金相檢驗的地位、作用和檢驗技術

周 毅

新疆自治區特檢院，新疆烏魯木齊 830000

1 金相檢驗在材料研究中的重要性

物理冶金學的任務在于研究金屬和合金的成分、組織和性能之間的關系，而這些研究的深度與廣度主要依賴于人們對金屬內在組織的結構的識別，即金相檢驗。

在材料的研究過程中：一方面，材料的確切組成、結構和性能結果的獲得是通過大量的理化檢驗研究和測試工作所完成的；另一方面，其材料的組成、結構和性能之間相互關系及變化規律的研究和確定也是大量的理化試驗研究和測試工作的參與而得以實現的。在這兩個方面中，金相檢驗占有重要的地位，只有通過金相檢驗才能完整的解釋組成、結構和性能之間的相互關系。許多制備具有優異性能材料的重大進展常常可追溯到對于它們顯微組織結構的確定和控制。所有工藝的目的都是為了得到可控的微觀組織結構，從而得到所需要的性能。金相學的進步與發展對冶金、機械制造、動力、能源、建筑、國防和其它許多部門無論現在還是將來都會產生巨大的影響。由此可見，在材料的研究與發展中，金相檢驗是必不可少的，是材料研究的重要組成部分，這是金屬材料發展史上人們最深刻的體會。同時也促進了金相檢驗技術和檢測設備的發展。

2 金相檢驗在現代材料研究中的作用

新一代鋼鐵重大基礎研究項目以3類典型鋼材作為代表開展研究。第一類為熱軋普碳鋼材，通過工藝優化來優化顯微組織結構，生產廉價的金屬材料；第二類為低合金鋼高強度熱軋鋼材；第三類為合金結構鋼。在這3類鋼材研究開發的整個過程，始終貫穿一條主線，就是顯微結構組織的確定和優化控制。金相檢驗在現代材料研究中的作用主要體現在如下幾個方面。

2.1 化學成分與金相組織

合金設計的根本任務是滿足工程構建或用戶提出的各項性能要求。而這些性能受控于成分、內部顯微組織、雜質和缺陷、表面組織及應力狀態等，其中主要是成分和組織。成分和組織在很大程度上控制著所有組織敏感性能。合金設計中首先要做組織設計，選擇滿足性能要求的組織結構。控制組織結構的第一個因素就是化學成分。化學成分通過相變等方式控制組織中的相、體積分數和形態，如馬氏體形態、貝氏體形態等首先受控于碳的含量。低碳鋼淬火后得到板條狀馬氏體，而高碳鋼淬火后得到針狀馬氏體。所以，金相檢驗是驗證和解釋所設計成分是否合理的強有力的手段。

2.2 組織演變規律與工藝制度

化學成分確定之后，控制組織結構的主要因素就是制造的裝備和制造工藝，包括冶煉、鑄造、鍛軋、熱處理等。從冶煉到成品各環節中，每一個生產環節，對最終產品的組織結構都起到至關重要的作用。金相檢驗就是各種檢驗、檢測儀器設備和一定的方法，顯示、判定、測量材料顯微組織隨工藝變化的規律，從而制定合理的工藝制度。現代冶金工藝之一連鑄連軋一個重要組織因素就是鑄造樹枝晶的破碎和混晶。原始鑄造粗大的樹枝晶奧氏體再結晶不完整或再結晶組織不均勻是導致最終鐵素體組織混晶的主要原因。

2.3 金相學與材料科學

顯微鏡的發展給合金設計帶來了革命性的變化。眾所周知，人類冶煉金屬通過各種途徑了解合金工藝過程、特性以及使用性能的漫長歷史，直到有了金相顯微鏡后才形成了當今的冶金科學。顯微組織與宏觀力學關系的認識，為成分—組織—性能半定量或定量的研究和建立關系式創造了條件，為材料的發展奠定了理論基礎。其中，最典型的就是Hall—Petch關系式（σs=σo+kd-1/2）。該關系式是細晶強化的理論依據，是20世紀下半葉與鋼的組織細化相關的5個重大成就之一。所以，必須依靠實際的金相研究和金相檢驗工作，來證實材料設計的科學性，制定工藝的合理性。

金相檢驗分析，不僅有組織識別還有評定，即有定性還有定量、半定量的檢測。金相檢驗的內容歸納起來有一下幾項：1）材料基體相的組織結構及其缺陷；2）顯微組織的取向和狀態的非均勻性，如帶狀、分布不均、晶粒度等；3）第二相的類型、結構、組成、數量、形態、尺寸和分布；4）研究原子按鍵力分布的晶體結構和電子按能量分布的原子、離子結構。就顯微組織檢驗來說，顯微組織檢驗是通過一個二維截面視圖來建立一個三維結構圖形的，這樣在顯微組織檢驗中就分為4個級次。A正確識別是什么顯微組織；B定性的顯微組織狀態；C定量的顯微組織狀態；D顯微組織與性能之間的關系。

3 金相檢驗的主要應用技術

在金相檢驗中主要應用的技術有3種：1）顯像技術，應用顯像技術來揭示材料的顯微組織、斷口形貌特征、各種缺陷形貌特征、表面狀態等。這種技術包括兩個方面即腐蝕技術、成像技術。腐蝕技術是根據不同受檢材料和檢驗項目，選用不同的試劑和方法進行腐蝕。成像技術就是利用顯微鏡成像原理如光學顯微鏡的暗場技術、偏光技術、干涉技術等，它主要記錄和顯示材料的二維平面微觀組織結構特征；2）衍射技術，主要用來分析材料的晶體結構。晶體缺陷及晶體位向關系等問題，衍射技術中經常使用的設備是X-射線儀、電子衍射儀等；3）微區成分分析技術，利用化學成分分析來研究材料的基體、第二相、夾雜物以及腐蝕產物的組成，尤其是材料中微量元素對材料性能的影響等。它所使用的儀器有電子或離子探針、譜儀等。

在金相檢驗項目中始終要遵循“金相組織應當能如實反映受檢試樣（件）真實組織”的原則，所拍照的組織圖像能代表整個試樣（件）。今年，數字成像系統大量應用于顯微成像，它可以很容易地將數字化的圖像存儲在計算機內，也可以隨時打成照片或通過電子郵件傳遞，免除了大量的暗室操作工作。但是，隨著數字化成像應用的迅速普及，也帶來一個令人擔憂的問題，那就是利用圖像處理技術對金相組織圖片進行處理，這樣做完全違背了金相檢驗的原則，失去了組織的真實性，也失去了金相檢驗的意義，同時對設備、社會、以及檢驗人員自身和家庭埋下了極大的安全隱患。因此，所有從事金相檢驗和研究的人員，應不斷的提高自身的素質素養，這包括專業技術和嚴謹、認真負責的態度等多方面，這些都有待全社會、全行業共同的努力，是我們共同追求的最終目的和目標。