近年来,在汽车行业,围绕兼顾材料轻量化与刚性的竞争愈发激烈。随着采用更高功能的材料,对在选择并使用合适的金属材料上必不可少的金属组织观察及测量的准确性、便利性及速度,提出了更高的要求。
下面我们将为您介绍组织观察的基础知识与课题以及4K数码显微系统的应用案例。

金属组织观察方法与观察、测量的合理化

金属材料与组织观察的必要性

金属材料广泛用于汽车及航空相关以及基础设施设备、电机产品、电子元件等领域。虽然会选择并使用符合各自使用目的的金属或合金,但即使是完全相同的金属及合金成分,随着不同的“金属组织”,关系到耐久性及加工性的“机械性质”也有差异。通过组织观察,能够评估、判断金属材料的性质及对加工、热处理等的变化,由此选择并使用合适的材料。
在金属材料的破损会影响产品安全性甚至可能危及生命的汽车等行业,通过金属组织观察进行的机械性质评估与判断、表面处理或热处理后的评估,以及对非金属夹杂物、开裂、气泡等的不良分析显得尤为重要。

金属材料的机械性质是什么

金属材料的机械性质是指强度、硬度、粘度、疲劳特性、耐磨损性等力学性质。金属材料在相同材料或成分比例相同的情况下(组织),经过热处理后金属组织将发生变化,机械性质也随之改变。除影响材料耐久性以外,对切削及塑性等机械加工效率或热处理中的特性变化产生重大影响。

金属组织与随温度的变化

一般情况下,金属组织由原子规则性排列的“结晶构造”组成,但并非所有原子都呈规则排列。大多数结晶粒规则排列的结晶构造称为“多结晶”,将原子排列混乱区域的结晶粒与结晶粒的边界称为“晶粒边界”。

金属组织与随温度的变化
  • 左:“多结晶金属”由大量的结晶粒组成
  • 右:“晶粒边界”结晶粒与结晶粒的边界

上述的金属组织的结晶构造在经过热处理等受到温度影响后晶粒边界形态将发生变化。即使是相同的金属材料,经过热处理后将发生不同的变化,通过观察金属组织的结晶粒形状、大小、分布变化,即可掌握热处理后的机械性质。
例如,不锈钢(SUS材料)在热处理后的组织变化如下所示。

奥氏体(SUS304)
虽是常温下不存在的组织,但Fe与C的合金在723°C以上的温度下组织处于稳定状态。另外,通过富含可提高淬火性的合金元素(Ni或Mn)能使组织状态稳定。在经过淬火后不发生变化而残留在钢中的奥氏体组织称为“残留奥氏体”。
马氏体(SUS410)
是将奥氏体组织骤冷时产生的硬而脆的组织。在100至200°C下将马氏体回火时,Fe3C将被析出,在粘度稍微增强的同时易于腐蚀。为了与淬火而成的马氏体区分,将此状态的马氏体称为“回火马氏体”。
铁氧体(SUS430)
Fe中最多含有0.02%的C,是接近纯铁的组织。从常温到780°C之间为强磁性体,具有钢铁组织中超柔软的优异延展性。

另外,将奥氏体状态的钢缓冷时得到的组织就是“珠光体”。层间隔随着冷却速度发生变化。由于在极薄的层内交替排列铁氧体与Fe3C,呈现出类似珍珠贝的色调,因此被称为珠光体。

利用显微镜的金属组织观察方法

利用普通显微镜的金属组织观察时,从样本制作到观察的流程如下所示。

1. 包埋(树脂包埋)

用树脂固定切取的样本。用于硬化的树脂有多种类型。常用的是透明度高且短时间内硬化的一液型可见光硬化等。将样本装入圆柱形容器,慢慢倒入要硬化的树脂。届时需注意避免产生气泡。

2. 研磨

通过利用耐水研磨纸的粗研磨与利用平面研磨机的精密研磨,研磨样本。 按粗糙度顺序通过湿式法使用SiC纸80至2400。在精密研磨中,使用合成丝等研磨剂或润滑剂、碱性悬浮液,将9至0.25 μm粒度的金刚石喷剂进行镜面抛光,然后用流水清洗样本面。

3. 蚀刻(腐蚀)

将研磨后的样本面浸入适用于样本的蚀刻液(腐蚀液)。用水冲洗腐蚀液,并经过酒精等浸泡后进行干燥。

4. 用显微镜进行组织观察

对经过上述制作工序而正确制作的样本研磨面,使用显微镜进行观察。通过放大组织并熟练对焦,观察受热后的组织变化。但是,非金属夹杂物或黑铅球状化、铁氧体、珠光体等的面积率等高级测量需转到专用软件进行观察。

金属组织观察应用案例

在新型数码显微系统的推动下,这种使用传统显微镜的组织观察方式发生了翻天覆地的变化。
使用基恩士的超高精细4K数码显微系统“VHX系列”,不仅能利用高精细图像进行金属组织的高水准观察及评估,还能大幅提升各类作业的效率。

利用4K超高精细图像的金属组织观察

传统显微镜在样本制作上需要花费大量工时。而且,当包埋(树脂包埋)的样本观察面不平整时,在高倍率下细微的高度差也会使焦点不准,需要进行严格的调整。
4K数码显微系统“VHX系列”通过“导航实时合成”功能,仅需简单操作即可迅速完成深度合成,无需调焦。由此,在包埋(树脂包埋)观察面不平整时,也能够对金属组织整体对焦,轻松利用超高精细4K图像执行清晰的组织观察。

用4K数码显微系统“VHX系列”观察金属组织的案例
金属组织(800×)
金属组织(800×)
金属组织
金属组织
金属组织
金属组织
金属组织(淬火)
金属组织(淬火)
钛合金的金属组织
钛合金的金属组织
金属组织(偏光)
金属组织(偏光)
钨的金属组织
钨的金属组织
高级铸铁管的金属组织
高级铸铁管的金属组织
含碳纤维的金属组织
含碳纤维的金属组织

通过4K HDR功能,实现媲美肉眼的清晰观察

在利用传统显微系统的组织观察中,难以进行分辨率不足或浅色调组织的观察。
4K数码显微系统“VHX系列”配备了通过改变快门速度获取多张高灰度级图像的“HDR(High Dynamic Range)功能”。过去由于分辨率及对比度不足而无法观测的组织细节处,通过高精细、高对比度图像即可观察。

用4K数码显微系统“VHX系列”进行金属组织的HDR拍摄
金属组织(900×)上:8 bit/下:16 bit
金属组织(900×)上:8 bit/下:16 bit
金属组织 倾斜角度(500×)左:4K HDR/右:普通
金属组织(500×)左:4K HDR/右:普通

通过高速的图像拼接,实现大范围拍摄图像

过去,存在即使能以高倍率、高分辨率进行拍摄,但由于视野狭窄,导致很难分辨出是样本的哪一部分的课题,导致作业效率低下。
使用“VHX系列”的图像拼接功能时,仅需按下图像拼接按钮,即可高速且图像无偏移地拼接视野,实现最大50000 × 50000像素的图像拼接。倍率、分辨率保持不变,以鸟瞰图实现高效观察。

传统课题:分辨率虽高,但视野狭窄
传统课题:分辨率虽高,但视野狭窄
用4K数码显微系统“VHX系列”的自动控制进行图像拼接
通过使用图像拼接功能自动控制载物台,可以在高倍率、高分辨率的状态下进行大范围拍摄
通过使用图像拼接功能自动控制载物台,可以在高倍率、高分辨率的状态下进行大范围拍摄

一键测量金属组织

传统显微镜无法根据面积率定量评估热处理后的铁氧体及珠光体品质。
4K数码显微系统“VHX系列”配备了“自动面积测量”功能。仅需利用鼠标简单操作,用1台设备就能够迅速完成从金属组织放大观察到通过自动测量面积率实施定量评估及制作报告为止的一系列作业。

用4K数码显微系统“VHX系列”进行金属组织的自动面积测量
金属组织的测量
金属组织的测量

黑铅球状化的观察及面积率测量

过去对非铁金属夹杂物测量及黑铅球状化率、铁氧体、珠光体等面积率的高级测量,需要并用额外的专用软件。
4K数码显微系统“VHX系列”配备了“自动面积测量、计数”功能。仅需简单操作,即可对指定范围进行面积率测量与计数。还可剔除多余目标物或分离重合的目标物。由此,轻松实现显微系统观察与高级测量数值的表格化、图表化。

用4K数码显微系统“VHX系列”进行黑铅球状化的观察与自动面积测量
黑铅球状化
黑铅球状化
黑铅球状化的面积率
黑铅球状化的面积率

以带领行业为目标的金属组织观察与测量

以汽车为代表的各个企业,都以通过轻量化兼顾低燃油消耗与高刚性为目标,为以新材料与处理技术带领时代而纷纷使出浑身解数。
通过将高精细4K数码显微系统“VHX系列”用于金属组织观察,能够实现远超传统显微镜的作业效率以及以往不可能达到的高精细观察与高精度测量。

“VHX系列”还配备了许多其他新功能,在要求材料选定速度与准确性的行业,将成为强力工具。
如需了解“VHX系列”的详情,欢迎点击下列按钮,下载查阅产品目录或随时咨询。