1、1,组织的显示,金相分析技术之第4讲,2,4.1.1概述：,光学金相显微镜，是利用磨面的反射光成像的。要鉴别金相组织，应该使试样磨面上各相或其边界的反射光强度或色彩有所区别。,3,有些组成相。如灰铸铁中的石墨，铝硅合金中的硅及钢中的非金属夹杂物等，它们本身就有独特的反射能力。因此可以利用抛光磨面直接进行金相研究。,各组成相的反光能力不同,4,大多数组成相，对光线都有较强的反射能力。这就需要利用物理或化学的方法对抛光磨面进行专门的处理，以使试样各组织之间呈现出良好的衬度。 什么是衬度？就是黑白或各种颜色能分得清楚这就是金相组织的显示。,衬度,5,试样中，各组成相及其边界具有不同的物理和化学性质。
2、利用这些差异，使它们转换为磨面反射光强度或色彩的区别，这就是金相组织显示的原理。,各组成相及其边界的特性,6,金相组织的显示方法,可分为光学法，侵蚀法，干涉层法高温浮凸法等几类。,7,4.1.2光学方法：,光学方法是把金相试样在反射光中，把肉眼无法分辨的光学信息，转换成可见衬度的方法。如偏振状态或位相差异，试样不经过其它显示处理，只是利用显微镜上的特殊附件来实现的。,8,如果试样中，所研究的组成相与基体对入射光的反射能力有显著差异，就可以直接在明视场下观察抛光磨面。这是最简单的光学法。由非金属元素组成的相，对光的反射能力明显低于金属。,9,例如，灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨暗的亮的铸造铝硅合金中
3、的初晶硅和共晶硅，都能在抛光磨面上直接观察到它们的形貌和分布状态。金属氧化物，硫化物，氮化物等，也具有非金属的光学特性，统称非金属夹杂物。它们不仅反射光强度不同，往往还具有特殊的色彩，或有透明和不透明之别。这些都可以作为鉴别非金属夹杂物的依据 。另外显微裂纹和疏松等缺陷可直接观察。有一些金属元素吸光的能力也很强。如铅青铜中的铅，不用显示也可以清晰地区分,10,有些试样。例如具有光学各向异性的金属锌等，它反射光的偏振状态，随晶体取向不同而有差异。有些虽然只是具有微小的高度差但是反色光的位相具有很大的差别，象这些虽然人眼是无法直接分辨出这些差别的，但是利用光学附件，可以将其转化为亮度或色彩的差别，
4、从而就能显示出组织的细节。这种利用光学手段显示组织衬度的方法就是光学法。,11,利用的光学附件有 ：偏振光 ，相衬，微差干涉衬度等，（显微镜一章在介绍）。光学法显示组织，不需要侵蚀，所以避免了由于侵蚀过程中引起的假象，所以能使用这些方法的应该优先使用这种方法。,12,4.1.3侵蚀法：,这是由于试样各组织组成相之间的物理、化学性质不同，所以使试样表面产生这种选择性的侵蚀，使试样表面的微观起伏和其内部组织相对应，从而显示出组织特征。常用的侵蚀显示方法有：化学侵蚀 ，电化学溶解蒸发，离了溅射等。,13,化学侵蚀,就是将抛光好的试样磨面侵入化学试剂中，或用化学试剂擦试样的磨面，使其显示出显微组织的一
5、种方法。,14,化学侵蚀的原理：,化学侵蚀实际上是一个电化学反应过程，金属与合金中的晶粒与晶粒之间，晶内与晶界以及各相之间的物理化学性质不同 具有不同的自由能，当受到侵蚀时，会发生电化学反应，（侵蚀剂也可以称为电解质溶液）由于试样中各相在电解溶液中具有不同的电极电位形成许多微电池 电极电位较底的部分，就是微电池的阳极，溶解的较快。溶解处呈现凹陷或沟槽，在显微镜下观察时，光线在晶界被散射，不能全部进入物镜所以就显示出黑色的晶界在晶粒平面处的光线则以直接反射进入物镜呈现白亮色从而显示出了晶粒的大小和形状。如图：这就是纯金属和单相固溶体合金的侵蚀，由于晶界处原子排列絮乱自由能较高电极电位较低，所以在
6、侵蚀过程中首先被溶解逐渐呈凹陷。,15,侵蚀法显示原理,a) b)a)晶界处光线的散射 b）直射光反映为亮色晶粒,16,多项合金的侵蚀：,多项合金的侵蚀，也具有单相合金的特征，另外组织中的相不同，电极电位的差异也较大，试样表面与侵蚀剂接触时发生反应也很强烈，这主要和电极电位差有关，各种元素的电极电位增加如下： Li，Na，K，Ca，Ba，Be，Mg，Al，Mn，Zn，Cr，Ti，Co，Ni，Pb，Fe，H，Sn，Sb，Bi，Cu，Ag，Hg，Au，Pt从上面的排列看，氢以前的元素都能被酸侵蚀并放出H2，排在氢以后的元素需要增加氧化剂才能被侵蚀。置换反应 氧化还原反应,17,总之，自由能的差别，
7、化学成分的差别，相的差别及变形的差别。都能使侵蚀速度或侵蚀先后有所不同。化学腐蚀，虽然没有加电源，但也是电化学腐蚀。例如，片状珠光体，是由铁素体片和渗碳体片相间排列的。铁素体的电极电位-0.4-0.5V。而渗碳体产电极电位约是+0.37伏。所以在稀硝酸中铁素体应该是阳极，先被侵蚀，而渗碳体是阴极不被腐蚀。反应是：FeFe+ +2e 阳极反应 2H+ +2e H2 阴极反应,18,在两相交界处,更容易被腐蚀成凹陷,a)高倍,19,b) 中倍,20,c) 低倍,21,在高倍下观察，铁素体和渗碳体都是白色。而相界是黑的可显现出来。 在中倍下观察时，由于分辨能力小于渗碳体片的厚度。所以两个相界溶合为一
8、，观察到的黑色片实际是渗碳体。 如果再低的放大倍数的话。分辨能力小于铁素体的片间距，那么，珠光体就呈现出黑色的块状。,22,化学侵蚀剂,侵蚀剂主要是由电解质，溶剂，络合剂及添加剂组成。它 们都会影响侵蚀能力和侵蚀效果。侵蚀能力主要决定溶液中的氧化性离子的本性。而不是浓度。所以调整侵蚀剂的侵蚀能力的主要手段就是改变氧化性离子的种类和配比。所以要想清晰地显示合金组织，得到衬度满意的金相照片。必须根据试样中，待显组织的稳定性的高低，适当的选择侵蚀剂。如果被显组织的稳定性高，就应选择侵蚀能力强的侵蚀剂。即电极电位高的相，应选择侵蚀能力强的锓蚀剂。但也有一些情况不一样，不能所有的都选择侵蚀能力强的侵蚀剂
9、。否则一些差异小的细微组织，显示不出来。,23,例如：正火45钢，珠光体很细密，如果用HNO3-H2O侵蚀，那么相界就由于过度侵蚀不能区分。如果用较弱的盐酸或苦味酸溶液侵蚀，就能区分细片状索氏体组织。,24,溶剂也很重要，它关系到电解质的溶解度，离解能力，溶剂化大小及溶液电阻等。对侵蚀能力和效果也有影响。侵蚀剂种类很多，有酸类，碱类，盐类等。不管怎样选择。主要目的就是能清晰地显示出组织。还应考虑到无毒，挥发性好，容易保存和价廉等。,25,侵蚀的操作步骤及注意事项,化学侵蚀室应该和显微镜室分隔开。工作台应该是耐酸，耐碱的瓷砖。工作台上应该有排抽风系统，工作台的旁边应该有水池和电源开关。一般侵蚀过
10、程包括：试样清洗酒精擦光侵蚀冲洗酒精擦洗（有条件可用超声清洗）烘干等。侵蚀时应该注意观察试样表面情况，一般当镜面失去光泽变成灰暗色即可。时间是从几秒钟到几分钟。高倍观察应浅侵蚀。低倍观察可深一些。以在显微镜下能清晰显示组织为准。侵蚀后如果确认出现假像，一般是金属表面扰乱层。应该对试样重新地交替抛光侵蚀几次。对侵蚀过度的，也应重新抛光，严重的应该从细磨开始，重新制样，侵蚀吹干后应立即观察照像。要保存的应该放在干燥器中。,26,常用的化学侵蚀剂：,显示钢的显微组织的，铝及铝合金的，镁及镁合金的，铅及铅合金的等等。可通过手册查找，适当选取。如：硝酸酒精 苦味酸酒精 盐酸酒精。盐酸，苦味酸酒精 硫酸铜
11、盐酸水溶液等等。,27,表4-1 金属材料常用的浸蚀剂,28,29,电解侵蚀：,电解侵蚀可以单独进行。也常常和电解抛光联合进行。抛光在前，显示在后。电解侵蚀所用的仪器和装置和电解抛光完全相同。只是根据不同的金属和合金，可选用交流电解侵蚀和直流电解侵蚀两种方法。对于一些抗蚀性很高的金属和合金。如铂，金，银等贵金属和合金，不锈钢和镍基高温合金，高合金钢，钛合金，硬质合金等，由于化学稳定性很高。很难用化学侵蚀法显示其组织，所以常采用电解侵蚀法。电解侵蚀过程中，通过对电压，电流密度的控制对电解溶液的选择，对温度，时间的选择都可以使金属组织中，不同的相的溶解速度不同，从而达到显示组织的目的。通常电解侵蚀
12、的工作电压和电流比电解抛光时要小。一般选择在电解抛光特征曲线的AB段。,30,电解侵蚀特征曲线,31,电解侵蚀的作用和试样表面的成分，结构差异，一个晶粒晶内元素的微观偏析，微区变形不均匀，滑移，孪晶等特性的差异，晶粒的位向差，组元成分差，晶界，非金属夹杂物，低熔点化合物集聚，晶界原子排列歪扭，变形，应力不均等有关。这些都是电解显示的基础，电解侵蚀外加的电源电位比组织差异形成微电池的电位高很多。因此，化学侵蚀时，自发产生的氧化还原作用就大大降低了。导电不良，不导电的组元，如碳化物，硫化物，氧化物，非金属夹杂物，没有明显的溶解，所以就会形成表面组织的浮凸。,32,电解侵蚀应注意的事项,必须在抛光后
13、，进行电解侵蚀，除机械抛光外还可以用电解抛光。电解抛光后，随即降低电压，电流进行电解侵蚀。电解侵蚀，主要就是控制电流，电压，侵蚀时间，电解液温度，以及是否进行搅拌等。侵蚀后，应及时清洗试样表面，并吹干。,33,电解侵蚀剂和操作规范,电流，电压，温度，时间等，可以查表，查手册。如：草酸电解液： 草酸10g 水100ml侵蚀奥氏体不锈钢晶粒和碳化物： 0.71min 2030A/cm2显示4Cr14Ni14W4Mo退火的奥氏体碳化物： 2040S 1020A/Cm2显示高速钢退火，淬火组织： 1.61.8min 1020A/cm2,34,4.2其它显示方法,热蚀方法，主要是高温金相组织显示就是把抛
14、光好的试样，放在真空加热室中，加热到一定的温度，在没有任何介质作用下，能显示晶粒边界或相界，由于晶界或相界原子排列紊乱，自由能高，所以在高温下，通过蒸发或扩散就形成了凹沟。例如，测定本质晶粒度钢的晶粒度，就是将抛光好的试样，放在真空加热室中，加热升温到93010保温三个小时，就可以观察奥氏体晶粒的边界了，也就可以观察奥氏体晶粒的大小。,35,另外还有阴极真空侵蚀法，恒电位选择侵蚀法等，还有干涉层法显示组织。干涉层法，就是在抛光完的试样表面，沉积一薄层透光的薄膜。光在通过膜后反射相互干涉。不同的相会产生不同的黑白或彩色的衬度，可以区分不同的相。一般彩色金相是经常用的。这个干涉膜有均厚的，也有不均厚膜的，沉积方法也有很多，有化学染色，有阳极覆膜，有热染等。,
