當(dāng)前金相制備設(shè)備存在的問題與解決方法教學(xué)探索

[摘 要] 材料科學(xué)以實驗為基礎(chǔ)，在其研究和發(fā)展過程中，只有通過金相檢驗才能完整的解釋各種材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能之間的相互關(guān)系。結(jié)合中國民航大學(xué)材料專業(yè)金相實驗教學(xué)，總結(jié)和分析了金相試樣制備的基本過程及注意事項，梳理了當(dāng)前金相教學(xué)和科研過程中金相制備設(shè)備存在的加載精度差、無法實現(xiàn)多種功能液的定量供給、無法實現(xiàn)定量磨拋及制備過程非連續(xù)性等問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)和科研經(jīng)驗，提出了獲得質(zhì)量優(yōu)良且穩(wěn)定的金相試樣的方法。

[關(guān)鍵詞] 金相試樣制備;金相教學(xué);質(zhì)量優(yōu)良;質(zhì)量穩(wěn)定

[基金項目] 2019年度中國民航大學(xué)實驗技術(shù)創(chuàng)新基金“多功能金相制備實驗臺的設(shè)計與研制”（2019CXJJ08）;2020年度天津市教委科研計劃項目“基于貝殼仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計和晶須增韌機(jī)理的復(fù)合結(jié)構(gòu)YSZ基封嚴(yán)涂層制備及失效機(jī)理研究”（2020KJ030）

[作者簡介] 程濤濤（1987—），男，河南信陽人，碩士，中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室實驗師，主要從事材料表面工程研究。

[中圖分類號] TG113? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0037-04? ?[收稿日期] 2020-11-19

一、引言

材料科學(xué)以實驗為基礎(chǔ)，在其研究和發(fā)展過程中，只有通過金相檢驗才能完整的解釋各種材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能之間的相互關(guān)系。許多具有優(yōu)異性能材料的重大進(jìn)展常常可追溯到對于它們微觀組織結(jié)構(gòu)的確定和控制。工藝的目的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。金相檢驗技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展對航空航天、冶金、機(jī)械制造、動力、能源、建筑、國防等部門，無論是現(xiàn)在還是將來都會產(chǎn)生巨大的影響。

金相試樣是金相檢驗的載體，金相檢驗的準(zhǔn)確與否取決于是否得到了合格的金相試樣[1-3]。金相試樣的制備主要包括試樣的取樣、鑲嵌、打磨（粗磨、精磨）、拋光（粗拋、精拋）、清潔處理及腐蝕處理，其中的每一個環(huán)節(jié)的操作是否恰當(dāng)都會影響到最終金相試樣的質(zhì)量。

二、金相教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

我校材料專業(yè)大三年級的學(xué)生，在專業(yè)基礎(chǔ)課“材料科學(xué)基礎(chǔ)”中的“金相試樣的制備及觀察”實驗項目中，第一次接觸到金相試樣制備的實驗，實驗教學(xué)過程中使用的試樣材料為45號鋼，顯微組織為鐵素體+珠光體，為傳統(tǒng)的金屬材料。通過本次金相實驗課程的學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生能夠掌握傳統(tǒng)金屬材料金相試樣制備的設(shè)備、原理、流程和實驗方法。

在掌握傳統(tǒng)金屬材料金相試樣制備的設(shè)備、原理、流程和實驗方法的基礎(chǔ)上，我校材料專業(yè)的學(xué)生在大四年級進(jìn)入專業(yè)課的學(xué)習(xí)階段，在“航空材料”“功能材料”“表面工程技術(shù)”“材料失效分析”等實驗課程中，涉及多種非傳統(tǒng)金屬材料金相試樣的制備實驗項目，如飛機(jī)起落架和襟翼滑軌中常用的超音速火焰噴涂碳化鎢耐磨涂層，航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)中常用的等離子噴涂鋁硅聚苯酯封嚴(yán)涂層，航空發(fā)動機(jī)燃燒室中常用的等離子噴涂氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯熱障涂層，航空發(fā)動機(jī)中壓/高壓渦輪氣路封嚴(yán)中常用的金屬蜂窩材料，等等。由于上述各種功能材料與傳統(tǒng)金屬材料（如鋼鐵材料）顯微組織結(jié)構(gòu)的差異性，使得許多學(xué)生基于“材料科學(xué)基礎(chǔ)”中的45號鋼的金相試樣制備設(shè)備、流程和實驗方法，得到的上述各種功能材料的金相試樣中出現(xiàn)了多種非真實的顯微組織結(jié)構(gòu)。

三、金相制備過程分析

金相試樣制備的目的是為了觀察和分析材料的顯微組織結(jié)構(gòu)。在金相制備過程中，取樣、打磨和拋光等環(huán)節(jié)涉及機(jī)械力和熱載荷等影響因素，鑲嵌環(huán)節(jié)涉及熱載荷和壓力等影響因素，腐蝕環(huán)節(jié)涉及化學(xué)和電化學(xué)等影響因素。所有的金相制備環(huán)節(jié)的實施均要求盡量避免或減小對材料顯微組織結(jié)構(gòu)的損傷，從而保證最終得到真實的金相組織。

1.取樣?？刹捎檬咒?、電動無齒鋸、金相試樣切割機(jī)、高速切割機(jī)、線切割機(jī)及高壓水切割機(jī)等設(shè)備進(jìn)行取樣。其中，手鋸及電動無齒鋸操作簡便，切割效率高，設(shè)備成本及取樣成本均很低，適合直接從零部件或者從較大的試樣上取樣。但是由于切割過程沒有冷切作用和切割速度較快，容易造成切割區(qū)域的高溫和變形（切割影響區(qū)），導(dǎo)致后續(xù)的粗磨過程需要消耗更多的時間用來去除切割影響區(qū)。金相試樣切割機(jī)、高速切割機(jī)、線切割機(jī)和高壓水切割機(jī)等四種設(shè)備在切割過程中均有冷切水的加入，并且可以不同程度地控制切割速度，因此切割影響區(qū)較小，可以節(jié)省后續(xù)粗磨的時間。其中，采用高速切割機(jī)和線切割機(jī)取樣后，甚至可以省去粗磨的步驟，但是與前兩種取樣設(shè)備相比，后四種設(shè)備的成本和取樣成本均較高。

2.鑲嵌。取樣之后，如果試樣較小或者形狀不規(guī)則，為了方便后續(xù)過程的夾持，需要進(jìn)行鑲嵌處理。對于實體材料，如合金材料，通常采用的是熱鑲嵌的方法，采用的設(shè)備為金相試樣鑲嵌機(jī)，其基本過程為：將待制備的金相試樣置于金相試樣鑲嵌機(jī)的模具中，加入一定量的鑲嵌材料，然后加壓（可使用機(jī)械的方法或氣動的方法）和加熱，并保溫一定的時間，最后等待鑲嵌試樣自然冷切或使用冷切水加速冷切之后，取出試樣。對于多孔材料，其強(qiáng)度一般較低，如熱噴涂涂層，其粒子層間界面結(jié)合率最大約為32%，涂層中三分之二的粒子界面為未結(jié)合界面，涂層的綜合強(qiáng)度（性能）僅為實體材料的10%～30%[4]。多孔材料通常需要進(jìn)行真空輔助的冷鑲嵌處理，一方面，可以避免熱鑲嵌過程中的熱載荷和機(jī)械力對較低強(qiáng)度多孔材料微觀組織結(jié)構(gòu)的破壞;另一方面，冷鑲嵌樹脂在真空輔助下，可以充分地滲透和包裹在多孔材料周圍，避免在后續(xù)打磨和拋光過程中磨粒和拋光材料的切削力對多孔材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的損傷。

3.粗磨。對于切割影響區(qū)較深的試樣或者不平整的試樣表面，一般使用80目的金相砂紙進(jìn)行粗磨，其目的為較快地去除切割影響區(qū)和獲得平整的試樣表面，為后續(xù)的精磨過程打好基礎(chǔ)。