大学生金相大赛试样制备难点解析

一、引言

2021年下半年以来特鲁利（苏州）材料科技有限公司相继赞助了“北科标样杯”北京科技大学第十一届金相实验技能大赛、“北科-钢研杯”首届研究生金相实验分析大赛、第五届“特鲁利杯”江西省金相技能大赛等金相赛事。赛事异彩纷呈，参赛的同学们技艺高强，制备的试样都很完美。

 

学生们虽然初出茅庐但却能够使用比较原始单一的材料制备出理想的结果充分展现了学生们的实力。但是毕竟同学们尚在校园学习，并没有对金相制备的理论技巧等做过专门的研究，加之平时接触的材料种类很少，仅限于自己专业研究相关的几种材料（以常见的金属材料如各种钢为主），而且院校一般都没有完备的实验器材和各式各类的专用耗材。所以他们对于各类材料的金相制样并没有深刻的认知，在比赛的过程中也出现了一些他们解释不了的现象和解决不了的问题。有鉴于此，我司也从比赛现场带回了一些标样，尝试在不同条件下制备金相样品，以期在制备的过程中发现一些问题并给出解决方案，这样就有助于大学生快速高质量地制备金相。

 

  

二、材料设备和方法

带回的样品有4种，分别为工业纯铁、20钢、45钢和球墨铸铁。为模拟实际的比赛，样品只研磨到P2000，抛光只使用1种抛光布。为验证不同抛光布和抛光液的抛光效果，分别配备了氧化铝抛光液、金刚石喷雾剂和多晶金刚石抛光液，抛光布有我司和比赛类似的YR抛光布以及我司的YS抛光布、SC抛光布，如下表1。

研磨和抛光设备使用我司的GP-2A进行手动操作。先将试样使用SiC砂纸从P400研磨至P2000，最初的研磨砂纸不宜太粗，以免留下较深的变形层，尤其是纯铁。然后再只使用一种抛光布进行抛光。研磨时的转速300rpm，研磨纯铁时压力尽量小，以免产生过深的变形层。抛光时的转速控制在400~600rpm之间，抛光时间以抛光面的状态来确定，直到肉眼观察无划痕时为止，在抛光的最后30~60s时将转速降低至300rpm左右，打开清水进行抛光。了解到金相大赛使用的磨抛机较为原始简单，其转速为一定值1400rpm，所以建议学生们在比赛时通过将样品放置在磨抛盘的不同直径处来获得不同的磨抛速度。

三、过程结果

1、YR抛光布配合0.05μm氧化铝抛光液

由上图可以看出只有纯铁表面有明显的划痕（纯铁较软表面很容易产生划痕），此外球墨铸铁由于抛光后用自来水清洗，在石墨球在基体的缝隙之间渗入水分，在随后的吹干过程中围绕石墨出现一圈黄色污渍。

随后使用4%硝酸酒精腐蚀试样，结果如下图：

 

显然，0.05μm的氧化铝抛光液难以抛除P2000砂纸留下的划痕。抛光时金属表面层的流动使得抛光面看起来没有划痕，但是在腐蚀后由于抛光面各部分的能量密度状态差异使得研磨时的划痕再次暴露出来形成暗色线条（见下图）。而且没有被完全抛除的变形层使得20钢和45钢的晶界以及珠光体片层模糊不清。

 

推究原因，氧化铝抛光液本来一般应用于精细抛光，其硬度比金刚石较低，加之采用的粒度较细只有0.05μm，所以去除变形层的能力较弱，倘若通过延长抛光时间来去除变形层则又会导致金属表面层出现诸如麻点、曳尾和橘皮等制样缺陷。

2、YR抛光布配合1μm金刚石喷雾剂

抛光的结果如下图所示：

可以看到YR抛光布配合1μm金刚石喷雾剂抛光后的试样表面和氧化铝的有明显不同，整个抛光面呈现出一种瓷质的反光特性。所有的抛光面都比较光滑，纯铁的TiN夹杂清晰可见。球墨铸铁中的石墨未见明显脱落，只是在其表面留下了轻微的取向随机的抛光划痕（不同于无法抛除的砂纸划痕），围绕石墨周围有水痕。

 

上图为使用擦蚀法的纯铁金相，可以看到晶粒表面颜色均一，没有明显色差。一些晶界由于和相邻晶粒的位相差较大其能量密度较高而被腐蚀得较宽较深呈现明显的黑色，尤其对于纯金属来说由于单相α铁间的电位差较小，腐蚀的驱动力较小，晶界尤其成为优先腐蚀的阳极，一些能量密度高（原子错排度或混乱度高）的晶界极化愈加严重从而抑制了低能量密度晶界的腐蚀而越来越深和宽以至于在500×下变宽的晶界清晰可见，而那小角度晶界则很难分辨；从上面图中还可以看到晶粒内部存在波浪状的模糊暗色区域，这说明纯铁晶粒表面存在微小变形。

 

为了减轻这种变形和控制腐蚀后的晶界宽度，对纯铁试样进行了反复腐蚀-抛光实验（见下图）。

 

纯铁（反复擦拭腐蚀）  100×      纯铁（反复擦拭腐蚀）  500×

由上图可以看出对纯铁进行反复腐蚀抛光后纯铁的抛光面质量得到了大幅度的提高，抛光面干净无划痕，但是却造成了TiN夹杂的脱落，这在500× 的照片中显示得尤为明显。照片的右上角是尚未脱落的TiN夹杂，左下角是TiN颗粒脱落后遗留下来的规则的四边形孔洞。由于TiN夹杂和纯铁基体间是机械结合，在腐蚀的时候腐蚀液进入他们之间的缝隙中使得他们的机械结合进一步减弱，在反复抛光的时候抛光布的绒毛很容易将TiN拉出造成脱落。但是倘若分析的重点并不在于夹杂物则此种脱落可以忽略。

 

纯铁（反复擦拭腐蚀）  200×      纯铁（反复擦拭腐蚀）  500×

上图为经过反复腐蚀-抛光后纯铁的金相照片，可以看到晶粒内部的变形有相当程度的减轻，500×下不再有变形波纹，其中黑色四边形为脱落的TiN留下的凹坑。由于光学显微镜的衬度问题导致腐蚀较浅的晶界颜色较淡。

3、YS抛光布配合1μm多晶金刚石抛光液

抛光的结果如下图所示：

 

 

 

上图可以看出在反复腐蚀-抛光后消除了因砂纸研磨而产生的较深变形层，晶粒内部未见变形波纹，但是在500×的照片中有两个TiN的脱落坑清晰可见。

4、SC抛光布配合1μm多晶金刚石抛光液

抛光的结果如下图所示：

 

从上图可以看出，使用较软的无绒机织布后试样表面因抛光而产生的划痕大为减轻（纯铁），甚至没有划痕（20钢、45钢和球墨铸铁），球墨铸铁中的石墨未见脱落。

 

由上图可以看出，在腐蚀后纯铁内部被掩盖的较深变形层暴露出来。其他钢的金相组织得到较好的呈现，尤其是球墨铸铁，石墨未见脱落且各相的边界非常清晰。为得到较为理想的金相照片，对纯铁进行反复腐蚀-抛光实验。

 

在进行反复腐蚀-抛光后，纯铁表面因研磨而产生的变形层消失，100×照片中晶粒的立体感增强。

四、问题和总结

在样品的制备过程中出现了各种问题，总结如下：

1、抛光或腐蚀后表面有区域变黄

  样品在抛光或者腐蚀过后在显微镜下观察发现有的区域变黄，如下图：

 

试样在抛光过程中抛光面上的原子被磨料不停地抛除，从而有大量的新鲜原子不停地暴露出来，这些新鲜的表面原子具有很高的活性，自来水中含有大量的的K+、Ca2+等离子和钢中的铁碳形成了原电池，因为自来水为弱酸性，所以发生了吸氧腐蚀。最终铁在反应中形成了水合氢氧化物密排在磨抛面上，从而很难以酒精擦除，恰如45钢表面所示。同时由于45钢和球墨铸铁中碳含量较高，很容易形成大量的原电池，电化学反应的驱动力较大，故这2种材料很容易在腐蚀前产生这种问题，但是在纯铁和20钢中却鲜见。而且球墨铸铁和基体间有缝隙存在，在吹风时也很容易围绕球墨形成水纹。所以这种问题可以产生在抛光时也可以产生在抛光后用水冲洗时。若发生在抛光时则抛光后肉眼可见变黄，此时应重新短时抛光将反应层去掉。若发生在冲洗时则应使用酒精代替水来冲洗，并且在吹风时使用冷风。

2、滴蚀后样品表面发灰，明暗相间，如下图：

 

纯铁  100×                    纯铁  500×

出现这种情况的原因是在腐蚀试样时使用了滴蚀法，在发生电化学反应的时候阳极的表面沉积了大量的腐蚀产物导致晶粒颜色发暗。在改为擦蚀法后试样表面的脏污被擦去。

3、腐蚀后原本抛光光滑的表面出现划痕，如下图：

 

20钢抛光态  500×                  20钢腐蚀后  500×

出现此种情况是因为试样在抛光阶段没有把变形层完全抛除，以致在随后的腐蚀过程中由于变形处与基体能量密度不同而被暴露出来。因此应该使用更细的研磨砂纸轻轻打磨或者使用抛除率高的抛光布-抛光液体系进行抛光。可以进行反复腐蚀-抛光程序，但显然如果是使用较细的氧化铝抛光则此程序需要耗费较长时间。

4、纯铁在用4%硝酸酒精腐蚀后有晶界加宽和部分晶界显示不清现象，如下图：

 

纯铁 500×

由上2图可以明显看到，为了能够显示出那些小角度晶界不得不对观察面进行反复擦蚀，其结果就是大角度晶界的宽度不断加深加宽，导致了极化现象。这样一来大角度晶界更加优先作为阳极被腐蚀掉，而小角度晶界仍然在明场下不是十分清晰。有文献提到，并不是有的晶界没有被腐蚀出来而是由于明场照射光为垂直落射，那些角度小的晶界偏射出去的光比较少导致和基体的衬度减小而难以分辨。为了避免腐蚀过程发生极化而使整个表面都能得到均匀腐蚀，有两个思路可供选择，第一是在腐蚀液中加入缓蚀剂来减小极化效应，第二是改变晶粒和晶界处与腐蚀液的张力来调整各处的腐蚀速度。考虑到本实验为模拟金相大赛，受到大赛物质材料的限制，不能随意地改变腐蚀液的种类和添加想要的化学物质，所以推荐利用比赛现场必备的洗手液或肥皂之类的东西加入4%硝酸酒精充当缓蚀剂，加入量约为溶液体积的30%，这样可以使试样表面得到较为均匀的腐蚀。

 

纯铁 100×                        纯铁500×

由上图可以看出，加入缓蚀剂以后纯铁的大角度晶界优先腐蚀现象得到了显著的控制，各处都腐蚀得比较均匀。但是在500×下察看，一些小角度晶界仍然若隐若现。为此通过改变显微镜的参数来调整画面的分辨率和对比度。

 

 

可以看出在500×下通过控制孔径光阑至最小，增加照片的分辨率、焦深和对比度，在明场下难以看到的小晶界也显现出来，同时一些细微的小划痕也可以看到，所以在抛光检查时，使用孔径光阑可以分辨出非常细微的小划痕以提高抛光的质量。同时我们可以看到晶粒呈现很强的立体感，充当阳极的晶粒下凹且表面较为粗糙，与之交界的晶界的倾斜面也清晰可见。由此可以说明，并非是有的晶界没有腐蚀出来，而是在明场下难以分辨而已。总之，若想得到一个很好的纯铁金相，则必须在比赛条件受限的情况下想办法尽量使得整个观察面均匀腐蚀。尤其是那些在纯铁退火过程中由于晶界扩张而产生的低能量晶界或者是大晶粒内部的亚晶界，应想办法促进他们与高能量晶界同时均匀腐蚀，这样才可以使他们同时在金相照片中清晰地显示出来。当然，显微镜本身参数的调整也是重要的一环。

  希望以上这些可以对以后参加大学生金相大赛的同学有所镜鉴和帮助！