一、概述

定义：
金相分析（Metallographic Analysis）是通过对金属或合金材料的显微组织进行观察、测量和表征，揭示材料内部结构（如晶粒尺寸、相组成、缺陷分布等）与性能关系的检测技术，是材料科学研究和工业质量控制的核心手段。

核心目标：

1. 材料性能评估：通过显微组织分析预测材料的力学性能（强度、韧性）、耐腐蚀性及热处理效果。

2. 缺陷诊断：识别材料内部缺陷（气孔、夹杂、裂纹、脱碳层）及其对失效的影响。

3. 工艺优化：验证铸造、锻造、焊接、热处理等工艺的合理性，指导生产改进。

分类：

· 常规金相分析：晶粒度评级、相比例计算、非金属夹杂物检测。

· 失效分析：断口形貌观察、腐蚀或疲劳损伤机制研究。

· 特殊检测：涂层/镀层厚度测量、表面硬化层深度分析。

二、检测标准

1. 国际标准：

· ASTM E112（晶粒度测定方法）：定义晶粒度评级流程（如对比法、截点法）。

· ASTM E45（非金属夹杂物评级）：A法（最恶劣视场）、D法（显微夹杂物统计）。

· ISO 643（钢的显微组织检验）：奥氏体晶粒度测定标准。

2. 地区标准：

· 中国：GB/T 13298（金属显微组织检验方法）、GB/T 10561（钢中非金属夹杂物评级）。

· 欧盟：EN ISO 17655（焊缝金相检验）、EN 10247（显微夹杂物定量分析）。

· 美国：SAE J422（钢中显微组织与晶粒度标准）。

3. 行业专用标准：

· 汽车：VW 50093（汽车零部件渗碳层深度要求）。

· 航空航天：AMS 2759（高温合金晶粒度控制规范）。

· 核电：ASME BPVC II（核级材料金相检验要求）。

三、检测设备

1. 核心设备：

· 金相显微镜：

o 功能：明场/暗场观察、偏振光分析、数字成像（分辨率≤0.2 μm）。

o 型号：Olympus GX53（5×~100×物镜）、Zeiss Axio Imager 2。

· 切割机与镶嵌机：

o 切割机：用于试样切割（如Struers Secotom-15，切割精度±0.1 mm）。

o 镶嵌机：热压镶嵌（Struers LaboPress-3）或冷镶嵌（环氧树脂）。

· 研磨抛光机：

o 设备：自动研磨抛光机（Struers Tegramin-30，压力可调至300 N）。

o 耗材：碳化硅砂纸（180~2000目）、金刚石抛光液（1~9 μm）。

· 显微硬度计：

o 功能：测量显微硬度（HV、HRC）及硬化层梯度。

o 型号：Wilson VH1150（载荷0.01~1 kgf）。

2. 辅助设备：

· 电解抛光/腐蚀设备：用于难腐蚀材料的组织显示（如奥氏体不锈钢）。

· 图像分析软件：

o 软件：Olympus Stream、Clemex Vision PE（晶粒度统计、相面积计算）。

· 扫描电镜（SEM）：

o 功能：高分辨率断口分析（如韧窝、解理面）、微区成分检测（EDS）。

四、检测流程

1. 样品制备：

· 取样：根据检测目标选择代表性区域（如焊缝熔合线、裂纹扩展区）。

· 切割：线切割或砂轮切割，避免热影响区改变组织（切割液冷却）。

· 镶嵌：热压镶嵌（酚醛树脂）或冷镶嵌（环氧树脂+固化剂）以保护边缘。

· 研磨与抛光：

1. 粗磨：180~600目砂纸逐级研磨至表面平整。

2. 精抛：9 μm→3 μm→1 μm金刚石悬浮液抛光至镜面。

· 腐蚀：

o 碳钢/合金钢：4%硝酸酒精溶液（Nital）腐蚀5~30秒。

o 铝合金：Keller试剂（2% HF + 3% HCl + 5% HNO3 + 90% H2O）。

2. 显微观察与分析：

· 晶粒度评级（ASTM E112）：

1. 100×下选择典型视场，对比标准图谱或采用截点法计算平均晶粒尺寸。

2. 例如：某钢材晶粒度7级（平均晶粒直径约32 μm）。

· 非金属夹杂物评级（ASTM E45）：

3. 使用D法（显微统计法）：在500×下统计硫化物（A类）、氧化物（B类）、硅酸盐（C类）等夹杂物的长度与数量。

4. 结果示例：A类细系1.5级，B类粗系0.5级。

· 硬化层深度测量（ISO 2639）：

5. 显微硬度法：从表面至基体测量硬度梯度（如HV 550为有效硬化层界限）。

6. 金相法：观察马氏体过渡层（如渗碳层深度1.2 mm）。

3. 数据记录与报告：

· 图像存档：标注关键组织特征（如珠光体、铁素体、碳化物分布）。

· 结果判定：对比标准限值（如晶粒度≥5级，夹杂物总级别≤2级）。

五、费用与周期

1. 费用构成：

· 实验室自建成本：

o 金相显微镜：20万-80万元。

o 扫描电镜（SEM）：150万-500万元。

· 第三方检测费用：

o 常规金相分析（晶粒度+夹杂物）：2000-5000元/样。

o 失效分析（断口SEM+EDS）：5000-1.5万元/样。

o 硬化层梯度测试：3000-8000元/样。

· 认证服务：

o ISO 643晶粒度认证：1万-3万元。

o ASME核电材料金相认证：3万-8万元。

2. 周期：

· 常规检测：1-3个工作日。

· 复杂分析（如SEM断口分析）：3-7个工作日。

· 加急服务：额外支付30%-50%费用，周期缩短至1-2个工作日。

六、实际应用

1. 工程机械案例：

· 问题：挖掘机齿轮齿面早期疲劳失效，金相分析发现表层存在脱碳（深度0.1 mm），导致硬度不足。

· 优化：改进热处理保护气氛，脱碳层深度降至≤0.02 mm。

2. 汽车零部件检测：

· 场景：变速箱齿轮渗碳层深度不均（0.8-1.5 mm），通过调整渗碳工艺（温度均匀性）稳定至1.2±0.1 mm。

3. 航空航天材料验证：

· 案例：钛合金发动机叶片晶粒度超标（3级→要求≥5级），采用β退火工艺细化晶粒至6级。

4. 焊接工艺评价：

· 案例：压力容器焊缝热影响区出现粗大魏氏组织（冲击功不足），优化焊接热输入后组织转变为均匀铁素体+珠光体。

七、注意事项与趋势

1. 测试陷阱规避：

· 样品制备误差：避免过度抛光导致硬质相脱落，或腐蚀不足/过度影响组织显示。

· 设备校准：定期校准显微镜放大倍数（如标准标尺校验）和硬度计载荷精度。

2. 新兴技术应用：

· 数字图像处理：AI算法自动识别晶界、计算相比例（误差≤3%）。

· EBSD（电子背散射衍射）：分析晶体取向、晶界特征（如大角晶界比例）。

3. 行业趋势：

· 原位分析：高温/低温环境下的实时金相观察（如相变过程动态记录）。

· 高通量检测：自动化制样与AI分析结合，提升检测效率（日处理量提升5-10倍）。