一、引言

2021年下半年以來(lái)特魯利（蘇州）材料科技有限公司相繼贊助了“北科標(biāo)樣杯”北京科技大學(xué)第十一屆金相實(shí)驗(yàn)技能大賽、“北科-鋼研杯”首屆研究生金相實(shí)驗(yàn)分析大賽、第五屆“特魯利杯”江西省金相技能大賽等金相賽事。賽事異彩紛呈，參賽的同學(xué)們技藝高強(qiáng)，制備的試樣都很完美。

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學(xué)生們雖然初出茅廬但卻能夠使用比較原始單一的材料制備出理想的結(jié)果充分展現(xiàn)了學(xué)生們的實(shí)力。但是畢竟同學(xué)們尚在校園學(xué)習(xí)，并沒(méi)有對(duì)金相制備的理論技巧等做過(guò)專門的研究，加之平時(shí)接觸的材料種類很少，僅限于自己專業(yè)研究相關(guān)的幾種材料（以常見的金屬材料如各種鋼為主），而且院校一般都沒(méi)有完備的實(shí)驗(yàn)器材和各式各類的專用耗材。所以他們對(duì)于各類材料的金相制樣并沒(méi)有深刻的認(rèn)知，在比賽的過(guò)程中也出現(xiàn)了一些他們解釋不了的現(xiàn)象和解決不了的問(wèn)題。有鑒于此，我司也從比賽現(xiàn)場(chǎng)帶回了一些標(biāo)樣，嘗試在不同條件下制備金相樣品，以期在制備的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題并給出解決方案，這樣就有助于大學(xué)生快速高質(zhì)量地制備金相。

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二、材料設(shè)備和方法

帶回的樣品有4種，分別為工業(yè)純鐵、20鋼、45鋼和球墨鑄鐵。為模擬實(shí)際的比賽，樣品只研磨到P2000，拋光只使用1種拋光布。為驗(yàn)證不同拋光布和拋光液的拋光效果，分別配備了氧化鋁拋光液、金剛石噴霧劑和多晶金剛石拋光液，拋光布有我司和比賽類似的YR拋光布以及我司的YS拋光布、SC拋光布，如下表1。

研磨和拋光設(shè)備使用我司的GP-2A進(jìn)行手動(dòng)操作。先將試樣使用SiC砂紙從P400研磨至P2000，最初的研磨砂紙不宜太粗，以免留下較深的變形層，尤其是純鐵。然后再只使用一種拋光布進(jìn)行拋光。研磨時(shí)的轉(zhuǎn)速300rpm，研磨純鐵時(shí)壓力盡量小，以免產(chǎn)生過(guò)深的變形層。拋光時(shí)的轉(zhuǎn)速控制在400~600rpm之間，拋光時(shí)間以拋光面的狀態(tài)來(lái)確定，直到肉眼觀察無(wú)劃痕時(shí)為止，在拋光的最后30~60s時(shí)將轉(zhuǎn)速降低至300rpm左右，打開清水進(jìn)行拋光。了解到金相大賽使用的磨拋機(jī)較為原始簡(jiǎn)單，其轉(zhuǎn)速為一定值1400rpm，所以建議學(xué)生們?cè)诒荣悤r(shí)通過(guò)將樣品放置在磨拋盤的不同直徑處來(lái)獲得不同的磨拋速度。

三、過(guò)程結(jié)果

1、YR拋光布配合0.05μm氧化鋁拋光液

由上圖可以看出只有純鐵表面有明顯的劃痕（純鐵較軟表面很容易產(chǎn)生劃痕），此外球墨鑄鐵由于拋光后用自來(lái)水清洗，在石墨球在基體的縫隙之間滲入水分，在隨后的吹干過(guò)程中圍繞石墨出現(xiàn)一圈黃色污漬。

隨后使用4%硝酸酒精腐蝕試樣，結(jié)果如下圖：

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顯然，0.05μm的氧化鋁拋光液難以拋除P2000砂紙留下的劃痕。拋光時(shí)金屬表面層的流動(dòng)使得拋光面看起來(lái)沒(méi)有劃痕，但是在腐蝕后由于拋光面各部分的能量密度狀態(tài)差異使得研磨時(shí)的劃痕再次暴露出來(lái)形成暗色線條（見下圖）。而且沒(méi)有被完全拋除的變形層使得20鋼和45鋼的晶界以及珠光體片層模糊不清。

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推究原因，氧化鋁拋光液本來(lái)一般應(yīng)用于精細(xì)拋光，其硬度比金剛石較低，加之采用的粒度較細(xì)只有0.05μm，所以去除變形層的能力較弱，倘若通過(guò)延長(zhǎng)拋光時(shí)間來(lái)去除變形層則又會(huì)導(dǎo)致金屬表面層出現(xiàn)諸如麻點(diǎn)、曳尾和橘皮等制樣缺陷。

2、YR拋光布配合1μm金剛石噴霧劑

拋光的結(jié)果如下圖所示：

可以看到Y(jié)R拋光布配合1μm金剛石噴霧劑拋光后的試樣表面和氧化鋁的有明顯不同，整個(gè)拋光面呈現(xiàn)出一種瓷質(zhì)的反光特性。所有的拋光面都比較光滑，純鐵的TiN夾雜清晰可見。球墨鑄鐵中的石墨未見明顯脫落，只是在其表面留下了輕微的取向隨機(jī)的拋光劃痕（不同于無(wú)法拋除的砂紙劃痕），圍繞石墨周圍有水痕。

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上圖為使用擦蝕法的純鐵金相，可以看到晶粒表面顏色均一，沒(méi)有明顯色差。一些晶界由于和相鄰晶粒的位相差較大其能量密度較高而被腐蝕得較寬較深呈現(xiàn)明顯的黑色，尤其對(duì)于純金屬來(lái)說(shuō)由于單相α鐵間的電位差較小，腐蝕的驅(qū)動(dòng)力較小，晶界尤其成為優(yōu)先腐蝕的陽(yáng)極，一些能量密度高（原子錯(cuò)排度或混亂度高）的晶界極化愈加嚴(yán)重從而抑制了低能量密度晶界的腐蝕而越來(lái)越深和寬以至于在500×下變寬的晶界清晰可見，而那小角度晶界則很難分辨；從上面圖中還可以看到晶粒內(nèi)部存在波浪狀的模糊暗色區(qū)域，這說(shuō)明純鐵晶粒表面存在微小變形。

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為了減輕這種變形和控制腐蝕后的晶界寬度，對(duì)純鐵試樣進(jìn)行了反復(fù)腐蝕-拋光實(shí)驗(yàn)（見下圖）。

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純鐵（反復(fù)擦拭腐蝕） ?100× ?????純鐵（反復(fù)擦拭腐蝕） ?500×

由上圖可以看出對(duì)純鐵進(jìn)行反復(fù)腐蝕拋光后純鐵的拋光面質(zhì)量得到了大幅度的提高，拋光面干凈無(wú)劃痕，但是卻造成了TiN夾雜的脫落，這在500× 的照片中顯示得尤為明顯。照片的右上角是尚未脫落的TiN夾雜，左下角是TiN顆粒脫落后遺留下來(lái)的規(guī)則的四邊形孔洞。由于TiN夾雜和純鐵基體間是機(jī)械結(jié)合，在腐蝕的時(shí)候腐蝕液進(jìn)入他們之間的縫隙中使得他們的機(jī)械結(jié)合進(jìn)一步減弱，在反復(fù)拋光的時(shí)候拋光布的絨毛很容易將TiN拉出造成脫落。但是倘若分析的重點(diǎn)并不在于夾雜物則此種脫落可以忽略。

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純鐵（反復(fù)擦拭腐蝕） ?200× ?????純鐵（反復(fù)擦拭腐蝕） ?500×

上圖為經(jīng)過(guò)反復(fù)腐蝕-拋光后純鐵的金相照片，可以看到晶粒內(nèi)部的變形有相當(dāng)程度的減輕，500×下不再有變形波紋，其中黑色四邊形為脫落的TiN留下的凹坑。由于光學(xué)顯微鏡的襯度問(wèn)題導(dǎo)致腐蝕較淺的晶界顏色較淡。

3、YS拋光布配合1μm多晶金剛石拋光液

拋光的結(jié)果如下圖所示：

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上圖可以看出在反復(fù)腐蝕-拋光后消除了因砂紙研磨而產(chǎn)生的較深變形層，晶粒內(nèi)部未見變形波紋，但是在500×的照片中有兩個(gè)TiN的脫落坑清晰可見。

4、SC拋光布配合1μm多晶金剛石拋光液

拋光的結(jié)果如下圖所示：

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從上圖可以看出，使用較軟的無(wú)絨機(jī)織布后試樣表面因拋光而產(chǎn)生的劃痕大為減輕（純鐵），甚至沒(méi)有劃痕（20鋼、45鋼和球墨鑄鐵），球墨鑄鐵中的石墨未見脫落。

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由上圖可以看出，在腐蝕后純鐵內(nèi)部被掩蓋的較深變形層暴露出來(lái)。其他鋼的金相組織得到較好的呈現(xiàn)，尤其是球墨鑄鐵，石墨未見脫落且各相的邊界非常清晰。為得到較為理想的金相照片，對(duì)純鐵進(jìn)行反復(fù)腐蝕-拋光實(shí)驗(yàn)。

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在進(jìn)行反復(fù)腐蝕-拋光后，純鐵表面因研磨而產(chǎn)生的變形層消失，100×照片中晶粒的立體感增強(qiáng)。

四、問(wèn)題和總結(jié)

在樣品的制備過(guò)程中出現(xiàn)了各種問(wèn)題，總結(jié)如下：

1、拋光或腐蝕后表面有區(qū)域變黃

??樣品在拋光或者腐蝕過(guò)后在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)有的區(qū)域變黃，如下圖：

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試樣在拋光過(guò)程中拋光面上的原子被磨料不停地拋除，從而有大量的新鮮原子不停地暴露出來(lái)，這些新鮮的表面原子具有很高的活性，自來(lái)水中含有大量的的K+、Ca2+等離子和鋼中的鐵碳形成了原電池，因?yàn)樽詠?lái)水為弱酸性，所以發(fā)生了吸氧腐蝕。最終鐵在反應(yīng)中形成了水合氫氧化物密排在磨拋面上，從而很難以酒精擦除，恰如45鋼表面所示。同時(shí)由于45鋼和球墨鑄鐵中碳含量較高，很容易形成大量的原電池，電化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力較大，故這2種材料很容易在腐蝕前產(chǎn)生這種問(wèn)題，但是在純鐵和20鋼中卻鮮見。而且球墨鑄鐵和基體間有縫隙存在，在吹風(fēng)時(shí)也很容易圍繞球墨形成水紋。所以這種問(wèn)題可以產(chǎn)生在拋光時(shí)也可以產(chǎn)生在拋光后用水沖洗時(shí)。若發(fā)生在拋光時(shí)則拋光后肉眼可見變黃，此時(shí)應(yīng)重新短時(shí)拋光將反應(yīng)層去掉。若發(fā)生在沖洗時(shí)則應(yīng)使用酒精代替水來(lái)沖洗，并且在吹風(fēng)時(shí)使用冷風(fēng)。

2、滴蝕后樣品表面發(fā)灰，明暗相間，如下圖：

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純鐵 ?100× ???????????????????純鐵 ?500×

出現(xiàn)這種情況的原因是在腐蝕試樣時(shí)使用了滴蝕法，在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候陽(yáng)極的表面沉積了大量的腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致晶粒顏色發(fā)暗。在改為擦蝕法后試樣表面的臟污被擦去。

3、腐蝕后原本拋光光滑的表面出現(xiàn)劃痕，如下圖：

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20鋼拋光態(tài) ?500× ?????????????????20鋼腐蝕后 ?500×

出現(xiàn)此種情況是因?yàn)樵嚇釉趻伖怆A段沒(méi)有把變形層完全拋除，以致在隨后的腐蝕過(guò)程中由于變形處與基體能量密度不同而被暴露出來(lái)。因此應(yīng)該使用更細(xì)的研磨砂紙輕輕打磨或者使用拋除率高的拋光布-拋光液體系進(jìn)行拋光?？梢赃M(jìn)行反復(fù)腐蝕-拋光程序，但顯然如果是使用較細(xì)的氧化鋁拋光則此程序需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。

4、純鐵在用4%硝酸酒精腐蝕后有晶界加寬和部分晶界顯示不清現(xiàn)象，如下圖：

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純鐵 500×

由上2圖可以明顯看到，為了能夠顯示出那些小角度晶界不得不對(duì)觀察面進(jìn)行反復(fù)擦蝕，其結(jié)果就是大角度晶界的寬度不斷加深加寬，導(dǎo)致了極化現(xiàn)象。這樣一來(lái)大角度晶界更加優(yōu)先作為陽(yáng)極被腐蝕掉，而小角度晶界仍然在明場(chǎng)下不是十分清晰。有文獻(xiàn)提到，并不是有的晶界沒(méi)有被腐蝕出來(lái)而是由于明場(chǎng)照射光為垂直落射，那些角度小的晶界偏射出去的光比較少導(dǎo)致和基體的襯度減小而難以分辨。為了避免腐蝕過(guò)程發(fā)生極化而使整個(gè)表面都能得到均勻腐蝕，有兩個(gè)思路可供選擇，第一是在腐蝕液中加入緩蝕劑來(lái)減小極化效應(yīng)，第二是改變晶粒和晶界處與腐蝕液的張力來(lái)調(diào)整各處的腐蝕速度?？紤]到本實(shí)驗(yàn)為模擬金相大賽，受到大賽物質(zhì)材料的限制，不能隨意地改變腐蝕液的種類和添加想要的化學(xué)物質(zhì)，所以推薦利用比賽現(xiàn)場(chǎng)必備的洗手液或肥皂之類的東西加入4%硝酸酒精充當(dāng)緩蝕劑，加入量約為溶液體積的30%，這樣可以使試樣表面得到較為均勻的腐蝕。

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純鐵 100× ???????????????????????純鐵500×

由上圖可以看出，加入緩蝕劑以后純鐵的大角度晶界優(yōu)先腐蝕現(xiàn)象得到了顯著的控制，各處都腐蝕得比較均勻。但是在500×下察看，一些小角度晶界仍然若隱若現(xiàn)。為此通過(guò)改變顯微鏡的參數(shù)來(lái)調(diào)整畫面的分辨率和對(duì)比度。

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可以看出在500×下通過(guò)控制孔徑光闌至最小，增加照片的分辨率、焦深和對(duì)比度，在明場(chǎng)下難以看到的小晶界也顯現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)一些細(xì)微的小劃痕也可以看到，所以在拋光檢查時(shí)，使用孔徑光闌可以分辨出非常細(xì)微的小劃痕以提高拋光的質(zhì)量。同時(shí)我們可以看到晶粒呈現(xiàn)很強(qiáng)的立體感，充當(dāng)陽(yáng)極的晶粒下凹且表面較為粗糙，與之交界的晶界的傾斜面也清晰可見。由此可以說(shuō)明，并非是有的晶界沒(méi)有腐蝕出來(lái)，而是在明場(chǎng)下難以分辨而已?？傊?，若想得到一個(gè)很好的純鐵金相，則必須在比賽條件受限的情況下想辦法盡量使得整個(gè)觀察面均勻腐蝕。尤其是那些在純鐵退火過(guò)程中由于晶界擴(kuò)張而產(chǎn)生的低能量晶界或者是大晶粒內(nèi)部的亞晶界，應(yīng)想辦法促進(jìn)他們與高能量晶界同時(shí)均勻腐蝕，這樣才可以使他們同時(shí)在金相照片中清晰地顯示出來(lái)。當(dāng)然，顯微鏡本身參數(shù)的調(diào)整也是重要的一環(huán)。

??希望以上這些可以對(duì)以后參加大學(xué)生金相大賽的同學(xué)有所鏡鑒和幫助！

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