金属材料检测之金相分析

随着社会经济的不断变化和发展，汽车产业和机械产业向高科技化及精细化的生产发展转变，极大地推动了钢铁产业的发展和变革。

为满足产业多样化及装备现代化对品质、成本、稳定性的需求，钢铁企业需要金属测试来提升技术和工艺流程。金属测试项目繁多，其中金相测试在其中起到了关键性的作用——它可以发现钢铁材料存在的缺陷和问题，促进特殊钢铁工业的发展。

针对金属失效缺陷开裂和断裂、化学热处理缺陷、热处理后的不正常组织、晶界脆性相析出、钢过热组织、钢夹杂缩孔、铝晶界出现复熔球等现象时，金相分析是最基础及快速分析的手段，也是故障分析的重要根据。金相分析不仅可以用于评估产品质量和性能，还可以帮助工程师了解材料在加工、使用和失效等各个阶段中发生的变化情况，从而为改进材料性能提供依据。

目前金相切片分析将实物金相表面画面转移到计算机图像处理，具有准确度高、速度快等优点，由此可以更直观呈现检测结果，极大地提高工作效率。

不同的金属或合金，具有完全不同的物理、化学和力学性能。即便化学成分相同的材料，采用不同的加工工艺，也会得到性能差异明显的产品，其根本原因是金属的内部结构发生了改变。金相分析是了解金属材料内部结构最重要的方法，利用金相分析研究金属材料结构、成分、工艺与性能之间的变化规律，是生产研发、质量控制或失效分析工作中必不可少的手段。

01、什么是金相分析？

金相分析是金属学的重要分支，主要指借助金相显微镜、体视显微镜、扫描电子显微镜等对材料的显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的分析技术。金相分析主要工作内容包括相及组织的识别定性、相及组织的定量分析等。 

金属材料的金相试样的加工制备根据试验项目的不同有不同要求，但试样加工过程都是相同的。金相试验包括试样的切取、磨制、抛光、腐蚀、冲洗、吹干等过程；然后显微镜观察、分析、结论。

不同材料的金相试样，根据观察要求，采用相应不同的腐蚀剂。

02、金相试样的制备方法

在正式进行金相测试前，技术员需进行被观察样品的制备——选取的金相试验样品需客观全面地代表被研究的材料。

具体制样步骤如下：

1、取样前观察及记录

针对失效分析中金相检验项目，在取试样前,应完成对失效表面的研究及记录失效的情况。除需要截取断裂或开始失效的部位外，技术员还需在正常部位取试样方便后续进行组织和性能对比分析。

2.试样的截取

试样可用砂轮切制、电火花线切制、机加工(车、创、磨)、手锯以及剪切等方法截取,必要时也可用氧乙快火焰气割法截取，硬而脆的金属可用锤击法取样。试样截取时应尽量避免截取方法对组织的影响(如变形、过热等) 。在后续制样过程中应去除截取操作引起的影响层，如通过(打) 砂轮磨削等，也可在截取时采取预防措施(如使用冷却液等) ，防止组织变化。

3.试样的镶嵌和固定

试样尺寸较小(如薄板、丝带材、细管等)，试样过软、易碎，试样形状不规则，检验边缘组织的试样需要镶嵌。所选用的镶嵌方法不应改变原始组织，镶嵌时试样检验面一般朝下放置，根据实际需要，可选用热镶嵌法或冷镶嵌法镶嵌。

4.热镶嵌法

将试样检验面朝下放入热镶机的模子中，倒人树脂应超过试样高度，封紧模子并加热、加压固化、冷却，再打开模子，完成热镶。热镶的温度、压力、加热及冷却时间根据选用的树脂而定-般加热温底不超过 180°C，压力小于 30MPa，建议冷却到 30°C后再解除压力。

5.冷镶嵌法

试样检验面朝下放入合适的冷镶模子中，将树脂及固化剂按合适比例充分搅拌(搅拌过程中尽量避免出现气泡》，注入模具，在室温固化成型。对温度和压力敏感的材料要冷镇，如不允许加热的试样、软的试样、形状复杂的试样以及多孔性试样等。冷镶材料有聚脂树脂、丙烯酸树脂环氧树脂等，也可使用牙托粉和牙托水。冷镶模具可用硬橡胶、聚四氟乙烯塑料、纸盒等。使用低真空实现真空冷镶，镶嵌材料容易渗入缝隙，适用于多孔试样、细裂纹试样、易脆试样、脆性材料等。

6. 研磨

在磨抛机上分别经过 180# 400# 800# 1200# 砂纸研磨，研磨后必须经过认真清洗，防止上一次研磨的颗粒进入下一道研磨划伤试样。

7. 抛光

机械抛光:在抛光织物上均匀喷洒金刚石或悬浮氧化铝液抛光喷雾，在磨抛机上抛光试样金刚石用于钢或硬质材料或镀层镀膜抛光，悬浮氧化铝用于铝合金、铸铁、复合材料的抛光。

化学抛光:选择合适的试剂在适当的电压或电流下进行抛光。

8.浸蚀

使用化学试剂与试样表面起化学溶解或电化学溶解的过程,以显示金属的显微组织。

通过如上的步骤，试样制作完毕。后续的样品观察需要用到专业的观察设备-金相显微镜。

03、金相分析检验

1. 观察和采集

在金相显微镜上选择合适的放大倍率观察试样，选取特征点拍照，对特定评级有其他要求的需按要求拍照取样。

2.组织鉴别

例如：参考标准图谱 (CB/T3409 舰船材料金相图谱等) 结合冷、热加工状况鉴定组织种类。

04、金相分析测试项目包括

1、显微组织

　  项目：常规钢铁金相、铸铁金相、铝合金金相、钛合金金相、铜合金金相、镍合金金相、轴承钢金相、高温合金金相、高锰钢金相、马氏体评级、碳化物评级、粉末制品金相。

2、晶粒尺寸

　  项目：平均晶粒度、双重晶粒度、晶粒尺寸。

3、非金属夹杂

　  项目：铁素体含量、不锈钢α-相，定量金相，钛合金α/β相。

4、宏观低倍

　  项目：钢的低倍、高温合金低倍。

5、硬化层/渗碳渗氮层深度

　  项目：硬度法、金相法。

6、其他分析

　  项目：断口分析、金相流线、焊接金相、PCB切片、末端淬透性、电镜扫描、微观评估等。

05、金相检测标准

1.金属显微组织检验方法 GB/T13298-20152. 变形铝及铝合金制品组织检验方法 第 1 部分显微组织检验方法 GB/T 3246.1-20123. 钢的显微组织评定方法 GB/T13299-19914. 钢的共晶碳化物不均匀度评定法 GB/T 14979-19945. 舰船材料金相图谱 CB/T3409-19916. 灰铸铁金相检验 GB/T7216-20097. 球墨铸铁金相检验 GB/T9441-20218. 不锈钢中 a 相面积含量金相测定法 GB/T13305-20089. 钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法 GB/T 13320-200710. 钢件渗碳济火回火金相检验 GB/T 25744-201011. 可锻铸铁金相 GB/T 25746-201012. 蠕墨铸铁金相检验 GB/T 26656-201113. 钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验 GB/T11354-200514. 铸造铝合金金相 第 1部分: 铸造铝硅合金变质 JB/T 7946.1-201715. 钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法 GB/T10561-200516. 金属材料焊缝破坏性试验 焊缝宏观和微观检验GB/T 26955-201117. 金属材料焊缝的破坏试验.焊缝的宏观和微观检验ISO 17639:2003 (2022)18. 用系统手动点计数确定体积分数的标准测试方法 ASTM E562-19el