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金相试验
實驗8
金相試驗
（MetallographicTest）
一、實驗目的
藉金相學方式檢查材料組織、晶粒大小與狀態、滑線或雙晶、以及金屬結晶是否變形、有無氣孔等缺陷。
二、實驗器材及設備
1. 金相顯微鏡。
2. 研磨紙。
3. 金屬鑲埋機。
4. 拋光機。
5. 吹風機。
6. 腐蝕液。
7. 玻璃板、黏土、手動壓平器、棉花。
三、實驗原理
金屬組織通常是由多數的微細晶體所組成的，但是在晶體生長過程，由於它們互相碰到周圍晶體，致而阻擾其自由生長，故不具如水晶般之特殊外型，而是構成不規則形狀之多面體之晶粒（Crystalgrain）。
晶粒與晶粒間的邊界稱為晶界（Grainboundary），如圖8-1所示。
圖8-1金屬結晶粒之生長
金屬結晶構造，乃是由於晶粒內原子依照一定規則排列而成，把各個原子的中心用線相連時，在空間可以得到立體的格子，此種格子稱為結晶的空間格子（Spacelattice）或者結晶格子。
通常從中間格子內無數的原子中選出「能代表排列特性的最小單位」來表示它的結晶格子。
此種單位的原子排列叫做單位格子（Unitlattice）或單位晶胞（Unitcell）。
一般金屬晶體組織依其原子的排列，約略可分為三種型式：
體心立方格子（Body-centeredcubiclattice；簡寫為b.c.c.），面心立方格子（Face-centeredcubiclattice；簡寫為f.c.c.）及六方密格子（Hexagonalclose-packedlattice；簡寫為h.c.p.），如圖8-2所示。
圖8-2結晶格子的三種重要型式
單晶因為缺少空間格子完整形狀的對稱性，故依空間格子的形狀而定其方向性，其化學及物理性質則因其方向之不同而各異。
由於有了這種異向性（Anisotropy），金屬表面如果被酸侵蝕，則其不同的晶體產生不同的腐蝕狀態，於是光反射的情況也發生變化，如圖8-3所示。
故可在顯微鏡下將金屬表面的組織，藉其對比（反襯）的影像顯出。
圖8-3金屬表面的腐蝕
二元合金之中，鐵－碳系列為機械材料使用最普遍者，其狀態圖如圖8-4所示。
實線是Fe-C合金中C完全變為
時之鐵－雪明碳鐵（
）平衡圖，虛線部份則為Fe及C（石墨）之平衡圖。
茲舉鐵－雪明碳鐵平衡狀態圖的符號與其他相關事項，簡單說明如表8-1所示。
純鐵固溶微量的碳，其在平衡圖上顯示三個穩定的狀態，常溫時稱為α固溶體（α鐵），910～1400℃時稱為γ固溶體（γ鐵），1400℃至熔點時稱為δ固溶體。
對鋼而言，於鐵中的大部分的碳呈
之穩定相，而不出現石墨，故只需考慮
系列的準穩定平衡圖即可。
在鋼中即使是化學成分相同，但其組織和性質因經機械加工或熱處理而有顯著之不同。
因此通常是將鋼加熱至
線或
變態點以上30～60℃的溫度範圍，保持適當時間後在空氣中冷卻，進行正常化（Normalizing），可以得到略近於平衡狀態的組織，使組織微細化，消除了鋼內部之方向性、偏析、或滑移及雙晶等變形之後，再使用顯微鏡及其他器具進行試驗。
施以正常化處理而獲得的組織，稱為鋼之標準組織。
圖8-4鐵－碳平衡狀態圖
表8-1鐵－雪明碳鐵平衡狀態圖的符號
四、實驗步驟
【1】 試片準備
試片之準備是整個顯微鏡組織試驗最重要的一環，良好的金相試片才能顯示出真正的顯微組織，其準備步驟包括：
取樣、鑲埋、研磨、拋光、腐蝕等。
（1）取 樣
試片之選擇必須具有代表性，以與研究的主題相符，因此取樣時必須要適當選擇切取的部份及方向。
試片不可太大或太小，通常以斷面18～25mm的角形或圓形，而其高度約12mm以下為宜。
切割取樣時，必須用冷卻液冷卻整個物件，以避免試片過熱，而影響材質的組織。
（2）鑲 理（Mounting）
如試片太小或要觀察邊角部分組織時，試片必須施以鑲埋，最常用的方法為加熱熔融鑲埋材料（如電木）以固定材料。
圖8-5為鑲埋機與試片經鑲埋之情形。
鑲埋機之操作步驟如下：
旋開上蓋，旋緊壓力釋放鈕，搖動油壓幫浦搖柄，使鑲埋筒體之底盤上升至適當之高度，以便放置試片於底盤上。
放置試片時，欲觀察之試片平面應朝下接觸於底盤上。
緩緩旋開壓力釋放鈕，以使底盤托住試片一起降至鑲埋筒體底端。
然後依試片之大小，從筒體上方開口加入適量之鑲埋材料，蓋上並旋緊上蓋，旋緊壓力釋放鈕。
筒體外圍套上加熱套開始加熱，並緩緩搖動油壓幫浦搖柄，觀察壓力表上壓力上升之情形。
由於鑲埋材料顆粒於熔化時，間隙減小，故壓力會有下降，須搖動油壓幫浦搖柄使壓力保持於設定值附近。
直至壓力不再有下降之情形，表示鑲埋材料顆粒已完全熔化，此時取下加熱套，換上散熱器，等候適當之冷卻時間，以使鑲埋材料完全凝固。
打開上蓋，搖動搖柄，將鑲埋好之試片從筒中頂出取下，即完成鑲埋作業。
圖8-5（b）鑲埋後之試片
（3）研 磨
經過取樣或鑲埋好的試片，必須將要檢查的那一面先磨平再磨光。
研磨過程是先用粗顆粒的砂紙將試片面研磨平，再以較細的砂紙將前一次的研磨痕跡完全磨掉。
研磨可在如圖8-6（a）所示之研磨砂紙座上進行，在每換一級砂紙時，將試片轉90度，使舊痕跡的方向垂直於新研磨方向，可以達到較高的研磨效果。
碳化矽研磨紙粗細的分法是以目（Mesh）來區分，目數愈大，顆粒愈小，一般區分成60、120、180、240、320、400、600、800、1000目等。
金鋼石（二氧化矽）研磨紙則習慣上編號3、2、1、
1/2、2/3、3/4等級來區分粗細，3/4為最細的一級。
研磨時可用水或煤油為濕式研磨的媒介。
濕式研磨具有可沖除顆粒、碎屑及冷卻試片等功能，研磨時可將研磨紙放在厚度約5mm的玻璃板上，以確保一平整的工作面。
（4）拋光
經過600碳化矽研磨紙磨光的試片表面，是一細密溝痕的平面，必須再使用更細的硬顆粒研磨到光亮為止。
拋光是採用拋光機（如圖8-6（b）所示之旋轉圓板式拋光機），用手拿住試片，以適當的壓力將試片表面壓在旋轉絨布面上，並把試片緩慢地在圓板的中心和邊緣之間往復移動。
拋光時絨布上要加適當的精磨懸濁液，一般採用氧化鋁粉（
）與水混合成懸濁液而保存在一可擠壓的塑膠瓶內。
拋光時，將懸濁液搖動數次，使氧化鋁粉均勻懸浮在水中，然後將之噴洒到旋轉的絨布檯上，這時氧化鋁粉會留在絨布上的纖維堆裡，當試片經過時便有切削的作用而將試片逐漸地拋光。
拋光時氧化鋁分成1、0.3及0.05μm顆粒大小的三個階段。
每一道不同顆粒的拋光要單獨用一個拋光機轉盤，試片移到下一道拋光前必將試片及操作員的雙手用水清洗乾淨，這可以避免細顆粒轉盤被粗顆粒污染。
經拋光好的試片，必須先用清水去除所有的氧化鋁粉，然後再以酒精清洗，最後以吹風機吹乾。
圖8-6（b）旋轉圓板式拋光機
（5）浸 蝕
拋光完成後的試片面有如鏡面，在顯微鏡下除有色組成物（如鋼內之夾雜物，鑄鐵內之石墨）、孔洞及其他研磨缺陷外，全面反射光甚強，無法判別其組織，故須用適當化學溶液以浸蝕其表面。
因各組織對腐蝕液之抵抗強弱不同，故浸蝕後之試片表面反射光有強弱之分，由此可分辨其組織。
腐蝕液之種類很多，必須依不同材質而選用，表8-2所示為常用之腐蝕液。
漏蝕的方法可分為浸入法及擦拭法兩種。
浸入法是將整個試片表面浸入腐蝕液內。
擦拭法則利用棉花棒沾吸腐蝕液，再擦拭試片表面。
基本上，兩種方法都可以獲得滿足的結果。
浸蝕的時間因試片材質及腐蝕液之不同而有所差別。
控制浸蝕時間最好的方法是先用較短的時間浸蝕，將試片清洗，吹乾後用顯微觀察，稍有影像之後，再做較長時間的浸蝕。
從試片表面顏色的變化，也可以有效地控制浸蝕時間。
最佳的浸蝕，除了可以顯出材料的顯微組織外，還可以提供清楚的明暗對比之結構。
假如浸蝕過度，則必須重新細研磨及拋光後，再施以腐蝕。
表8-2金相試片之腐蝕液
表8-2金相試片之腐蝕液（續）
表8-2金相試片之腐蝕液（續）
表8-2金相試片之腐蝕液（續）
【2】顯微鏡觀察
使用顯微鏡觀察試片時，試片的檢查面和顯微鏡的光軸須成垂直，為達到此要求，可採用如圖8-7所示之手動壓平器（Handpress）。
在平板上放少量油黏土，其上面放置試片（檢查面朝上），把此平板及試片一同放在壓平器上，而把壓平器的壓棒向下壓，使壓棒下的平板完全接觸到試片檢查時，平板的底面和試片檢查面因而成為平行，然後將平板和試片一起放在顯微鏡載物檯上時，試片檢查面和顯微鏡的光軸就會成直角。
金相顯微鏡是利用試片表面反射光線而成像的顯微鏡。
圖8-8為一金相顯微鏡，包括有照明、物鏡、目鏡、上下及左右前後移動的試片檯。
上下移動又分為粗調及微調以聚焦試片的影像。
左右及前後移動則提供選擇適當的觀察區域。
一般目鏡為10倍，而物鏡則有5、10、20、40、100倍等。
受到解像力的限制，光學顯微鏡的有效放大倍率，最高只能到2000倍。
圖8-7手動壓平器
圖8-8金相顯微鏡及全自動拍立得系統
五、問題與討論
1. 為何研磨時，試片須改變研磨方向﹖
2. Nital之組成為何﹖Cu及Cu合金，Al及Al合金之腐蝕液為何﹖
3. 試說明作最後拋光時應注意那些事項﹖
4. 試討論試片之顯微組織與其硬度之關係。
材料實驗報告
實驗8
金相試驗
科（系）級：
同組實驗者：
．
組 別：
． ．
學 號：
實驗日期：
民國 年 月 日
姓 名：
評 分：
．
一、實驗目的
二、使用之設備及器材
三、實驗原理
四、實驗數據記錄與結果
五、問題與討論
1. 為何研磨時，試片須改變研磨方向﹖
2. Nital之組成為何﹖Cu及Cu合金，Al及Al合金之腐蝕液為何﹖
3. 試說明作最後拋光時應注意那些事項。
4. 試討論試片之顯微組織與其硬度之關係。
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