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金相試片製備 顯微組織觀察與分析 林昆明教授編撰 一、實驗目的 學習製作金相試片的完整步驟，含取樣、鑲埋、研磨、拋光及腐蝕等。 學習金相顯微鏡的諸元功能及操作，並瞭解相圖的基本意義。 結合相圖的常識及金相組織的觀察，逐步瞭解熱機處理、顯微組織與材料性質三者之密切關係。 二、實驗原理 經不同的熱機處理程序，材料將產生不同的顯微組織，而得到不同的各種性質。因此，對於材料相關性質的要求，往往可以經由適當的熱機處理程序之設計，得到特定的顯微組織以達成目的。 良好的金相試片製備是便於顯微組織觀察的前提。材料在熱機處理中，常因冷卻速率之差異或合金元素之蒸氣壓等因素，使得材料表層之顯微組織（如晶粒大小、相的分佈）和合金成分（如脫碳、脫錳）與內部產生一定程度之差異。故金相試片製備中的取樣，有時必須考慮到上述之因素，做出符合熱機處理程序之設計的最適當選擇。金相試片經研磨拋光後得到一平整之鏡面，通常必須經過腐蝕（etching）之程序，才能做光學上的觀察。腐蝕的原理係利用晶界周圍原子排列通常較為鬆散（相對於晶粒內部），故其能量相對較高，對腐蝕液之反應也較為明顯。所以拋光後的試片經適當的腐蝕處理後，在光學顯微鏡下就可以看到清楚的晶粒或金相。 一般而言，材料的顯微組織包括了差排（dislocation）、疊差（stacking fault）、析出物（precipitate）、晶粒（grain）、雙晶（twin）、相（phase）、夾雜物（inclusion）及裂縫（crack）等。前三者通常必須利用至少可放大幾萬倍的電子顯微鏡才能觀察，後幾者則利用一般的光學顯微鏡即可進行觀察。 顯微組織的分析，有時可以利用相圖得到相當程度之幫助。相圖是在一定壓力下，描述合金成份、溫度與晶體結構（或相）三者之關係圖。金屬或合金，在一定成份不同溫度下，可能就有不同之晶體結構或不同的相。例如：鐵在912℃以上是FCC的γ相，但在912℃以下則為BCC的α相。又如析出硬化型的鋁合金，一定的合金成份對應一定的飽和溫度。在該成份下，若溫度高於飽和溫度時，合金為高溫之單相，但溫 於 度若低於飽和溫度時，合金則為低溫之母相加析出物。故對相圖的基本瞭解也是進行顯微組織分析的必備要件之一。 金相顯微鏡是一種反射式的光學顯微鏡，生物顯微鏡則為穿透式。金相顯微鏡觀察原理如圖一所示。從光源射出的光線，經過透鏡調整後，以三稜鏡或透明平面玻璃，把部份光線轉向垂直下射，續經物鏡投射在試片表面上，然後由試片表面反射回來的光線，依序透過物鏡、平面玻璃及目鏡的放大，進入觀察者的眼睛。此時眼睛觀察到的只是相同亮度之光，亦即只有明亮之光而以。若用適當的腐蝕液腐蝕試片表面，隨著材料組織之差異，腐蝕作用也就不同。試片的相界及晶界，特別易受腐蝕而形成凹斜槽。當垂直於試片的光線照到此凹槽時，不再垂直反射，而是轉向（如圖二），所以此處眼睛所觀察到的呈黑色，其他平整區則呈亮白色。因此組織遂形成明暗的區別，藉著此種差異，我們遂得以觀察材料內部的微細組織。 三、實驗設備及材料 1.切割機、鑲埋機、研磨拋光機、金相顯微鏡（含照相設備）。 2.試片：Ｓ45C碳鋼、ＳＫＤ11工具鋼、灰口鑄鐵。 取樣：砂輪片、太古油、過濾紙（切割機用）、工業用擦拭紙。 鑲埋：鑲埋粉、脫模劑（熱鑲埋用）。樹脂、硬化劑、冷鑲埋模、黃油或凡士林（冷鑲埋用）。 研磨：碳化矽砂紙（圓：＃150～＃1500；方：＃150～＃1000）。 拋光：絨布、氧化鋁粉（0.3μm及0.05μm）。 腐蝕：量筒、滴管、試藥級硝酸、藥用酒精、吹風機。 試片觀察準備：壓平器、黏土、試藥紙。 攝影：底片。 四、實驗步驟 金相試片製備與顯微組織觀察的流程包括：取樣、粗磨、鑲埋、細磨、拋光、腐蝕、顯微組織觀察與攝影。各步驟詳述如下： 1.取樣 取樣乃從較大的材料中切取具代表性的小試片以便處理。故切取試片時先要適當選擇切取的部位及方向，尚須注意充分的冷卻，以免試片因切削而局部發熱，使得組織產生變化。一般對軟質材料常用手弓鋸或帶鋸式切割機鋸取，而對硬質材料則使用水冷式砂輪切割機（如圖三）或慢速切割機（如圖四）來切取。試片大小通常以10～20mm高的立方體或柱體為宜，可能的話應先將兩面車成平行，以便顯微觀察時調焦工作的進行。 2.粗磨 試片切取後，切割面若出現過熱、變形或不平整的現象時，可用＃150以下的碳化矽砂紙進行手磨，或用細砂輪側面磨平，亦可使用磨床磨平。此外，務必把試片邊緣毛邊去除並作倒角，以免研磨拋光時刮損砂紙或圓布輪。 3.鑲埋 當試片太過薄小不易握持時，或欲觀察試片邊緣組織時，試片就需要鑲埋。鑲埋可分為熱鑲埋及冷鑲埋二種： （1）熱鑲埋 依序將試片和粒狀酚樹脂放入氣冷式鑲埋機或水冷式鑲埋機（如圖五）的上柱塞與下柱塞間經加壓﹙100Kg/cm2﹚和加熱﹙140～150℃﹚，