金相檢驗(yàn)的地位、作用和檢驗(yàn)技術(shù)

周 毅

新疆自治區(qū)特檢院，新疆烏魯木齊 830000

1 金相檢驗(yàn)在材料研究中的重要性

物理冶金學(xué)的任務(wù)在于研究金屬和合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系，而這些研究的深度與廣度主要依賴于人們對(duì)金屬內(nèi)在組織的結(jié)構(gòu)的識(shí)別，即金相檢驗(yàn)。

在材料的研究過程中：一方面，材料的確切組成、結(jié)構(gòu)和性能結(jié)果的獲得是通過大量的理化檢驗(yàn)研究和測試工作所完成的；另一方面，其材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能之間相互關(guān)系及變化規(guī)律的研究和確定也是大量的理化試驗(yàn)研究和測試工作的參與而得以實(shí)現(xiàn)的。在這兩個(gè)方面中，金相檢驗(yàn)占有重要的地位，只有通過金相檢驗(yàn)才能完整的解釋組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的相互關(guān)系。許多制備具有優(yōu)異性能材料的重大進(jìn)展常?？勺匪莸綄?duì)于它們顯微組織結(jié)構(gòu)的確定和控制。所有工藝的目的都是為了得到可控的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而得到所需要的性能。金相學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展對(duì)冶金、機(jī)械制造、動(dòng)力、能源、建筑、國防和其它許多部門無論現(xiàn)在還是將來都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。由此可見，在材料的研究與發(fā)展中，金相檢驗(yàn)是必不可少的，是材料研究的重要組成部分，這是金屬材料發(fā)展史上人們最深刻的體會(huì)。同時(shí)也促進(jìn)了金相檢驗(yàn)技術(shù)和檢測設(shè)備的發(fā)展。

2 金相檢驗(yàn)在現(xiàn)代材料研究中的作用

新一代鋼鐵重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目以3類典型鋼材作為代表開展研究。第一類為熱軋普碳鋼材，通過工藝優(yōu)化來優(yōu)化顯微組織結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)廉價(jià)的金屬材料；第二類為低合金鋼高強(qiáng)度熱軋鋼材；第三類為合金結(jié)構(gòu)鋼。在這3類鋼材研究開發(fā)的整個(gè)過程，始終貫穿一條主線，就是顯微結(jié)構(gòu)組織的確定和優(yōu)化控制。金相檢驗(yàn)在現(xiàn)代材料研究中的作用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

2.1 化學(xué)成分與金相組織

合金設(shè)計(jì)的根本任務(wù)是滿足工程構(gòu)建或用戶提出的各項(xiàng)性能要求。而這些性能受控于成分、內(nèi)部顯微組織、雜質(zhì)和缺陷、表面組織及應(yīng)力狀態(tài)等，其中主要是成分和組織。成分和組織在很大程度上控制著所有組織敏感性能。合金設(shè)計(jì)中首先要做組織設(shè)計(jì)，選擇滿足性能要求的組織結(jié)構(gòu)。控制組織結(jié)構(gòu)的第一個(gè)因素就是化學(xué)成分。化學(xué)成分通過相變等方式控制組織中的相、體積分?jǐn)?shù)和形態(tài)，如馬氏體形態(tài)、貝氏體形態(tài)等首先受控于碳的含量。低碳鋼淬火后得到板條狀馬氏體，而高碳鋼淬火后得到針狀馬氏體。所以，金相檢驗(yàn)是驗(yàn)證和解釋所設(shè)計(jì)成分是否合理的強(qiáng)有力的手段。

2.2 組織演變規(guī)律與工藝制度

化學(xué)成分確定之后，控制組織結(jié)構(gòu)的主要因素就是制造的裝備和制造工藝，包括冶煉、鑄造、鍛軋、熱處理等。從冶煉到成品各環(huán)節(jié)中，每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)都起到至關(guān)重要的作用。金相檢驗(yàn)就是各種檢驗(yàn)、檢測儀器設(shè)備和一定的方法，顯示、判定、測量材料顯微組織隨工藝變化的規(guī)律，從而制定合理的工藝制度?，F(xiàn)代冶金工藝之一連鑄連軋一個(gè)重要組織因素就是鑄造樹枝晶的破碎和混晶。原始鑄造粗大的樹枝晶奧氏體再結(jié)晶不完整或再結(jié)晶組織不均勻是導(dǎo)致最終鐵素體組織混晶的主要原因。

2.3 金相學(xué)與材料科學(xué)

顯微鏡的發(fā)展給合金設(shè)計(jì)帶來了革命性的變化。眾所周知，人類冶煉金屬通過各種途徑了解合金工藝過程、特性以及使用性能的漫長歷史，直到有了金相顯微鏡后才形成了當(dāng)今的冶金科學(xué)。顯微組織與宏觀力學(xué)關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為成分—組織—性能半定量或定量的研究和建立關(guān)系式創(chuàng)造了條件，為材料的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。其中，最典型的就是Hall—Petch關(guān)系式（σs=σo+kd-1/2）。該關(guān)系式是細(xì)晶強(qiáng)化的理論依據(jù)，是20世紀(jì)下半葉與鋼的組織細(xì)化相關(guān)的5個(gè)重大成就之一。所以，必須依靠實(shí)際的金相研究和金相檢驗(yàn)工作，來證實(shí)材料設(shè)計(jì)的科學(xué)性，制定工藝的合理性。

金相檢驗(yàn)分析，不僅有組織識(shí)別還有評(píng)定，即有定性還有定量、半定量的檢測。金相檢驗(yàn)的內(nèi)容歸納起來有一下幾項(xiàng)：1）材料基體相的組織結(jié)構(gòu)及其缺陷；2）顯微組織的取向和狀態(tài)的非均勻性，如帶狀、分布不均、晶粒度等；3）第二相的類型、結(jié)構(gòu)、組成、數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布；4）研究原子按鍵力分布的晶體結(jié)構(gòu)和電子按能量分布的原子、離子結(jié)構(gòu)。就顯微組織檢驗(yàn)來說，顯微組織檢驗(yàn)是通過一個(gè)二維截面視圖來建立一個(gè)三維結(jié)構(gòu)圖形的，這樣在顯微組織檢驗(yàn)中就分為4個(gè)級(jí)次。A正確識(shí)別是什么顯微組織；B定性的顯微組織狀態(tài)；C定量的顯微組織狀態(tài)；D顯微組織與性能之間的關(guān)系。

3 金相檢驗(yàn)的主要應(yīng)用技術(shù)

在金相檢驗(yàn)中主要應(yīng)用的技術(shù)有3種：1）顯像技術(shù)，應(yīng)用顯像技術(shù)來揭示材料的顯微組織、斷口形貌特征、各種缺陷形貌特征、表面狀態(tài)等。這種技術(shù)包括兩個(gè)方面即腐蝕技術(shù)、成像技術(shù)。腐蝕技術(shù)是根據(jù)不同受檢材料和檢驗(yàn)項(xiàng)目，選用不同的試劑和方法進(jìn)行腐蝕。成像技術(shù)就是利用顯微鏡成像原理如光學(xué)顯微鏡的暗場技術(shù)、偏光技術(shù)、干涉技術(shù)等，它主要記錄和顯示材料的二維平面微觀組織結(jié)構(gòu)特征；2）衍射技術(shù)，主要用來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)。晶體缺陷及晶體位向關(guān)系等問題，衍射技術(shù)中經(jīng)常使用的設(shè)備是X-射線儀、電子衍射儀等；3）微區(qū)成分分析技術(shù)，利用化學(xué)成分分析來研究材料的基體、第二相、夾雜物以及腐蝕產(chǎn)物的組成，尤其是材料中微量元素對(duì)材料性能的影響等。它所使用的儀器有電子或離子探針、譜儀等。

在金相檢驗(yàn)項(xiàng)目中始終要遵循“金相組織應(yīng)當(dāng)能如實(shí)反映受檢試樣（件）真實(shí)組織”的原則，所拍照的組織圖像能代表整個(gè)試樣（件）。今年，數(shù)字成像系統(tǒng)大量應(yīng)用于顯微成像，它可以很容易地將數(shù)字化的圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，也可以隨時(shí)打成照片或通過電子郵件傳遞，免除了大量的暗室操作工作。但是，隨著數(shù)字化成像應(yīng)用的迅速普及，也帶來一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，那就是利用圖像處理技術(shù)對(duì)金相組織圖片進(jìn)行處理，這樣做完全違背了金相檢驗(yàn)的原則，失去了組織的真實(shí)性，也失去了金相檢驗(yàn)的意義，同時(shí)對(duì)設(shè)備、社會(huì)、以及檢驗(yàn)人員自身和家庭埋下了極大的安全隱患。因此，所有從事金相檢驗(yàn)和研究的人員，應(yīng)不斷的提高自身的素質(zhì)素養(yǎng)，這包括專業(yè)技術(shù)和嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度等多方面，這些都有待全社會(huì)、全行業(yè)共同的努力，是我們共同追求的最終目的和目標(biāo)。