金相分析技術(shù)ppt課件

1、金相分析技術(shù),前言,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),2,相是組成材料、影響材料性能的一種微觀結(jié)構(gòu)單元，因此，為了得到具有理想性能的材料，十分有必要對(duì)其進(jìn)行了解和研究。 我們要求材料不僅在宏觀上具有均勻統(tǒng)一的組織結(jié)構(gòu)，還要求其在微觀上協(xié)調(diào)、均勻。使材料在變形過(guò)程中各晶粒能夠相互協(xié)調(diào)與配合，從而表現(xiàn)出理想的力學(xué)性能,內(nèi)容,金屬的宏觀性能和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系 相的形成過(guò)程 金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響 研究金屬組織結(jié)構(gòu)的方法 金相樣品的制備 結(jié)論,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),3,金屬材料的結(jié)晶,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),4,金屬材料的結(jié)晶,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),結(jié)晶的基本過(guò)程：形核長(zhǎng)大,液

2、態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶胚。溫度降低到一定時(shí)，一些大尺寸的晶胚將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核,晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),6,不同金屬的微觀組織,體系內(nèi)部，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全相 同、均勻一致（用肉眼或普通顯微鏡觀察） 的部分稱為一個(gè)相,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),7,Zn-3%Mg合金共晶組織 400X,Al-4.5%Cu合金組織 450X,不同金屬的微觀組織,Cu -20%Ni的銅合金鑄態(tài)組織：由于非平衡結(jié)晶，呈現(xiàn)出樹(shù)枝狀晶體（枝

3、晶偏析） 放大倍數(shù)：100 x,Cu -20%Ni合金均勻化退火組織 ：多邊形晶粒 放大倍數(shù)：100 x,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),8,不同的處理工藝對(duì)金屬的影響,枝晶偏析容易導(dǎo)致合金塑性，韌性下降；易引起晶間腐蝕，降低合金的抗蝕性能,Al-12%Si合金 組織分析：塊狀晶+針狀共晶 放大倍數(shù)：100X,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),9,Al-12%Si合金變質(zhì)處理 組織分析：樹(shù)枝狀初晶+共晶 放大倍數(shù)：100X,不同的處理工藝對(duì)金屬的影響,塊狀晶,針狀晶,內(nèi)容,金屬的宏觀性能和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系 相的形成過(guò)程 金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響 研究金屬組織結(jié)構(gòu)的方法 金相樣品的制備 結(jié)論,

4、2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),10,相圖,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),11,Al-Cu合金的相圖,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),12,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),13,合金的強(qiáng)化機(jī)理,Al-Cu合金的性質(zhì),2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),14,Al2Cu是一種強(qiáng)化相，參與固溶-沉淀強(qiáng)化，使合金再熱處理后具 有較高的機(jī)械性能，其機(jī)械加工性能也得到了改善。但抗腐蝕性能 較差,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),15,AlMg2Si相圖,Al-Mg-Si 合金,Mg2Si在Al中的固溶度: 共晶溫度:1.85wt%， 500C:1.05 wt % 200C:0.09wt% Al-Mg2Si系合金有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)

5、,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),16,Al-Mg-Si 合金體系中Mg和Si的原子個(gè)數(shù)比為2/1，質(zhì)量比為1.73時(shí)，Si剛好完全形成Mg2Si相，叫做平衡相合金體系。如果Mg/Si質(zhì)量比小于1.73，則Si的含量超過(guò)形成Mg2Si當(dāng)量所需的Si，形成硅過(guò)剩合金系。過(guò)剩硅可以提高合金的強(qiáng)度，但過(guò)剩硅的存在可能導(dǎo)致材料的脆性增加，所以硅含量一般不能超過(guò)太多。 該系合金的特性：中等強(qiáng)度，耐腐蝕性能好，焊接性能好，工藝性能好（易擠壓出成形）氧化著色性能好,Al-Mg-Si 合金,內(nèi)容,金屬的宏觀性能和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系 相的形成過(guò)程 金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響 研究金屬組織結(jié)構(gòu)的方法 金相樣品

6、的制備 結(jié)論,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),17,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),18,不平衡結(jié)晶,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),19,熱處理對(duì)1235鋁合金材料的影響,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),20,復(fù)熔共晶球,熱處理對(duì)1235鋁合金材料的影響,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),21,回復(fù)與再結(jié)晶,回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無(wú)可見(jiàn)變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。 再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無(wú)畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過(guò)程,a）黃銅冷加工變形量達(dá)到CW38后的組織 （b）經(jīng)580C保溫3秒后的組織,2021/

7、2/2,豫聯(lián)集團(tuán),22,回復(fù)與再結(jié)晶,c）580C保溫4秒后的金相組織（d）580C保溫8秒后的金相組織,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),23,回復(fù)與再結(jié)晶,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),24,e）580C保溫15分后的金相組織（f）700C保溫10分后晶粒長(zhǎng)大的的金相組織,回復(fù)與再結(jié)晶,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),25,金屬及合金的晶粒大小與金屬材料的機(jī)械性能、工藝性能及物理性能有密切的關(guān)系。細(xì)晶粒金屬的材料的機(jī)械性能、工藝性能均比較好，它的沖擊韌性和強(qiáng)度都較高，在熱處理和淬火時(shí)不易變形和開(kāi)裂。粗晶粒金屬材料的機(jī)械性能和工藝性能都比較差。金屬材料的晶粒大小與澆鑄工藝、冷熱加工變形程度和退火溫度等有

8、關(guān)。金屬材料的強(qiáng)度在很大程度上取決于晶粒的大小，正如Hall-Petch公式所描述的強(qiáng)度和晶粒尺寸之間的函數(shù)關(guān)系： 0Kd-1/2 式中：為屈服強(qiáng)度； 0 、 K為常數(shù)； d為晶粒直徑,晶粒尺度,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),26,試驗(yàn)表明，由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，在拉力作用下，在晶界處呈竹節(jié)狀,晶粒尺度,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),27,晶粒細(xì)化,在Al-Mg-Si合金材料 中加入Mg進(jìn)行晶粒 細(xì)化,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),28,第二相粒子與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)，稱為聚合型兩相合金-第二相強(qiáng)化,第二相粒子細(xì)小而彌散地分布在基體晶粒中，稱為彌散分布型兩相合金-彌散強(qiáng)化,相的分布、形狀、大小

9、對(duì)材料的影響,鋼中的二次滲碳體硬脆相網(wǎng)狀分布于晶界中，導(dǎo)致很大的應(yīng)力集中，造成早期斷裂，影響晶粒的結(jié)合，并使晶粒變形受阻而導(dǎo)致強(qiáng)度降低,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),29,相的分布、形狀、大小對(duì)材料的影響,硬脆相,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),30,相的分布、形狀、大小對(duì)材料的影響,內(nèi)容,金屬的宏觀性能和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系 相的形成過(guò)程 金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響 研究金屬組織結(jié)構(gòu)的方法 金相樣品的制備 結(jié)論,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),31,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),32,金相分析,金相分析是人們通過(guò)金相顯微鏡來(lái)研究金屬和合金顯微組織大小、形態(tài)、分布、數(shù)量和性質(zhì)的一種方法。顯微組織是指

10、如晶粒、包含物、夾雜物以及相變產(chǎn)物等特征組織。利用這種方法來(lái)考查如合金元素、成分變化與顯微組織的關(guān)系；冷熱及其它加工對(duì)組織的影響；應(yīng)用金相檢驗(yàn)還可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制和產(chǎn)品檢驗(yàn)以及失效分析等,金相顯微鏡的成象原理,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),33,人眼的鑒別能力：0.150.30mm。 金相顯微鏡的放大原理： （1）物鏡 細(xì)節(jié)AB通過(guò)物鏡得到放大的倒立實(shí)角A1B1。A1B1的細(xì)節(jié)雖已為被區(qū)分開(kāi)，但其尺度仍很小，仍不能為人眼所鑒別，因此，還需第二次放大,2）目鏡 當(dāng)經(jīng)第一級(jí)放大的倒立實(shí)象處于目鏡的主焦點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，人眼可通過(guò)目鏡觀察到二次放大的A3B3的正立虛象。觀察物體的細(xì)節(jié)經(jīng)物鏡放大后的實(shí)象落到目

11、鏡主焦點(diǎn)以內(nèi)后，人眼觀察可看到經(jīng)兩次放大后的虛象。A3B3虛象就是經(jīng)物鏡和目鏡兩次放大后的組合物象,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),34,金相顯微鏡的成象原理,顯微鏡總的放大倍數(shù),2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),35,金相顯微鏡的成象原理,任何一種金相顯微鏡均主要由光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、附件裝置(包括攝影或其它裝置)組成,金相顯微鏡的構(gòu)造,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),36,1載物臺(tái) 2鏡臂 3物鏡轉(zhuǎn)換器 4微動(dòng)座 5粗動(dòng)調(diào)焦手輪 6微動(dòng)調(diào)焦手輪 7照明裝置 8底座 9平臺(tái)托架 10碗頭組 11視場(chǎng)光闌 12孔徑光闌,4型金相顯微鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu),內(nèi)容,金屬的宏觀性能和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系 相的形成過(guò)

12、程 金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響 研究金屬組織結(jié)構(gòu)的方法 金相樣品的制備 結(jié)論,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),37,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),38,試樣制備,試樣制備工作包括許多技巧，需要有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能較好地掌握；同時(shí)它也比較費(fèi)時(shí)和單調(diào)，往往使人感到厭煩。 由于研究材料各異，金相顯微制樣的方法多種多樣，其程序通常可分為取樣、鑲樣、磨光、機(jī)械拋光(或電解概拋光、化學(xué)拋光)、腐蝕等幾個(gè)主要工序，無(wú)論哪一個(gè)工序操作不當(dāng)，都會(huì)影響最終效果。因此，不應(yīng)忽視任何一個(gè)環(huán)節(jié)。不適當(dāng)?shù)牟僮骺赡苄纬伞皞谓M織”導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析,取樣,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),39,選擇合適的、有代表性的試樣是進(jìn)行金相顯

13、微分析的極其重要的一步，包括選擇取樣部位、檢驗(yàn)面及確定截取方法、試樣尺寸等,一、取樣部位的選擇 取樣部位及檢驗(yàn)面的選擇取決于被分析材料或零件的特點(diǎn)、加工工藝過(guò)程及熱處理過(guò)程，應(yīng)選擇有代表性的部位。生產(chǎn)中常規(guī)檢驗(yàn)所用試樣的取樣部位、形狀、尺寸都有明確的規(guī)定(詳見(jiàn)有關(guān)行業(yè)和國(guó)家頒布標(biāo)準(zhǔn))。例如： 零件失效分析的試樣，應(yīng)該根據(jù)失效的原因，分別在材料失效部位和完好部位取樣，以便于對(duì)比分析。對(duì)鑄件，必須從表面到心部，從上部到下部觀察其組織差異，以了解偏析情況，以及縮孔疏松及冷卻速度對(duì)組織的影響,取樣,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),40,二、試樣的截取 取樣時(shí)，應(yīng)保證被觀察的截面不會(huì)因?yàn)榻厝《a(chǎn)生組織變化，

14、因此對(duì)不同的材料要采用不同的截取方法： 1、對(duì)于軟材料，可以用鋸、刨等加工方法； 2、對(duì)于硬材料，可以用砂輪切片機(jī)切割或電火花切割等方法。 3、對(duì)于硬而脆的材料，可以用錘擊方法。 4、在大工件上取樣，可用氧氣切割等方法。 5、在用砂輪切割或電火花切割時(shí)，應(yīng)采取冷卻措施，以免試樣因受熱而引起組織變化,取樣,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),41,三、試樣尺寸 金相試樣的大小以便于握持、易于磨制為準(zhǔn)。 通常顯微試樣為直徑15mm、高1520mm的圓柱體或邊長(zhǎng)為1525mm的立方體。 對(duì)于形狀特殊或尺寸細(xì)小不易握持的試樣，要進(jìn)行鑲嵌或機(jī)械夾持。 1、試樣取下后，一般黑色金屬要用砂輪打平，對(duì)于很軟的材料(如

15、鋁、銅、鎂等有色金屬)可用銼刀銼平。 2、磨砂輪時(shí)應(yīng)利用砂輪的側(cè)面，并使試樣沿砂輪徑向緩慢往復(fù)移動(dòng)，施加壓力要均勻。這樣既可以保證使試樣磨平，還可以防止砂輪側(cè)面磨出凹槽，使試樣無(wú)法磨平。 3、在磨制過(guò)程中，試樣要不斷用水冷卻，以防止試樣因受熱升溫而產(chǎn)生組織變化。 4、在一般情況下，試樣的周界要砂輪或銼刀磨成45角，以免在磨光及拋光時(shí)將砂紙和拋光織物劃破,取樣,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),42,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),43,磨光分為粗磨與精磨。 (1) 粗磨 粗磨的目的是為整平試樣，并磨成合適的形狀。 金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是應(yīng)盡可能減少表層損傷。 該道工序本身應(yīng)做到

16、盡可能減少損傷，以便于進(jìn)行下道工序,磨光,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),44,圖為試樣經(jīng)過(guò)切割加工及磨光工序后，表面變形層厚度變化示意圖。圖中A、B、C均為變形層，越往里，變形量越小，D為未受損傷的組織。此過(guò)程要注意防止金屬過(guò)分發(fā)熱,磨光,2) 精磨 精磨的目的是消除粗磨時(shí)留下的較深的磨痕，為下一步拋光打好基礎(chǔ)。 精磨通常是在砂紙上進(jìn)行。 精磨時(shí)可用水作潤(rùn)滑劑進(jìn)行手工濕磨或機(jī)械濕磨，通常使用粒度為240、320、400、 600四種水砂紙進(jìn)行磨光后即可進(jìn)行拋光。 對(duì)于較軟金屬，應(yīng)用更細(xì)的砂紙磨光后再拋光。 對(duì)于有一定數(shù)量的試樣，精磨可用手工濕磨機(jī)進(jìn)行,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),45,磨光,手工

17、濕磨： 將砂紙粘貼在平板玻璃上磨制時(shí)，將試樣磨面平放在砂紙上，直線向前推。退回時(shí)離開(kāi)砂紙，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到舊的磨痕全部消失，在整個(gè)磨面上得到方向一致均勻的新磨痕為止。 每換一道砂紙之前，必須先用水洗去樣品和手上的砂粒，然后將試樣旋轉(zhuǎn)90，再在次級(jí)砂紙上磨制。 濕磨優(yōu)點(diǎn)： （a）絕大部分磨屑和脫落的磨粒及時(shí)地沖走。這樣在整個(gè)磨光操作過(guò)程中，磨粒的尖銳棱角始終與試樣的表面接觸，保持其良好的磨削作用。 （b）水的冷卻作用可以減少磨光時(shí)在試樣表面產(chǎn)生的摩擦熱，避免顯微組織發(fā)生變化,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),46,磨光,機(jī)械磨制 將不同粒度的碳化硅砂紙分別置于邊緣略有突起放了一些水的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤上，則隨

18、著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，砂紙下面的水被甩出，砂紙被吸附在轉(zhuǎn)盤上，即可進(jìn)行機(jī)械濕磨，磨光效率能進(jìn)一步提高。如轉(zhuǎn)盤式金相預(yù)磨機(jī)使用時(shí)用水作潤(rùn)滑劑和冷卻劑。配有微型計(jì)算機(jī)的自動(dòng)磨光機(jī)，可以對(duì)磨光過(guò)程進(jìn)行程序控制，整個(gè)磨光過(guò)程可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成,自動(dòng)磨樣機(jī),2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),47,磨光,一、機(jī)械拋光 拋光的目的就是要盡快將磨光工序留下的變形層除去，并使拋光產(chǎn)生的變形層不影響顯微組織的觀察。 拋光與磨光的機(jī)制基本相同，即嵌在拋光織物纖維上的每顆磨?？梢钥闯墒且话雅俚?，根據(jù)它的取向，有的可以切除金屬，有的則只能使表面產(chǎn)生劃痕。由于磨粒只能以彈性力與試樣作用，它所產(chǎn)生的劃痕及變形層都要比磨光時(shí)細(xì)小和淺得多,拋

19、光,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),48,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),49,拋光操作的關(guān)鍵： a 設(shè)法得到最大的拋光速率，以便盡快除去磨光時(shí)產(chǎn)生的損傷層； b 使拋光產(chǎn)生的變形層不致影響最終觀察到的組織，即不會(huì)產(chǎn)生假象。 問(wèn)題： 這兩個(gè)要求是有矛盾的，前者要求使用較粗的磨料，但會(huì)使拋光變形層較深；后者要求使用最細(xì)的磨料，但拋光速率較低。 解決方案：把拋光分為兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行。 首先是粗拋，目的是除去磨光的變形層，這一階段應(yīng)具有最大的拋光速率，粗拋本身形成的變形層是次要的考慮，不過(guò)也應(yīng)盡可能小。 其次是精拋(又稱終拋)，其目的是除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光損傷減到最小,拋光,1、粗拋： 一般選用金剛石

20、研磨膏進(jìn)行粗拋，先使用粒度為3.5m的磨料，然后再使用粒度為1m的磨料； 對(duì)于較軟的材料要使用粒度為0.5m的磨料才可獲得最佳效果，注意合理選擇拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速： 采用機(jī)械拋光時(shí)應(yīng)為250300r/min 自動(dòng)拋光時(shí)應(yīng)為150r/min),2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),50,拋光,2、精拋 盡管對(duì)磨光及粗拋已經(jīng)有了比較成熟的原則，但是對(duì)于精拋，還要求操作者有較高的技巧。 常用的精拋磨料為MgO及Al2O3，其中MgO的拋光效果最好，但拋光效率低。 近年來(lái)已有在拋光機(jī)上配置微型計(jì)算機(jī)，使拋光自動(dòng)化，拋光機(jī)可以按照規(guī)定的參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、壓力、潤(rùn)滑劑的選擇、磨粒噴撒頻率等)進(jìn)行工作，這些參數(shù)還可以隨時(shí)間而變

21、。 對(duì)于某種材料的金相試樣，只要建立了最佳制樣參數(shù)，制樣效果的重要性很好，工作效率大大提高。不過(guò)這種制樣設(shè)備并不能完全取代金相技術(shù)人員的工作，它只能按照人們預(yù)制定的程序進(jìn)行工作,拋光,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),51,金相試樣的腐蝕,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),52,試樣機(jī)械拋光后，在顯微鏡下，只能看到光亮的磨面及夾雜物等。要對(duì)試樣的組織進(jìn)行顯微分析，還必須讓試樣經(jīng)過(guò)腐蝕。 常用的腐蝕方法有化學(xué)腐蝕法和電解腐蝕法,化學(xué)腐蝕是將拋光好的樣品磨光面在化學(xué)腐蝕劑中腐蝕一定時(shí)間，從而顯示出其試樣的組織形貌。 1、純金屬及單相合金 腐蝕是一個(gè)化學(xué)溶解的過(guò)程。 晶界上原子排列不規(guī)則自由能高晶界易受腐蝕而呈凹溝在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒。 若腐蝕較深，由于各晶粒位向不同不同的晶面溶解速率不同腐蝕后的顯微平面與原磨面的角度不同反射進(jìn)入物鏡的光線不同明暗不同的晶粒,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),53,化學(xué)腐蝕,2021/2/2,豫聯(lián)集團(tuán),54,2、兩相合金 腐蝕主要是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程。 兩個(gè)組成相具有不同的電極電位形成極多微小的局部電池較高負(fù)電位的一相成為陽(yáng)極被溶入逐漸凹下去；具有較高正電位的另一相為陰極保持原來(lái)的平面高度。因而在顯微鏡下可清楚地顯