金相检测在特种设备检验中的应用

摘要：金相检测是一门材料学的学科，它以金相放大镜、显微镜、体视显微镜等对材料显微组织，对材料的微观结构、低倍结构以及孔结构进行了深入的研究。在对材料进行微观结构和缺陷的研究中，采用了金相分析技术分析，从而在特种设备检验检测领域里应该得到广泛应用。

关键词： 金相检测   特种设备检验    应用

金相检验检测主要对金属材料的显微组织、低倍组织和断口组织等通过金相显微镜，放大镜和体视显微镜对材料学分支进行有效分析，包括对材料的3D微观结构的成像、定性与定量表征，以及样品的前处理、前处理与采样等关键技术。

金相检测技术是研究材料组织与性质的重要手段。研究的主要内容是：对材料基体的微观形貌、尺寸、分布等；测定第二相的种类，结构，成分，数量，形状，大小；探讨了原子按键力在晶体结构中的分布，以及原子和离子结构中的电子在能级上的分布。在显微组织检验上，将金相检测分为四个层次，即微观结构类型的精确鉴别、微观状态的定性、微观状态的定量化、微观结构与宏观力学性质的关联。采用金相分析方法可以对材料的微观组织进行深入研究，对其进行有效的成分分析，从而为材料设计和性能优化提供借鉴。

因此在特种设备金属内部组织结构中，利用金相分析技术对其进行显微检查，是一种非常有效的检测技术。金相观察检验技术主要分为以下几点：

一、对特种设备原材料的检验：对原材料的成分成分、非金属夹杂物的种类和等级等进行检测；铸造疏松、气孔、夹渣组织等均匀性检验；检测锻件表面脱碳、过热、过烧、开裂、变形等。

二、在特殊设备的制造和安装生产中，金相检测能为生产中的工艺调节和修正工艺参数，例如：对加工中的淬火加热温度、保温时间、冷却速率等进行适当（正确）；以及化学表面热处理工艺参数的控制；锻造的起始和终锻温度是否合适等。

三、特种设备制造和安装等产品的品质检查：除了对机械性能和物理性能要求以外，还有一些产品的微观结构，也是其品质评价的一个重要指标。

四、特种设备在用期定期检验时评价材质性能：对不明材料类别进行判定：对材料的品质及热处理状况进行检查；对焊缝进行观察，如有无淬硬的马氏体、过热魏氏结构、观察热处理情况、检测材料晶粒度；对材料内部的晶间裂纹、疏松和过烧等显微缺陷进行测试；检验材料在长时间的高温条件下会出现的材料劣化现象，如珠光体球化和石墨化；在恶劣的条件下，会出现沿晶或应力浸蚀的裂缝；在高温、高压条件下，金属材料发生脱碳、氢脆开裂等缺陷是导致其失效的主要原因。

五、探究特种设备失效原因：对特种设备进行断口金相检验，有助于判断其发生了何种程度的锈蚀和破坏，并对其产生的影响进行了初步的研究。对于某些常见的缺陷，例如：微观裂缝的形态和分布特点；热处理后异常结构、晶界脆性沉淀等。金相观察是进行失效分析的重要依据。

金相显微试样制备流程包含五道工序，如：取样、镶嵌、磨光、抛光、浸蚀等，下面就对这五道工序进行依次分析：

1.取样

在取样工作中，需要依据工件的特性和检测的用途，选择相应的样品。比如，对机械部件的失效故障原因进行研究时，应该破坏最严重处和远离破裂处切取，这样便于对其微观结构进行观测，并对其断裂机理进行分析。在对铸造微观结构进行研究时，需要从表面向中间进行多次切割，对不同区域的微观结构进行比较，以掌握其微观结构的演变规律。对经热处理后的机械部件进行研究，因其内部结构较为均一，可对其进行任何截面的试样进行检测。在切取过程中，要非常谨慎，不要因为切取温度太高而使其结构发生变化。

若样品尺寸较小且外形不规则（如丝、带、片等）不易研磨、打磨，则需将之嵌入塑胶或低熔点之合金内，或使用特制之工具加以固定，方可完成研磨及研磨之作业。目前常用的镶嵌方法有热压镶样法和机械镶样法两种。热压镶样法是把样品置于酚醛树脂粉末或塑胶颗粒中，经110-150℃后，用嵌板装置进行热压成型。热压镶样法的优势在于采用专用的夹具夹持来固定样品，从而避免了热压对试样组织结构的破坏。

2.磨制

磨制试样是用来获得用于打磨的光滑表面。磨制分为粗磨和细磨。

粗磨：用锉子，砂轮或粗糙的砂纸对样品表面进行打磨和修整，使其达到平整、适当的外形，未进行表面层金属检查的样品，要进行倒角处理，避免打磨时将被磨破。要留意在研磨过程中要持续地用冷却剂来冷却，以免样品的表层产生过度的热量，从而造成内部结构的改变。

细磨：

通常采用从粗到细的金相砂纸，以去除粗磨过程中出现较粗、较深的磨痕，从而达到抛光的效果。手动处理时，要小心地将砂纸平放于玻璃板上，用一只手托着砂纸，另一只手轻轻按压，使其朝一个方向前进。在细磨方面，按由粗糙到精细的顺序（金相砂纸的等级为W50，W28，W14，W10，W5）；每次替换时，试片必须与上一次打磨的方向垂直90°，并且在同一方向上打磨，直到旧打磨痕迹全部消失，新的打磨痕迹都是统一的；在打磨完成后，在替换新的砂纸之前，一定要用干净的水把样品清洗干净，这样可以避免前面一个过程中产生的粗沙粒，在精细的砂纸上留下很深的痕迹。磨削时不要用太大的力气，不然会留下很大的刮痕。

3.抛光

经过细磨的样品，在清水中清洗即可抛光。抛光主要是将被测样品表面由于研磨而形成的细小、均一的刮痕清除掉，从而得到光滑如镜的表面。在金相试样抛光机上进行机械抛光，抛光机的电动机以极快的速度带动抛光盘。抛光过程中要抓紧试样样品，

要轻轻地将样品沿抛盘片的半径进行来回移动，要持续地将抛光液（抛光液是由微粒磨料掺入水中形成的悬浊液），并且不能过久地进行抛光剂，直到划痕全部消失。

将抛光好的样品用清水清洗，然后用酒精浸泡，待用。无论用什么方式切取的样品，经过粗磨、细磨和抛光后，加工效果（破损层）逐步消失，获得了一种平滑的磨削表面。打磨后的表面像镜子一样，用低倍化显微镜下看不出任何的划痕和蚀坑，然后就可以进行浸蚀工作了。

4.浸蚀

经过抛光的样品，需要用金相显微镜对其进行微观结构分析，仅能看到光亮的表层及部分非金属夹杂。为了对材料的显微结构进行观测，必须对样品进行浸蚀处理。一般使用的是一种化学浸蚀方法，它可以将浸蚀液涂抹在棉片上，或者将其整个浸泡在浸蚀液中。浸蚀的持续时间通常取决于浸蚀液的浓度以及金属本身的性质。如45钢的浸蚀试验，可以选择4%的硝酸乙醇作为浸蚀介质，浸蚀时间8-15 s，但是浸蚀的时间与浸蚀介质的浓度有关。若浸蚀不充分，则可持续浸蚀；但是，如果浸蚀得太厉害，就必须进行重新抛光。对于各种材质，可以选用相应的浸蚀介质，具体选用请参阅有关说明书。无论是纯金属还是单相合金，浸蚀都是纯粹的化学溶解过程。晶界处存在大量的缺陷及杂质，使得原子排列较为混乱，并且具有较高的自由能，容易被浸蚀呈现出凹陷的状态，并且每个晶粒中原子排列的位相是不同的，其溶解速度也各不相同，致使被浸蚀的深浅程度也有区别。因此在显微镜下观察时，反射光线变化较大：晶界处的反射光线发生散射没有进入显微镜物镜而呈黑色；晶粒未被浸蚀，反射光线垂直进入显微镜物镜故呈白亮色。所以，在显微镜下观察到黑色的晶界和白色（各晶粒之间略有差异）的晶粒。

当有两种或更多种金属时，浸蚀为电化学反应。因各组分构成差异，其电极电势也不尽相同，将样品浸没在电解质溶液中，会在两相间生成大量“微电池”：负电势的组分作为负极，快速侵蚀并产生凹坑；另外一种呈正电势的成相形成为阴极，在一般的电化学反应中，不会被浸蚀，从而维持其原来的平滑度。在金相显微镜下，通过对不同部位的入射光进行折射，可以观测到样品中存在的多种组成相。试样经过浸蚀后，马上用水清洗，再用乙醇棉签擦和烘干，这样就完成了金相样品的准备工作，可以在显微镜下对样品进行微观结构的观测与研究。

5）现场金相

现场金相检测技术是一种非破坏性无损检测技术，其本质上是实验室金相检测的一个延伸。实验室金相检测过程中对于样品制备的一般操作要求同样适合于现场金相检测。管线在进行结构破坏检测时，可以在管道上选择检测位置，进行磨光、抛光、浸蚀等工序。所要观测的部分可以通过携带的金相显微镜或者覆膜的方式进行再现，并送到实验室进行研究。

2.金相检测设备

金相检测设备包括了金相试样制备及检验过程中所使用的设备、仪器及耗材。试样制备过程中主要切割设备、镶嵌设备和磨制、抛光设备，金相检验过程设备为金相显微镜，耗材主要有不同粒度的金相砂纸、抛光液、抛光膏及不同用途的浸蚀剂等。目前已发展出全自动切割、全自动研磨机、全自动抛光机、自动镶嵌机，自动镶嵌机还分为冷镶嵌和热镶嵌，金相显微镜也配套自动分析软件。典型的金相检验设备如下图所示。

3.金相检验

1）显微观察

一般先在低倍下观察试样全貌，然后根据检验目的，在不同的放大倍数下检验。根据研究需要，可采用下列方法观察：

l明场照明用于显微组织的常规观察检验，是最常用的观察方式；

l暗场照明具有较高的衬度反差，用于晶界、缺陷和夹杂物等的识别及研究；

l偏振光照明在多相合金中，金相显微镜常被用于鉴别各相的存在。它对于显示各向异性材料的组织、夹杂物以及晶界和孪晶界也十分有效。通过在光路中放置灵敏色片，还可以获取彩色图像，这有助于更清晰地区分不同的结构和组织特征。

l微分干涉衬度（DIC）能实现多色、增强物体对比度，并能反映样品在样品各部位的高低差异，形成凹凸的三维影像。

2）图像采集

应用测微尺标定图像的实际放大比例；配备图像分析软件的显微镜，对所设计的影像解析软体进行周期性的校验、校准。通过图像处理软件，实现了亮度、对比度、灰度转换、均匀光校正和边缘增强等功能的调整。避免对采集图像做出错误（误导性）分析。图像采集后，应在图片上加标尺，标尺宜衬度明显。可调节摄像机参数设置、色彩饱和度以及选择白平衡等方法得到彩色金相。

3）图像分析

收集到的显微组织可以按要求进行微观结构和定量金相分析。以钢铁材料显微组织分析为例，通常可进行下列检验分析：

l钢的显微组织评定，用金相方法评价钢材的组织，如游离渗碳体，珠光体，带状组织和魏氏组织；

l钢中非金属夹杂物的形态、分布及级别的分析；

l钢中碳化物级别的评定；

l表面淬火层、电镀层、脱碳层、渗碳层以及分析仪的定量分析。在定量测量前，设定图片的真实放大倍数。通常可以进行下列测量分析：

l对各类合金显微组织中物相体积百分数进行有效测定，例如：对相不锈钢中α相含量进行测定；

l测定金属平均晶粒度；

l测定钢中石墨碳的面积含量;

l检验球墨铸铁中给定相的体积分数、颗粒的平均截线长度等参数；

l对普通和低合金铸铁组织以及热处理后的铸铁组织进行有效评定；

l测量非金属夹杂物在金属中的含量；

l对珠光体片层间距进行合理测量；

l根据面积或直径统计颗粒的分布状况对粒度进行有效分析。

4）结束语：

金相检测所得到的图像结果依据相关标准进行质量分析、劣化趋势分析或断口分析，从而进行质量分析评定、合于使用评价或失效评定。金相分析是研究金属及其合金内部组织及缺陷的主要方法之一，利用金相显微镜在试样上放大100～1500倍研究金属及合金组织的金相显微分析法，是研究金属材料微观结构的基本实验技术，可研究组织与化学成分关系、确认合金材料处理后的显微组织、判别材料质量及夹杂物分布与晶粒大小。从而在特种设备检验检测领域里应该得到广泛应用。