銅是一種柔軟且延展性極強的金屬,具有高導(dǎo)電性、良好的耐腐蝕性和一定的強度。銅合金使用可以追溯到古代,包括各種黃銅、青銅以及其它銅合金。大多數(shù)銅合金會進行退火或冷加工處理,保持延展性的同時增加硬度。還有一些合金,如鈹銅和黃銅,使用時效硬化處理到高強度水平。銅具有面心立方晶體結(jié)構(gòu),金相學(xué)家通常會遇到紫銅,它是通過電解或化學(xué)精煉的,含有少量的銀或砷添加物。其他常見有無氧高導(dǎo)電銅以及磷脫氧銅,其中可能含有砷或碲的添加物。本文介紹了傳統(tǒng)的銅試樣制備方法,這些方法可以減少制備時間,更有效地制備微觀結(jié)構(gòu)。
試樣制備
一般來說,制備銅和銅合金試樣并不困難,至少可以看到真實結(jié)構(gòu)。但是,去除所有的劃痕可能比較困難,冷加工試樣的結(jié)構(gòu)不容易清晰地呈現(xiàn)。特別是退火試樣的晶粒結(jié)構(gòu)很難通過腐蝕完全顯示出來。許多銅基合金含有少量的元素,如鉛和碲,以提高可加工性,但在試樣中保留這些沉淀物也是一個挑戰(zhàn)。同樣,保留紫銅中存在的氧化亞銅也不是一件容易的事。電解拋光是一個選擇,但它往往會破壞這些相。*常見的腐蝕劑是等量的氫氧化銨、過氧化氫(3%濃度)和水的混合物。雖然有點臭,但通過擦拭效果很好,但使用壽命很短,每次都需要重新調(diào)配。許多不同的腐蝕劑是基于氯化鐵、鹽酸、水或乙醇的混合物,還有一些是基于過硫酸銨等。這些可以在標準中找到。彩色腐蝕技術(shù)對銅及其合金非常有效,但成功的應(yīng)用主要取決于能否去除細小的劃痕。拋光后的表面在蝕刻之前可能看起來很完 美,但是通過著色腐蝕會發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)劃痕。彩色腐蝕劑可以顯示晶粒結(jié)構(gòu),任何的偏析及變形。
傳統(tǒng)技術(shù)
表1顯示了久經(jīng)考驗的“傳統(tǒng)”試樣制備方法。這種做法在一定程度上是有效的,但對于去除存在的細小劃痕并不真正有效。
表1 - 手動或自動的傳統(tǒng)制備程序
為了獲得“良好”的彩色蝕刻結(jié)果,在蝕刻失敗后必須重復(fù)*后一步制備步驟,再重新蝕刻試樣,反復(fù)進行才能得到較好的結(jié)果。
為了改善結(jié)果,可在*終拋光液中添加了一種侵蝕劑。
例如,已發(fā)現(xiàn)1%硝酸鐵水溶液有一定效果。但樣品表面的浮凸嚴重,是反復(fù)腐蝕-拋光的結(jié)果。如果劃痕*終得到控制,但浮凸會很嚴重。圖1顯示了一個退火的彈殼的H70,使用重復(fù)的蝕刻-拋光手動制備,并在二氧化硅懸浮液中加入硝酸鐵。效果尚可,但并不完 美。
圖1 - 這種退火彈殼黃銅H70是使用傳統(tǒng)方法制備的,該過程包括多個腐蝕-拋光循環(huán)(Klemm的I試劑,100X)。
由于標準程序無法使真正的結(jié)構(gòu)達到彩色腐蝕所要求的完 美程度,因此需要研究新的方法。在過去的十年中金相制備的方法不斷發(fā)展產(chǎn)生了更為精簡的程序。
當代方法
圖2.- 采用當代方法制備的退火和冷拉砷、磷脫氧銅(Klemm’s I 試劑,50X,交叉偏振光加敏感色調(diào))。
表2顯示了當前的首 選方法,通常在使用二氧化硅懸浮液再進行一到兩小時的振動拋光,但不加入腐蝕劑。
表2 - 當代制備的五步
圖4顯示在371°C下退火30分鐘后部分再結(jié)晶、冷加工的α晶粒結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。大的細長晶粒是未再結(jié)晶的晶粒,而背景是大量非常細小的新再結(jié)晶的晶粒。
圖3-通過傳統(tǒng)方法制備的冷加工彈殼黃銅H70,
顯示出嚴重的滑移變形(Klemm I試劑)100X,近交叉偏振光,帶有敏感的色調(diào)。
圖4 – 通過當代方法制備的部分再結(jié)晶的冷加工彈殼黃銅(Klemm III試劑,100X,近交叉偏振光)。
圖5顯示了在704°C退火30分鐘后晶粒生長的完全再結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)。這與圖1所示的試樣相同,但是在偏振光下觀察腐蝕后的形貌可以采集到更多的信息。
圖5- 退火彈殼銅(與圖 1 相同的樣品),
采用現(xiàn)代方法制備(Beraha PbS 試劑,50X,交叉偏振光加敏感色調(diào))
圖6 - 這張顯微照片顯示了用當代方法(Kl emm的I試劑,500X,明場)制備的冷鑄錫青銅Cu-10Sn的樹枝狀鑄造微觀結(jié)構(gòu)。
接下來的幾個例子顯示了鑄態(tài)銅合金。圖6顯示了冷鑄Cu-10Sn青銅試樣中的樹枝狀晶內(nèi)偏析。高放大倍率視圖顯示了由于錫和銅含量的變化而導(dǎo)致的枝晶內(nèi)的顏色變化。圖7顯示了正常鑄造Cu-4.5P的微觀結(jié)構(gòu),這是一種非商業(yè)合金。著色蝕刻后呈明顯偏析的α相樹枝狀結(jié)晶,黑色部分為含磷較高的α相。圖7是在明場照明下拍攝的。
圖8顯示了另一種非商業(yè)合金鑄造Cu-10.5P的微觀結(jié)構(gòu)?;w為呈放射狀的(α+Cu3P)共晶組織,白色塊狀為α相。
圖7. 通過當代方法制備的Cu-4.5P的枝晶微觀結(jié)構(gòu)。(Klemm ll試劑,200X,明場)
圖8. 通過當代方法制備的Cu-10.5P(Klemm ll試劑,500X,明場)