梦幻般的金属微观世界与金相检测

 金属材料内部组织结构极其丰富。就拿我们最常见的工程材料钢铁来说，其基本组织有奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体、贝氏体等，还有很多不同类型的夹杂物。同种材料在不同的处理状态下其显微组织不同，力学性能差异也很大。不同材料在同种处理状态下其力学性能相近。同种显微组织使用不同的浸蚀剂，颜色也会不同。显微镜的照明方式不同，同种组织结构也会呈现出不同的特征。

以下是实验教学和零件失效分析试样的金相照片。

图1 水泥磨机上的ZGMn13钢篦子板，使用15天左右就碎裂成块。

     分析时发现试样中存在很多单个球状不同类型的夹杂物。图中所示就是其中一个夹杂物在不同照明方式下通过显微镜观察到的形貌。作为材料中有害物的杂质相，非金属夹杂物就像人体中的“癌细胞”一样会破坏正常的机体组织，割裂金属基体的连续性，恶化材料的力学性能，显著降低零件的使用寿命。所以在显微组织鉴别中，对非金属夹杂物的评定也是一项很重要的内容。

图2 抛丸机上的抛丸在离心式铸造过程中大量破裂。

      图中所示为试样中琉璃质球状非金属夹杂物在不同照明方式下通过显微镜观察到的形貌。璀璨若星辰的玻璃质球状夹杂物在正交偏振光下具有“暗十字”特征，在暗场下呈现“等色环”现象。千里之堤，溃于蚂穴。非金属夹杂物在金属材料中就充当着这个“小蚂蚁”的角色，它时时处处在影响着金属材料的使用性能，所以材料的净化也十分重要。

图3 不同的显微组织，用同种试剂进行着色显示，其颜色是不同的。

图4 同种组织在不同浸蚀剂下呈现出了不同的颜色。

      过共析钢中的网状二次渗碳体，在碱性苦味酸钠煮沸后显示为黑色，如上图黑色网状。在着色试剂中却不染色仍然呈白色，如图中白色网状。

      有了精湛娴熟的制样技术，又具有了在显微镜下识别金相组织的能力，也看到了神秘又梦幻的金相组织，那么金相制样的目的就是为了呈现真实的组织形貌吗？

      答案当然不是这么简单，更重要的还是为了准确鉴别金相组织，因为金相组织是表征金属材料力学性能合格以及生产工艺正确的重要指标。不同的组织有不同的力学性能 (强度、硬度、塑性和韧性)。比如铁素体强度硬度低，塑性韧性好；而珠光体强度硬度比铁素体高，塑性韧性又比铁素体低；同种组织大晶粒的脆性相对较高，小晶粒韧性相对较好；不锈钢的耐腐蚀性好，金子在潮湿的空气中仍然熠熠生辉，而钢铁材料却锈迹斑斑；金刚石和石墨中碳的质量分数都是100%，但金刚石是目前公认的自然界硬度最高的物质，而石墨的硬度几乎为零，等等。到底是哪些因素影响着材料的各种性能呢？这就是材料人孜孜不倦探索的金相学所研究的范畴。

      任何一个学科脱离生产实际去进行研究都是没有任何意义的，金相学也不例外。唯有当我们结合生产实践，了解金属和合金的组织结构以及它们变化的基本规律，才能切实控制和改善金属或合金的性能，正确对金属或合金进行加工处理，针对实际应用需要合理选择和使用金属材料。

      对金相组织的鉴别、分析与判定，就叫金相检验，是实际生产中不可缺少的一个环节。金相检验分为生产过程中的常规检验和零件的失效分析。

      常规检验就象我们一年一度的例行体检。大多数人总是处于“小病不断，大病不犯”的状态，也有个别人偶尔会体检出一些不能为人所接受的疾病。这时医生就会发挥很大的作用，对病人追根问底，甚至排查其遗传及祖传病史等等。

      生产过程中的常规检验包括原材料入厂的宏观检验，比如硫印试验是检验金属材料中硫元素分布情况，酸蚀试验是检验中心疏松、锭型偏析等等。生产过程中对工艺的实时监控，比如化学热处理中渗碳层深度的在线快速检验，当渗碳时间基本达到工艺要求的时间后，要立即对随炉试样进行渗碳层深度的测定，判断是否达到技术要求的指标，如果达到了就可以马上出炉，如果还未满足要求，就根据实际情况延长相应的保温时间。再如铸造过程中石墨的大小、分布以及数量的检验等。

      失效的概念由来已久，其内涵和定义随主体而定。以人为例，人的生老病死就是失效，动物、植物均有失效。零件的失效分析包括服役前的废品和服役后的失效件。

      服役前的废品，即生产制造过程中发生质量问题的零件，比如零件在热处理淬火时发生了开裂，究竟是纯粹的热处理问题，还是热处理前锻造的问题，或是锻造前原材料的问题，对这类问题的分析、归纳总结，防止同类缺陷的再发生就是防患于未然。服役后发生故障的失效件，是环境、使用、安装等问题，还是生产制造过程中的问题，对这类问题的解剖、分析、判定就是死后验尸。在废品和失效件的分析中，通过“望、闻、问、切”，再根据鉴别和判断，给生产工艺和使用过程提出改进意见和建议，金相组织检验在这里无疑发挥着极其重要的作用。当然了，还有一项更值得投入的事情，那就是新材料研发过程的检验，从预想、预知、预测入手，制订详细的实验过程，拟订比较准确的工艺参数，通过耐心细致的操作，再经过全面精准的检测，最后综合优化就可以达到满意的效果，这可以叫未卜先知吧。因此，金相检验始终贯穿于新材料的研发、零件的加工生产以及整个服役过程之中。所以我们金相人也可以自豪地说我们是真正的工业医生！

      金相检验注定是一个追根问底，相当辛苦的过程，在这个过程中，需要我们金相人永远秉承公平、公正的原则，不为环境因素所左右。