材制视角 | 竞赛专辑 金相学简介
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金相分析
金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。
金相检验的目的和意义
早在几千年前，人们就已开始发现并使用金属材料了。但是利用金相显微镜来观察分析金属材料的微观组织结构这一做法，仅有100多年的历史。金相检验有力地促进了材料科学的发展。
70年代以来，随着科学技术的不断发展，金相研究的内容越来越广泛，其发展进度之快，应用范围之广是很惊人的。由于采用了电子显微镜和应用了电子成像理论，金相检验已成为了观察和分析金属微观和极微观组织结构及其缺陷的重要手段。
近几十年来研究金属和合金组织结构的方法，虽有显著的改进，但是主要方法仍是采用金相检验法。
现代金相技术包括光学和电子显微分析技术两个方面。金相分析技术所获得的结果是联系材料加工工艺，科学及材料性能之间的重要桥梁。金相分析是检查产品质量的依据之一，又是发展新材料新工艺新科学理论的重要手段之一。
我们在长期的生产实践中认识到，产品质量的好坏和材料性能有着密切的联系。金属和合金的显微组织不同，材料性能也会不同。所以只有通过控制组织才能达到控制性能的目的。
金属材料的组织结构及性能，除了与其本身的化学成分及夹杂物等有关外，还受其铸造及加工工艺所影响。如果我们把某一金属或合金的化学成分固定不变，而只是改变其生产工艺条件，那么它的金相组织和性能也会发生很大变化。
例如将统一化学成分的生铁水，一个浇注在沙漠中，让铁水缓慢凝固和冷却，另一个浇铸在金属膜内，使之快速冷却凝固。那么前者的断口呈暗灰色，而后者呈银白色。前者脆性较小不易断裂，后者脆性很大容易裂。前者硬度较低，能进行切削加工，后者硬度很高，很难进行切削。
又如含碳量同为0.8%的两块钢，一块加热到高温800度左右后，在炉中缓慢冷却，另一块加热到相同温度后，在水中急冷，结果后者的硬度可以比前者高3~4倍。
从上述实例中可以看出，金相组织和化学成分之间虽然有着一定联系，但是单从化学成分方面还不足以说明金属性能存在差异的原因。这是因为化学成分可能含有某种程度的偏析，更重要的是化学成分检测只能说明某元素的含量，而不能说明它的存在形式。
这就要求我们更深入地分析研究，除化学成分之外还有什么因素会影响金属和合金材料的性能。探讨金属和合金的内部构造，便成为了研究这一问题的主要途径。
显微组织又称高倍组织，是指金属或合金在放大率为30~1600倍，显微镜下观察各种晶体的不同形状、大小、数量以及它们之间的分布状态。宏观组织又称低倍组织是指用肉眼或不大于10倍，放大镜下观察金属和合金膜面或断口上晶体的特征。
要正确地反映显微组织结构及缺陷，就必须采用适当的金相分析方法，研究金属相的变化及金属的组成者。相的变化标志着金属性能的变化，研究金属的相变，也就是研究相的形成变化以及它和合金成分，组织，性能之间的关系和互相影响的规律。
因此金相学就是研究金属和合金的各种晶体结构和显微组织，影响他们形成的内部条件（包括温度变化，加工变形浇筑条件等）和内部因素即化学成分，以及它们与性能之间关系的一门基础科学，是一个实践性很强的独立科学。
只有结合生产实践了解金属和合金，结合组织结构以及它们基本的变化规律，才能切实控制和改善金属或合金的性能，才能正确对金属和合金进行加工处理，才能针对实际生产需要合理地选择和使用金属材料，以避免机械零件或加修的配件等在热处理前后以及在使用中因质量不良而报废或提前破损，从而危害生产安全，造成不应有的损失和浪费。
因此采取金相检验的方法来分析产生质量不良的原因，并采取相应的措施加以改进，对于提高经济效益和保证生产安全有着重要的意义。
综上所述，在生产实践和科学研究中，广泛应用金相检验的方法，利用金相显微镜及其所拍摄的金相照片，对金属材料及其制件的宏观组织和微观组织进行检验分析，来观察金相组织的变化，可以有效判断各种金属材料组织结构的优劣情况，分析并找出产生废品造成事故的原因，让我们能采取有效的措施达到控制和不断提高产品质量之目的。
检测流程
本体取样-试块镶嵌-粗磨-精磨-抛光-腐蚀-观测
第一步：试样选取部位确定及截取方式
选择取样部位及检验面，此过程综合考虑样品的特点及加工工艺，且选取部位需具有代表性。
第二步：镶嵌
如果试样的尺寸太小或者形状不规则，则需将其镶嵌或夹持。
第三步：试样粗磨
粗磨的目的是平整试样，磨成合适的形状。一般的钢铁材料常在砂轮机上粗磨，而较软的材料可用锉刀磨平。
第四步：试样精磨
精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的划痕，为抛光做准备。对于一般的材料磨制方法分为手工磨制和机械磨制两种。
第五步：试样抛光
抛光的目的是把磨光留下的细微磨痕去除，成为光亮无痕的镜面。一般分为机械抛光、化学抛光、电解抛光三种，而最常用的为机械抛光。
第六步：试样腐蚀
要在显微镜下观察到抛光样品的组织必须进行金相腐蚀。腐蚀的方法很多种，主要有化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀，而最常用的为化学腐蚀。
撰 稿 人： 科技协会科创部 马浩然
责任编辑：科技协会执行主席 韩飞洋
执行编辑： 融媒体微网平台 于润泽
总 编 辑： 李晓萌
