金相制樣的具體步驟

金相制樣的具體步驟

Discotom切割機(jī)：得到一個(gè)盡可能無(wú)變形的平表面才能迅速而容易地進(jìn)行下一步制樣， 最合適的切割法是 濕式砂輪片切割法，這種方法所造成的損傷與所用的時(shí)間相比是最小的。 濕式砂輪片切割使用的砂輪片是由 研磨料和 粘合劑合成的。 工作時(shí)，冷卻液沖刷砂輪片以避免摩擦熱對(duì)樣品造成的熱損傷。

砂輪片的選擇

按照所需切割的材料不同，選擇不同組份的砂輪片，主要依材料的硬度和韌性來(lái)選擇。 按照材料的性質(zhì)來(lái)正確選擇砂輪片是十分重要的。只有砂輪片合適，才能保證切割的樣品表面變形小、平整度好，以便快速地得到所需的制樣結(jié)果。

鑲嵌樣品

金相樣品鑲嵌（以下簡(jiǎn)稱鑲樣），是指 在試樣尺寸較小或者形狀不規(guī)則導(dǎo)致研磨拋光苦難而進(jìn)行的鑲嵌或夾持來(lái)使試樣拋磨方便，提高工作效率及實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性的工藝方法。鑲樣一般分為 冷鑲和熱鑲。

冷鑲

冷鑲示意圖

冷鑲應(yīng)用：對(duì)溫度及壓力極敏感的材料，以及微裂紋的試樣，應(yīng)采用冷鑲的方式，將不會(huì)引起試樣組織的變化。

冷鑲材料：一般包括 環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、聚脂樹(shù)脂。

• 環(huán)氧樹(shù)脂： 收縮率低，固化時(shí)間長(zhǎng)；邊緣保護(hù)好，用于真空浸漬，適用于多孔性材料；

• 丙烯酸樹(shù)脂： 黃色或白色，固化時(shí)間短，適用于大批量形狀不規(guī)則的試樣鑲樣；對(duì)有裂紋或孔隙的試樣有較好的滲透性；特別適用于印刷電路板封裝；

• 聚酯樹(shù)脂： 黃色、透明、固化時(shí)間較長(zhǎng)；適用于大批量無(wú)孔隙的試樣制樣，適用期長(zhǎng)；

CitoVac真空浸漬設(shè)備

真空浸漬：多孔材料（如陶瓷或熱噴涂層）需要進(jìn)行真空浸漬。樹(shù)脂可強(qiáng)化這些脆弱的材料，可以最大程度地減少制備缺陷（如拔出、裂紋或未打開(kāi)的孔隙）。只有環(huán)氧樹(shù)脂可用于真空浸漬，因?yàn)樗鼈兙哂械驼扯群偷驼羝麎禾匦浴?/span>可將 熒光染料與環(huán)氧樹(shù)脂混合使用，以便于在熒光燈下找出一切填充過(guò)的孔隙。

冷鑲試樣

熱鑲

熱鑲示意圖

熱鑲應(yīng)用：適用于低溫及壓力不大的情況下不發(fā)生變形的樣品。

熱鑲材料：目前一般多采用塑料作為鑲嵌材料。鑲嵌材料有 熱凝性塑料（如膠木粉）、熱塑性塑料（如聚氯乙烯）、冷凝性塑料（環(huán)氧樹(shù)脂加固化劑）及 醫(yī)用牙托粉加牙托水等。膠木粉不透明，有各種顏色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿的耐腐蝕性能比較差。聚氯乙烯為半透明或透明的，抗酸堿的耐腐蝕性能好，但較軟。

CitoPress鑲樣機(jī)

熱鑲試樣

鑲樣缺陷及解決方法

機(jī)械制樣

研磨

粗磨

一般材料都用砂輪機(jī)粗磨。操作時(shí)應(yīng)利用砂輪側(cè)面，以保證試樣磨平。要注意 接觸壓力不宜過(guò)大同時(shí)要不斷用水冷卻，防止溫度升高造成內(nèi)部的組織發(fā)生變化。粗磨完成后，試樣外 邊緣應(yīng)倒角，以免在以后的工序過(guò)程中會(huì)將砂紙或拋光物拉裂，甚至還可能會(huì)被拋光物鉤住而被拋飛出外，造成事故。

鑲樣倒角

精磨

細(xì)磨的目的是消除粗磨遺留下來(lái)的深而粗的磨痕，為拋光做準(zhǔn)備。細(xì)磨本身包括多道操作，即在各號(hào)砂紙上從粗到細(xì)順序進(jìn)行。目前，主流的精磨方式為 濕式機(jī)械精磨，細(xì)精磨時(shí)一般依次從W40號(hào)開(kāi)始，逐一更換細(xì)一號(hào)的砂紙推磨，一般 鋼鐵試樣磨到W10號(hào)砂紙，軟材料如鋁、鎂等合金可磨到W5號(hào)砂紙。 每換下一號(hào)細(xì)砂紙時(shí)，應(yīng)將磨面方向應(yīng)旋轉(zhuǎn)90°， 以便觀察上次磨痕是否磨掉。 在細(xì)磨較軟的金相制樣時(shí)，如鋁、鎂、銅等有色金屬是應(yīng)該在砂紙上涂一層潤(rùn)滑劑，可防止砂粒嵌入軟金屬材料內(nèi)，同時(shí)減少表面撕損現(xiàn)象。

拋光

LaboSystem研磨和拋光設(shè)備

拋光的目的是除去金相制樣磨面上由細(xì)磨留下的磨痕，成為平整無(wú)疵的鏡面。 拋光結(jié)果在很大程度上取決于前幾道工序的質(zhì)量，故拋光之前應(yīng)仔細(xì)檢查磨面磨痕是否為 單一方向且均勻，否則應(yīng)重新磨光，以免白費(fèi)時(shí)間。

拋光通常在專用的金相樣品拋光機(jī)上灑以適量的拋光液后進(jìn)行，轉(zhuǎn)速一般在 200～600r/min， 粗拋時(shí)轉(zhuǎn)速較高，精拋或拋軟材料時(shí)轉(zhuǎn)速較低。 在拋光盤上蒙一層織物，粗拋時(shí)常用帆布、粗呢等，精拋時(shí)常用絨布、細(xì)呢金絲絨與絲綢等。

拋光耗材

拋光注意事項(xiàng)：

• 拋光時(shí)將試樣的磨面應(yīng)均勻地、平正地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上。壓力不宜過(guò)大，并從邊緣到中心不斷地作徑向往復(fù)移動(dòng)。

• 拋光過(guò)程中要不斷噴灑適量的拋光液。若拋光布上地光液太多，會(huì)使鋼中夾雜物及鑄鐵中的石墨脫落，拋光面質(zhì)量不佳；若拋光液太少，將使拋光面變得晦暗而有黑斑。

• 后期應(yīng)使試樣在拋光盤上各方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止鋼中夾雜物產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。

• 盡量減少拋光面表層金屬變形的可能性，整個(gè)拋光時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，磨痕全部消除，出現(xiàn)鏡面后，拋光即可停止。試樣用水沖洗或用酒精洗干凈后就可轉(zhuǎn)入浸濕或直接在顯微鏡下觀察。

研磨拋光常見(jiàn)缺陷及應(yīng)對(duì)措施

1、劃痕

劃痕即是樣品表面上的線性凹槽，是由研磨粒子造成的。

金剛砂拋光之后，殘存非常深的垂直刮痕。放大：200x

應(yīng)對(duì)措施：

• 確定在粗磨后，試樣座上所有樣品的表面都均勻地布滿同樣的 磨痕花樣；

• 必要時(shí)重新進(jìn)行粗磨；

• 每一道步聚后均應(yīng)仔細(xì)清潔樣品和試樣座，以去掉前一道工序中的大研磨粒子對(duì)磨/拋用具的干擾；

• 如果在現(xiàn)行的拋光工序后仍有前面工序留下的磨痕，請(qǐng)先增加 25~50%的制樣時(shí)間。

2、褶皺

樣品較大區(qū)域發(fā)生的塑性變形稱為褶皺，當(dāng)不恰當(dāng)?shù)厥褂醚心チ?、?rùn)滑劑或拋光布時(shí)，或者它們的搭配不合適，都將使研磨料象鈍刀一樣作用在作品表面，推擠表面，致使出現(xiàn)皺褶。

易延展軟鋼上的褶皺。放大：15x,DIC

應(yīng)對(duì)措施：

• 潤(rùn)滑劑：檢查潤(rùn)滑劑的用量。潤(rùn)滑劑量太少時(shí)常發(fā)生推擠，必要時(shí)應(yīng)加大潤(rùn)滑劑用量。

• 拋光布：由于拋光布的高回復(fù)性，研磨料會(huì)被深深壓入拋光布的底部而無(wú)法起到研磨作用。請(qǐng)參照61頁(yè)上的表來(lái)更換回復(fù)性差的拋光布。

• 研磨料：金剛石的顆粒尺寸可能太小，致使無(wú)法壓入樣品進(jìn)行研磨。請(qǐng)使用大顆粒研磨料。

3、偽色

偽色就是對(duì)樣品表面的非正常著色，主要的原因是由于接觸了外來(lái)物質(zhì)。

由于樹(shù)脂與樣品之間的間隙引起的試樣染色。放大：20x

應(yīng)對(duì)措施：

• 鑲樣時(shí)避免在樣品和樹(shù)脂間有留下縫隙

• 各道制樣工序后立即清洗并干燥樣品。

• 在氧化物拋光的最后10秒里，用涼水沖洗拋光布，使樣品和拋光布同時(shí)得到清洗，最終拋光后避免使用壓縮空氣干燥樣品，因?yàn)閴嚎s空氣含有油或水。

• 保存樣品時(shí)，不能將樣品置于空氣中，因?yàn)闈駳饪赡芙g樣品。應(yīng)該將樣品保存在干燥皿中。

4、變形

塑性變形（也可稱為冷加工）可能導(dǎo)致在研磨、精研或拋光之后存在表面下缺陷?？稍谖g刻之后首先看到殘余的塑性變形。

短變形線，限于單個(gè)顆粒。放大：100x DIC

應(yīng)對(duì)措施：

• 變形是一種浸蝕后即刻顯現(xiàn)的假象（化學(xué)、物理或光浸蝕）。

• 如果在明場(chǎng)下觀察未浸蝕樣品時(shí)仍可見(jiàn)到懷疑是變形線的形貌，請(qǐng)首先參看“劃痕”這一節(jié)看看如何改進(jìn)制樣方法。

5、邊緣磨圓

當(dāng)使用回復(fù)性高的拋光布時(shí)，有時(shí)會(huì)同時(shí)研磨樣品的表面和側(cè)面，這種效應(yīng)稱為邊緣磨圓。果樹(shù)脂的磨損速率大于樣品，則會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

由于樹(shù)脂與樣品之間的間隙，邊緣將出現(xiàn)倒角。不銹鋼。放大：500x

良好的邊緣保護(hù)，不銹鋼。放大：500x

應(yīng)對(duì)措施：

• 磨制過(guò)程中要保護(hù)好需檢驗(yàn)的邊緣，不要因檢驗(yàn)樣品邊緣而對(duì)樣品邊緣過(guò)度磨制產(chǎn)生倒角，

• 拋光時(shí)試樣需要保護(hù)的一邊朝后，不需保護(hù)的一邊在前，迎著拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向進(jìn)行拋光，拋光時(shí)盡可能接近盤心位置，拋光時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

6、浮雕

由于不同相的磨損速率和硬度不同而導(dǎo)致不同的材料剝離速率不同，從而產(chǎn)生浮雕。

AlSi 中 B4C 纖維，纖維與基材之間的起伏。放大：200x

與上圖相同，但無(wú)起伏。放大：200x

應(yīng)對(duì)措施：

• 浮雕主要發(fā)生于拋光階段，研磨后的樣品質(zhì)量要高，給拋光提供好的基礎(chǔ)。

• 拋光布對(duì)樣品的平整度有顯著影響，低回復(fù)性拋光布要比高回復(fù)性拋光布造成的浮雕效果輕。

• 拋光布拋光期間應(yīng)保持一定的濕度，并且控制制樣時(shí)間，避免制樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如果出現(xiàn)了浮雕現(xiàn)象必須要重新制樣。

7、脫落

研磨過(guò)程中，樣品表面處的粒子或晶粒被拽掉后留下的孔洞稱為脫落。由于硬脆材料無(wú)法塑性變形，致使樣品表面的微小區(qū)域發(fā)生破碎而脫落或被拋光布拖拽下來(lái)。

夾雜物被拖拽出來(lái)。可以看見(jiàn)凸起夾雜物引起的刮痕。放大：500x, DIC

應(yīng)對(duì)措施：

• 切割和鑲樣過(guò)程中，不要施加過(guò)大的應(yīng)力以免損傷樣品。

• 粗磨或精磨時(shí)，不能使用過(guò)大的壓力和粗大的研磨粒子。

• 應(yīng)使用無(wú)絨毛拋光布，這種布不會(huì)將粒子從基體上“拽”出來(lái)。

• 每道工序都必須去掉上道工序造成的損傷，并盡可能地減小本 道工序造成的損傷。

• 每道工序后都檢查樣品，找出何時(shí)發(fā)生脫落，一旦出現(xiàn)脫落就必須重新進(jìn)行磨制。

8、開(kāi)裂

發(fā)生在脆性樣品和多相樣品中的斷裂稱為開(kāi)裂。當(dāng)加工樣品的能量超過(guò)樣品所能吸收的能量時(shí)，多余的能量就會(huì)促使開(kāi)裂。

等離子涂層與基板之間的裂縫。裂縫源于切割。放大：500x

真空下使用環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌的樣品。裂縫 使用熒光染料填充，從而證明該 裂縫在鑲樣之前已存在于材料中。放大：500x

應(yīng)對(duì)措施：

• 切割：必須選擇適當(dāng)?shù)那懈钶?，并?yīng)使用較低的送進(jìn)速度，必要時(shí)采取線切割技術(shù)，

• 鑲樣：避免對(duì)脆性材料或樣品進(jìn)行熱壓鑲樣，優(yōu)先使用冷鑲嵌。

• 磨樣：，粗磨時(shí)避免使用大的壓力。

9、虛假孔隙率

有些樣品本身即帶有孔隙，如鑄造金屬、噴涂層或者陶瓷等。因此，重要的是如何獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，避免由于制樣錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料的結(jié)果有所不同。

軟質(zhì)材料：

超級(jí)合金，3 μm拋光 5 分鐘。 放大：500x

上圖基礎(chǔ)上1 μm額外拋光 1 分鐘

上圖基礎(chǔ)上1 μm額外拋光2 分鐘，正確結(jié)果

硬質(zhì)材料：

精研之后的Cr2O3等離子涂層

6 μm 拋光3分鐘之后

1 μm額外拋光之后。正確結(jié)果

應(yīng)對(duì)措施：

• 易延展的軟材料可輕易地變形。因此，孔洞可能被存在污跡的材料覆蓋。檢驗(yàn)可以顯示孔隙百分比過(guò)低。

• 硬質(zhì)、脆性材料的表面在第一機(jī)械制備步驟中易于斷裂，因此相對(duì)于實(shí)際情況呈現(xiàn)的孔隙率越高。

• 每?jī)煞昼娛褂蔑@微鏡檢查試樣一次，每次檢查相同區(qū)域，以確保是否存在改進(jìn)。

10、曳尾

當(dāng)樣品與拋光盤沿同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，曳尾常發(fā)生在析出相或孔洞的周圍。其典型的形狀使其被稱為“曳尾”。

曳尾。放大：200x,DIC

應(yīng)對(duì)措施：

• 拋光期間，樣品和拋光盤使用相同的旋轉(zhuǎn)速度。

• 減小拋光用力。

• 為避免拖尾缺陷的產(chǎn)生制樣時(shí)保持拋光布濕潤(rùn)，試樣要不停地移動(dòng)，避免長(zhǎng)時(shí)間的拋光。

11、污染

來(lái)源于其他部分而不是樣品本身的雜物，并在機(jī)械研磨或拋光過(guò)程沉積在樣品表面，這種現(xiàn)象稱之為污染。

由于 B4C 顆粒與鋁基質(zhì)之間存在輕微起伏，上一步驟的銅沉積樣品的表面。放大：200x

應(yīng)對(duì)措施：

• 這種試樣重新輕拋即可去除，如果檢查拋光態(tài)試樣，用酒精淋后進(jìn)行吹風(fēng)時(shí)，用酒精棉花在試樣面上輕輕擦洗即可。

• 為了避免出現(xiàn)污染，各道制樣工序后尤其是最后一道工序后要立即清洗并干燥樣品。

• 當(dāng)懷疑某一種相或粒子可能不屬于真實(shí)組織時(shí)，請(qǐng)一定要清潔或者更換拋光布，并且從精磨開(kāi)始重新制樣。

12、磨料壓入

游離的研磨料顆粒壓入樣品表面的現(xiàn)象。由于在金相顯微鏡下觀察嵌入的砂粒形態(tài)與鋼中非金屬夾雜物無(wú)法區(qū)分，會(huì)給缺陷分析造成誤判。

鋁，使用 3 μm 金剛砂研磨，使用低彈性的拋光布。各種金剛砂被鑲嵌到樣品中。放大：500x

應(yīng)對(duì)措施：

• 對(duì)于有裂紋、孔洞的樣品，控制制樣的力度，每道工序后要沖洗樣品。

• 如果發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞內(nèi)有單個(gè)顆粒狀、顆粒尺寸較小并與基體分離的夾雜物，應(yīng)當(dāng)借助于掃描電鏡的能譜進(jìn)行分析以確定是鋼中夾雜物還是制樣時(shí)帶入的。

13、研磨軌跡

即研磨粒子在硬表面上無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)而在樣品表面上留下的印痕。雖然樣品上沒(méi)有劃痕，但可見(jiàn)到粒子在表面上無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)留下的清晰痕跡。使用的磨/拋盤或拋光布不合適，或者施加的壓力不準(zhǔn)確，這些錯(cuò)誤合在一起易導(dǎo)致擦痕。

鋯合金上的研磨軌跡：由于磨料顆粒旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)引起。放大：200x

應(yīng)對(duì)措施：

• 高彈性的拋光布。

• 適量增加研磨/拋光的力度

附：METALOGRAM法制樣

金相制樣圖Metalogram

METALOGRAM 方法簡(jiǎn)介

Metalogram 基于十種金相制樣方法。七種方法，A - G，涵蓋了所有材料。這些方法旨在生成最佳結(jié)果的樣品。此外，還表示出三種快速制樣方法，即 X、Y 和 Z，這三種方法適用于快速獲得合格結(jié)果。

使用方法：

• 沿X軸找出硬度，

• 依據(jù)材料的韌性向下或向上查，與硬度不同的是，韌性較難以確定其準(zhǔn)確數(shù)值，一般依照個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)定出后，在Y軸上找出材料的位置。