的大小为20~25mm×15mm×20~30mm，为长方体。

为了保证抛磨过程对砂纸的保护，要对部分试样的边缘进行圆化处理。但要注意的是，若需要对金属材料的表面进行检测，则不能使用圆化处理，以免破坏金属材料的整体性。针对过厚的金属材料，在进行金相试样制备时可以直接按照标准大小进行切割，若试样的形状不规则或尺寸过小，则应当进行嵌入工艺，同样，将嵌入后的部分也要进行抛磨，以此保障试样的表面光滑。

在打磨试样时，存在手动与自动两种方式，往下分还包含粗磨与细磨两种技术。首先进行粗磨，将试样用清水冲洗晾干，之后选用较粗的砂纸进行表面打磨，压力要均匀，避免出现明显磨痕影响后续的观察测定。同时打磨要沿着同一方向进行，避免来回打磨，直至试样表面的磨痕光滑均匀。之后进行细磨，细磨是为了将粗磨的磨痕进行消除，这时的砂纸选用的是更细的磨面，同样秉持着单向单程的操作，细磨的砂纸要不断更换，在更换砂纸时，应当将金属材料的试样旋转90°，保持新磨痕与旧磨痕的垂直状态，之后进行打磨，如此往复，直至试样表面无明显磨痕，呈现光滑的状态，此时要将试样表面的杂质清扫干净，最后进行抛光。当抛光结束后，式样可以直接用金相光学显微镜进行观察，对于未使用硝酸酒精进行浸蚀的金属材料，可以观测其夹杂物、孔洞、裂纹等，将其使用硝酸酒精浸蚀后，可以进一步观察带状组织、脱碳层以及晶粒度等[1]。

2.研究金相技术下金属材料显微组织

2.1夹杂物

由于当前经济与科技手段的进步，用户对金属材料的质量与性能有了更高的要求，通过不断的冶金完善，当前的金属材料在二次冶金时已经能够将其中蕴含的化学成分控制在合理范围之内，但是在金属材料的加工过程中，不可避免仍然会存留一部分有害物质，这些物质在金属材料中就会形成夹杂物，例如钢材料中的氧和硫等元素。这类非金属夹杂物会对金属材料的质量造成影响，影响其使用寿命与韧性，同时影响金属材料的外观。

我们利用金相技术对金属材料显微组织进行检测，将其应用于某工厂的炉号管线中，通过检验，能够发现其中金属材料中包含四种夹杂物，其中，A、B、C类夹杂物为塑型夹杂物，即其能够跟随金属材料的变形而变形。D类夹杂物则为点状不变形夹杂物，当金属材料受热变形后，此夹杂物的形状不变。通常情况下，非金属夹杂物会以单相组织的形式出现在金属材料中，以此破坏金属材料的连续性，加大其基体组织的不均衡性，破坏金属材料的质量。

利用金相技术对这类夹杂物进行观测研究，就要对非金属夹杂物的特性进行了解，通常情况下，非金属夹杂物会在冶炼过程中不断增大，当其体积增至50μm以上时，就会在金属材料中上浮、分离，而小于50μm的夹杂物会在冶炼过程中不断碰撞增长，直至体积足够出现上浮，再对其进行去除。金属材料液的混匀时间会影响非金属夹杂物的碰撞效果，时间越短，混合效果越好，去除效果同样提升[2]。

2.2带状组织

带状组织在金属材料的显微组织中较为常见，属于金属材料明显的内部缺陷，顾名思义，带状组织在金属材料中呈现平行排列的带状，并具有层次性特征，带状组织由珠光体晶粒与铁素体晶粒组成，在采用金相技术对金属材料显微组织中带状组织的研究要先截取一段金属材料，并将其进行打磨抛光，之后使用4%浓度的硝酸酒精对金属材料进行浸泡，之后将浸泡后的金属材料放置在金相显微镜下，将显微镜的观察倍数设置为10x，并随机拍摄观察图片。

之后对随机拍摄的图片进行观察，若在其中发现只存在于少量的珠光体晶粒以及铁素体晶粒，其并没有形成明显的平铺带状，可判定没有带状组织。若发现金属材料中出现一条及以上的连续晶粒体，则可判定为存在带状组织，之后根据带状组织的强弱程度来对其进行等级判定。

当金属材料中出现带状组织时，金属材料的力学性能就会发生改变，在加工时韧性不佳，进而出现断裂，若带状组织严重，还会在表面形成裂纹。

2.3脱碳

对金属材料显微组织的脱碳观察同样要运用金相光学显微镜，截取一段金属材料，将其放置在显微镜下，观察其表面的基体是否与碳含量的变化有关。之后利用4%的硝酸酒精对金属材料进行浸蚀，之后将浸蚀过的金属材料进行观察，并利用金相法对脱碳层与脱碳深度进行测量。若观察到的金属材料中存在较为明显的白色铁素体，说明此处为完全脱碳区，若发现珠光体减少，则说明此处为部分脱碳区。

若金属材料中出现脱碳问题，金属材料的性能就会受到影响，尤其是针对钢材料来说，这是基于钢材料的表层具备碳元素，当氧化脱碳后，显微组织中的渗碳体数量就会降低，进而影响其强度与应力。

若想避免出现脱碳问题，可以在金属材料冶炼时减少加热时间，或是将温度适当降低，或者采用保护气体。如果在加热过程中出现意外导致工序不得不停止，则需要等到温度将下来后再继续进行加热工艺。此外，为了避免在加热过程中金属材料的氧化进而出现脱碳层，还可以在表面加涂覆盖物，以此实现对金属材料的保护[3]。

2.4晶粒度

同样采用4%浓度的硝酸酒精对金属材料进行浸蚀，但要注意，研究金属材料显微组织中晶粒度时，截取的金属材料应该是垂直于锻、轧方向的，并且对截取面要进行抛光打磨。之后将处理过的金属材料利用金相显微镜进行观察，并随机截取三个部分进行观察，对观察结果利用比较法来衡量晶粒的大小粒径。

对于金属材料来说，晶粒度越小，金属材料的性能就越好，二者呈现反比状态。同时，晶粒的排列状态也会影响金属材料的性能，排列越规范整齐，金属材料的性能越好。因此，对于金属材料的晶粒体积要进行控制，在这一点上，可以对金属材料进行冷却处理，当温度降低，过冷度就会上升，再使用吸热性能与导热性较好的铸型材料来降温，晶粒度的体积就能控制在较小范围内。

当金属液结晶前，在其中加入少量变质剂，变质剂有两种选择，一种是形核变质剂，另一种是吸附变质剂。第一种能够非自发形核，能够在金属液中通过异质形核来控制晶粒体积。第二种具有熔点低的特点，能够有效降低温度，并且在晶体成长过程中能够吸附在晶体表面，进而阻碍晶体生长，达到控制晶粒体积的目的。

结论：综上所述，金属材料中显微组织中存在较多影响金属材料性质的因素，利用金相技术中的光学显微镜进行观察，并结合金相法测定比较金属材料中不利因素的影响，通过这样直观的方式来对金属材料显微组织进行测定，进而保证金属材料的质量。

参考文献：

[1]马秋彦,汪加楠,孙少娟等.基于金相技术的金属材料显微组织分析[J].河南冶金,2021,29(03):8-10+51.

[2]丁贤飞,黄宏,冯新等.定向凝固技术在金属材料凝固与相变过程中的应用[J].特种铸造及有色合金,2021,41(08):925-931.

[3]张哲语.合金结构钢的金相检验、检测技术与发展方向[J].世界有色金属,2021(09):213-214.