材料的微观结构反映了它的基本性能，而大多数热处理的目标都是使这些性能达到特定的要求。

　　金相试样的制备水平直接影响着质量控制的速度和精度——不仅对微观结构分析，而且对硬化层深度测量这样的特殊检测也是如此。

　　金相试样的制备过程总的来说并不复杂。

　　经过以图1所示为例的一系列步骤后，研磨抛光的试样应当能够满足下列要求：

　　•通过蚀刻和成像观察材料的微观结构

　　•进行测量

　　•进行硬度测试

 

　　图1. 金相试样制备和分析的典型步骤

　　不过，实际中经常遇到这样的情况：执行这些步骤的人员没有经过专门的培训，或者采用的方法是几十年前的旧方法，而且对操作的检查不够严格。

　　其实，我们往往能够做到更快和更高质量地制备试样，而且成本也能更低。

　　制备操作不当既有直接的也有间接的后果(表1)，操作检查的重要性显而易见。

　　

 

　　潜在的改进幅度可能令人难以置信，而技术也在进步。即使是小幅改进，只要长期坚持也能带来很大不同。

　　本文的目的在于讨论金相试样制备的一些重要方面，使读者在他们自己的操作中有机会作出改进。

　　制备的要求

　　在对硬度较高的材料进行切样或用力研磨时，产生的热量可能会改变微观结构或影响硬度结果。

　　由于这些指标对质量控制非常重要，所以，在后续步骤中一定要去除任何这类影响。

　　每个步骤都必须去除上一步产生的影响，直至最后残留的影响小到不足以对分析结果造成干扰。

　　切片

　　我们发现，试样制备中的问题有很大一部分是由切片方法引起的。在大多数情况下，切片都使用配有砂轮片的金相切割机(图2)。

　　

 

　　图2. AB250型金相切割机

　　这种设备之所以被广泛使用，是因为其他方法(比如带锯)会对样品造成严重损坏，并因此而显著延长制备时间。

　　锯片的选择比较简单，因为制造商通常会提供查找表，让您能够根据材料的类型和硬度而选择合适的砂轮片。对于较硬的材料，需要使用磨损速度较快的锯片(软砂轮)。磨损较快时新的磨料会更快地露出，从而使锯片保持“锋利”。

　　人们容易产生的误解是，应当使用磨损较慢的锯片(硬砂轮)以节约成本。

　　但是，这样做往往会降低切样速度，或者需要使用更大的切割负荷，其后果是切割表面产生更严重的损坏。

　　在大多数情况下，最好的作法都是根据您的需要选择合适的锯片，而在需要延长锯片寿命时则简单地采用慢速切割。这样能够保证在质量、速度和成本之间达到最佳平衡。

　　在切割过程中，试样的任何移动都会造成问题，比如样品表面不平整，严重时锯片甚至会断裂。

　　建议在切割时确保样品可靠固定，而在切缝两侧都支承样品能够大幅度减少毛刺的产生。

　　另外，应当在切缝附近均匀地施加冷却，以保证热量和切屑都能被有效地去除。对切割机和冷却液定期进行保养，能够显著提高切割质量。

　　镶样

　　金相试样开始制备前的镶样有两个目的：保护试样和使试样容易夹持。并非在所有情况下都需要镶样，半自动设备通常使用夹具就能制备未经镶嵌的样品。

　　不过，在大多数情况下都最好镶样，尤其是在需要对试样的边缘部位进行分析时。

　　金相试样制备前的镶样主要采用两种方法。

　　1. 浇注镶嵌：将样品放入镶样模，再将两种或更多种液体和粉末组分均匀混合而成的镶嵌料倒在样品上。根据所用树脂类型的不同，需要固化5分钟到8小时不等。

　　2. 热压镶嵌：将样品放入镶嵌机，装好镶嵌粉，盖上顶盖后启动机器。根据样品的大小，固化需要7 – 12分钟。

　　使用热压镶嵌机(图3)能够获得最好的镶样效果，它们采用了高压和高温来完成镶样。

　　

 

　　图3. SimpliMet 4000型热压镶嵌机每次操作能够同时镶嵌两个样品，使效率提高一倍。

　　镶嵌机价格昂贵，这通常是其应用的最大障碍。

　　不过，热压镶嵌用镶嵌料要比浇注镶嵌使用的冷镶嵌料便宜，所以，长期使用的经济性往往能够补偿它们的购置成本(图4)。

　　

 

　　图4. 热压镶嵌和浇注镶嵌投资回报率的对比。以每天制样10个或以上计算，不到一年即可收回热压镶嵌机的投资。

　　在分析涂层或表面层(比如渗氮层和渗碳层)和检查脱碳等潜在问题时，保边型镶嵌料的使用至关重要。在这类应用中通常选择矿物填充环氧镶嵌料(比如EpoMet)。

　　试样的制备

　　使用半自动研磨抛光机能够提高试样制备的精确性和重现性。

　　为了使试样尽可能平整，建议使用平面研磨金刚石磨盘(DGD)和无绒研磨布。

　　中央施力式研磨(试样在整个过程中被固定在一个支架上)有助于保证研磨均匀和最大限度提高平整度。

　　另外，还必须尽量缩短在软布上抛光的时间，否则容易使边缘变成弧形。

　　因此，最终的抛光步骤一定要小心操作，时间不能过长。如果最后的表面光洁度不够高，则应从前面的步骤开始重复操作，而不能只是延长抛光时间。

　　对于典型热处理材料的试样制备，建议采用表2所述步骤。

　　

 

　　在普通的半自动研磨机上，采用这些方法可以每次同时制备6个甚至更多试样。与您目前采用的方法比较一下，您看到提高效率的潜力了吗?

　　以前的许多制备方法都需要用到不同目数的碳化硅(SiC)砂纸。

　　人工制备对于每次一个样品来说速度较快，但成本很可能较高，而且不同操作者之间的差异可能造成很大的质量问题和很高的返工率。

　　在某些情况下，从使用碳化硅砂纸的人工制样方法改成半自动方法，制样耗材的成本能够降低一半之多。

　　优化金相试样的制备不仅对包括抛光在内的前面几步有好处，也为蚀刻和分析带来了很多优点，包括：

　　•提高硬度测试结果的精确性

　　•提高自动硬度测试的成功率

　　•改善蚀刻效果，更好地分析微观结构

　　•加快弱蚀刻剂的蚀刻速度，提高效率。这样不仅能够缩短蚀刻时间，提高结构分析的可靠性，还能够降低操作者面临的健康和安全风险。

　　结论

　　有时，最简单的观察也是最有效的方法。因此，金相试样制备在许多质量控制工作中都是一个关键的步骤。就像制造流程中的任何其他环节一样，优化这一步的操作对质量分析和控制非常重要。

　　正确地使用制样设备和方法，不仅能够提高效率和降低成本，还能保证分析结果的重现性和可靠性。

　　热处理企业只有这样才能在面向快速发展的汽车制造等行业提供服务时保持竞争优势和获得成功。