關(guān)于銅及銅合金的金相制備：

這里有一份完整的實操指南！

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關(guān)于銅及銅合金

銅及其合金是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?、也最熟悉的有色金屬品類之一。銅家族看似普通，卻憑借著獨特優(yōu)異的性能貫穿古今——從古老的青銅文明，到現(xiàn)代電力電子、機(jī)械制造、家居生活與裝備，都離不開其身影。作為工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣基礎(chǔ)材料，銅既可以以純銅形態(tài)承擔(dān)關(guān)鍵功能，也能通過合金化搖身一變，成為強(qiáng)度更高、耐磨性更好、用途更專一的工業(yè)“全能選手”。

純銅是一種紫紅色金屬，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)。由于擁有出色的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，純銅在電氣行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，例如用于發(fā)電機(jī)和變壓器的線圈、電線和電纜。它還具有良好的耐腐蝕性——在潮濕環(huán)境中，可憑借表面的綠色堿式碳酸銅保護(hù)層，防止進(jìn)一步的腐蝕。盡管純銅硬度和強(qiáng)度相對較低，但其延展性好，可通過冷加工和熱加工方法制成各種形式，包括板材、帶材、線材和管材。

然而，純銅的性能并不適用于許多應(yīng)用場合，因此需要添加合金元素進(jìn)行合金化以拓寬應(yīng)用范圍。銅合金最主要的強(qiáng)化機(jī)制是固溶強(qiáng)化：在銅基體中加入適量合金元素，使其溶解形成單相固溶體，通過溶質(zhì)原子造成的晶格畸變阻礙位錯運動，從而在保持優(yōu)良純銅優(yōu)良基礎(chǔ)性能的同時，顯著提高合金強(qiáng)度與硬度。一般來說每種合金元素都能顯著改善純銅的一種或多種性能，如強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐磨性和可加工性。某些合金還能改變純銅的顏色，例如鎳、錫或鋅。

不同合金元素對銅性能的提升

日常中廣為人知的銅合金包括各種類型的黃銅（含有不同量的鋅）、青銅（由銅和錫組成）和白銅（以鎳為主要添加元素的銅基合金）。按材料形成方法劃分，銅合金又可分為鑄造銅合金和變形銅合金。變形銅合金通過諸如軋制、擠壓或拉伸等機(jī)械加工方法進(jìn)行加工，以達(dá)到所需的形狀。而鑄造合金則是直接從液態(tài)中成型，這使其非常適合用于制造復(fù)雜形狀或大型部件。

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銅及銅合金的金相制備要點

精確的微觀結(jié)構(gòu)分析對于評估純銅和銅合金的性能至關(guān)重要。從金相學(xué)的角度，銅類樣品需要精心制備，以揭示諸如晶粒度、孿晶和氧化物夾雜物等真實顯微組織，避免由于操作不當(dāng)引起各種制備假象，如變形、涂抹或劃痕等。在本文中，我們將帶您詳細(xì)了解銅及其合金在金相切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕步驟中的實操要點及注意事項。

純銅及銅合金顯微組織示例

1切割取樣要點

銅及其合金相對柔軟且延展性較好，這使得它們易于切割；相應(yīng)地，如果切割過程控制不當(dāng)，出現(xiàn)涂抹、變形和熱損傷的風(fēng)險高。

為了確保切割精確且無損傷，使用冷卻能力充分的金相切割機(jī)至關(guān)重要。建議采用較低的切割速度以減少機(jī)械損傷和熱損傷。樣品須牢固但輕柔地夾緊，以防止振動或變形；對于薄壁或管狀試樣更是如此，因為它們在縱向切割時可能會因內(nèi)部應(yīng)力而變形。某些管壁極薄、對壓力敏感的樣品，最好在切割前先進(jìn)行鑲嵌。

? 純銅在切割時特別容易出現(xiàn)涂抹和表面變形。建議使用適合有色金屬的樹脂粘接碳化硅（SiC）切割砂輪。QATM Qprep NF-A 碳化硅切割輪，非常適合切割硬度值在 300 HV 以下的軟質(zhì)有色金屬，確保干凈、變形小的切割效果。

? 銅合金樣品通?？梢允褂门c純銅相同的參數(shù)進(jìn)行切割。不過，銅合金稍高的硬度和較低的延展性意味著其往往能夠承受更高的進(jìn)給速度或機(jī)械負(fù)荷，而不會影響切割質(zhì)量。

總的說來，如果樣品尺寸不大，使用精密切割機(jī)（如QATM QCUT 150 A 或 QCUT 200 A）進(jìn)行濕式切割是切割銅樣品時實現(xiàn)最小變形的最佳方法。對于較大的樣品，如 QCUT 250 A 這樣的臺式切割機(jī)是適用的；而對于更大型的部件，則可以使用立式切割機(jī)如QATM QCUT 400-600 A，以確保高質(zhì)量的切割效果。

使用QCUT 150 A精密切割機(jī)切割

含有銅線的電纜

用 Qprep NF-A切割輪在QCUT 250 A

砂輪切割機(jī)上切割銅型材

2鑲嵌注意事項

由于大多數(shù)銅合金的退火溫度集中在 200-400°C 之間，冷鑲嵌和紫外線光固化鑲嵌是較為理想的鑲嵌工藝。也可進(jìn)行熱鑲嵌，但鑲嵌溫度應(yīng)低于 190°C，以免改變樣品的原始顯微組織。

采用熱鑲嵌時，可使用常規(guī)酚醛樹脂材料。如果需要透明制備（例如用于目標(biāo)制備），THERMOPLAST丙烯酸樹脂也是一種選擇。

在需要避免熱暴露的情況下（例如在失效分析、熱或壓敏結(jié)構(gòu)或復(fù)雜幾何形狀的制備過程中），建議采用冷鑲嵌，視對邊緣保持的要求選擇丙烯酸樹脂如Qprep KEM 20和KEM 30或環(huán)氧樹脂如Qpox 93。

3研磨與拋光

銅類樣品的研磨和拋光目標(biāo)是制備出平整、無劃痕且無變形的表面，同時保留金屬基體以及諸如晶粒結(jié)構(gòu)、孿晶界和焊料或焊接區(qū)等特征。由于銅在機(jī)械應(yīng)力作用下容易發(fā)生塑性變形，因此研磨過程必須做出相應(yīng)調(diào)整。

為防止研磨過程中過度變形及磨料嵌入，應(yīng)從實際可行的最細(xì)磨料粒度開始磨平步驟，而不是從粗磨料開始。這樣可以減少表面損傷深度，并簡化后續(xù)拋光步驟。對于銅的研磨，推薦使用SiC砂紙，因為它能夠在實現(xiàn)可控材料去除的同時，減少涂抹和機(jī)械變形。此外，磨拋時的壓力和轉(zhuǎn)速需適當(dāng)調(diào)小。

純銅和黃銅合金的劃痕去除通常非常困難，為此可考慮在終拋時進(jìn)行浸蝕拋光，即在硅膠中加入適量的雙氧水和氨水進(jìn)行化學(xué)浸蝕拋光（需注意拋光布材質(zhì)為發(fā)泡型氯丁橡膠，可以耐受化學(xué)品的腐蝕）。

銅樣品制備方案示例

注：在最后的拋光步驟中，使用98 - 90%的Eposil F氧化物拋光液加2 - 10%的雙氧水。若不添加任何助劑，拋光時間應(yīng)加倍。

4銅及銅合金的腐蝕腐蝕

是銅及其合金金相制備過程中的關(guān)鍵步驟。它能使諸如晶界、孿晶和第二相顆粒等微觀結(jié)構(gòu)特征在顯微鏡下顯現(xiàn)出來。在許多情況下，尤其是對于鑄造合金而言，腐蝕操作較為簡單。然而，對于變形銅合金，尤其是那些經(jīng)過大量冷變形處理的合金，找到最佳的腐蝕劑可能會更具挑戰(zhàn)性。在這種情況下，可考慮能提供額外的對比度和清晰度的彩色腐蝕。

下表是一些典型的銅腐蝕劑配方及使用條件。

注：如果樣品中含有鉛，大多數(shù)腐蝕劑都會侵蝕其并留下黑色空洞。為了準(zhǔn)確記錄鉛的分布情況，應(yīng)在腐蝕前拍攝圖像。

精拋后經(jīng)QATM CU2試劑腐蝕的純銅樣品X500

用Klemm II彩色腐蝕劑腐蝕后具有枝晶微觀結(jié)構(gòu)和枝晶間珠光體相的黃銅樣品

5銅樣品的振動拋光

為了制備出無變形和劃痕銅樣品（比如純銅或EBSD分析樣品），有時短暫的最終拋光并不足夠。此時可考慮在正常的磨拋程序后加上一步振動拋光。這一制備過程非常溫和，通過一種特殊的振動產(chǎn)生機(jī)制將能量最佳地傳遞到樣品上產(chǎn)生溫和的水平運動，旨在獲得無變形的拋光表面。Qpol Vibro 振動拋光設(shè)備專為實現(xiàn)樣品表面幾乎無變形的制備而設(shè)計。