铜铬镧合金中第二相铬颗粒定量金相分析

rockston

铜铬合金由于具有高强度和良好的导电导热性能在工程上得到广泛应用，作为一种典型的沉淀强化合金，析出铬相的形态、大小及分布，对该合金的性能有很大的影响。目前，国内外对于第二相几何特征的研究主要是利用定量金相图像分析软件对二维图像(来源于金相试样或照片)提取需要的特征信息并进行处理，测量和计算图像的特征参数值，根据二维磨面中获取的组织特征参数去推断三维组织特征。因此，在定量金相的测量和计算过程中，金相试样的二维磨面制备的效果显得尤为重要，不仅要求显示合金中各种组织的特征和细节，而且要求各种组织显示的衬度分明，轮廓线清晰均匀，整个试样的平整度、洁净度、均匀性和重现性都要尽可能地好。而良好的金相组织显示不仅依赖于适当的浸蚀剂选择，还与材料本身的性质以及研究的目的有关。对铜铬合金而言，为获取最佳的铬相显示，本文分别尝试了化学浸蚀法和电解浸蚀法。
1　实验过程
定量金相分析工作包括金相试样制备、图像摄取、图像处理、定量分析等几个步骤。
0 p1 S5 r; f" _0 f6 W( }1.1　金相试样的制备
: A: v) l) e0 P1 _8 J+ i+ X金相试样制备的过程一般为：取样→镶嵌→磨光→抛光→浸蚀
, g1 K, Y- \& n1.1.1　取样　在中频真空熔炼炉中炼制了成分为(w%t)Cu0.8Cr0.4La合金，从铸锭上切取1cm×1cm×0.3cm圆形薄片进行950℃×2h固溶和480℃×1h、2h、3h、5h真空时效处理。取相应试样1/4截圆为金相分析试样。
1.1.2　浸蚀　为了得到具有最佳效果的样品，更好的进行金相观察和定量金相分析，本实验分别比较了铜合金化学浸蚀剂和电解浸蚀法对同一实验样品铜铬镧合金的浸蚀效果。
1.1.2.1　化学浸蚀法　实验选用的二种化学浸蚀剂分别为：1#：CuCl2(8g)+25%氨水溶液(100mL)；2#：FeCl3(3.5g)+HCl(25mL)+乙醇(75mL)。
由于铜合金在浸蚀过程中易氧化，而且反应物易沉积并影响观察结果，所以本实验中使用浸蚀剂时均采用擦蚀法。所得显微组织照片如图1、图2所示：
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http://www.china-metallography.com/china-met02/05-analyse/images0205/analyse027-1.jpg  http://www.china-metallography.com/china-met02/05-analyse/images0205/analyse027-2.jpg

             (CuCl2+氨水溶液，0.5min)                        (FeCl3+HCl+乙醇，0.5min)
            图1　Cu0.8Cr0.4La显微组织
2 V6 o' i; Z/ @  P: W0 ?$ |& v5 g图2　Cu0.8Cr0.4La显微组织
由图可见：利用CuCl2+氨水溶液、FeCl3+HCl+乙醇浸蚀所得的金相试样中均有划痕的存在，必然会影响到第二相测量数据的准确性。
1.1.2.2　电解浸蚀法　采用自制电解抛光装置对试样进行浸蚀，其电解液配方[18-20]为：蒸馏水(333mL)、磷酸(166mL)、酒精(166mL)、尿素(2g)和异丙醇(33mL)；以试样为阳极，用不与电解液发生反应的不锈钢作阴极。经过反复的实验测试，根据不同电解有效表面积适当调整电流的大小和时间，例如1cm2的面积控制电流在1A左右，电解浸蚀时间约20s；依次类推电解有效面积如果达到2cm2的时候控制电流在2A，电解浸蚀时间不改变；如果电解有效面积超过2cm2，为了保证电解速度的均匀就适当的延长时间，因为过大的电流会造成局部反应过快，导致表面不平整。所得显微组织照片如图3、图4所示：
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http://www.china-metallography.com/china-met02/05-analyse/images0205/analyse027-3.jpg       http://www.china-metallography.com/china-met02/05-analyse/images0205/analyse027-4.jpg

             (电解浸蚀法，20sec，1A)                          (电解浸蚀法，2min，4A)
& ~3 P, X! D5 @- f+ I! D            图3　Cu0.8Cr0.4La显微组织
图4　Cu0.8Cr0.4La显微组织
由图可见：经电解浸蚀(20sec，1A)所得试样显微组织明显突出了第二相颗粒形貌，且背景最干净，为随后的定量分析提供了较好的基础。
1.2　金相组织分析
为了确定合金中Cr相的存在形式，作者对试样进行扫描电镜观察和能谱分析，结果如图5所示：
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图5　Cu0.8Cr0.4La电镜形貌和能谱分析

反复试验表明：Cu0.8Cr0.4La的金相显微照片中浮凸且圆整度较好的颗粒相为铬颗粒。
7 q$ z1 l* V% W综合图1-图5不难得出，这些金相显微照片都有一共同特点即Cr颗粒突出，而α-Cu基体凹陷，这说明α-Cu基体的耐浸蚀能力要比Cr差。但从Cu和Cr两种金属的电极电位上来说，Cr是一种很活泼的金属，电极电位要低于Cu，并很容易和酸反应放出H2，而Cu一般只能和强氧化性的酸反应。但是Cr很容易钝化，钝化后的Cr抗腐蚀能力很强，所以不活泼的Cu反而先腐蚀。曾有人研究了Cu-Cr系在溶液中的极化能力，研究表明，Cu-Cr系在NO3-3、SO2-4、PO3-4溶液中尚未钝化时，Cr已处于钝态[21-22]。
& `, y  i* Z5 X* G& c: T1.3　图像摄取
将上述试样在金相显微镜上进行观察，选定待测视场后进行拍摄，图像直接输入计算机进行处理。
+ U5 O- u+ v% S! S" t1 q2　定量金相分析
定量金相分析是利用Image-ProPlus(IPP)图象分析软件来进行的，为尽量保证结果的准确性，在每个金相试样上随机选取50个视场进行统计处理分析。
& S8 M9 Z; [& @# u: E! N* x2.1　图像处理
# Q9 [# E5 H9 V: \/ M; u. G由于不同的金属组织对光的反射和吸收不尽相同，在图像上产生了不同的灰度级别。因试样的磨制、硬件等因素的影响，使输入计算机内的图像含有噪声信号和出现失真，为了分析准确，必须消除噪声、校正失真，为此本文采用了多种滤镜方法对图象进行处理，利用“background”工具消除背底的噪声，使待测物铬颗粒与铜基体分离；利用“filter”工具消除金相试样中灰度与铬颗粒相近的划痕等噪声的干扰；最终得到的图像要求既消除了噪声又有效地保留了待测对象的有用信息。图6给出经过不同浸蚀法得到的金相试样的图像处理效果，比较可知图6a的效果最好。

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图6　Cu0.8Cr0.4La金相图像处理过程

2.2　定量分析
/ ^+ m, A$ Y. ]. F! `! O对相同视场同时采用软件测量和手工测量二种方法分别测量不同浸蚀方法所得样品中的第二相铬颗粒的面密度NA(第二相粒子数/视场总面积)，取人工测量结果的平均值为待测参量的真值，其他结果与之相比较，结果如表1所示：

4 O# S+ }% v/ F( {- R; M

结果表明，电解浸蚀法的测量结果误差最小。这得益于电解浸蚀法制得的金相图像噪声小，失真小，提高了图像处理和定量金相计算的准确度和效率。
2.3　应用实例与讨论
, u' }. X. B( a% L确定电解浸蚀(20sec，1A)为制样方法后，对Cu0.8Cr0.4La合金时效过程中的第二相析出时的几何特征参数变化进行了定量金相分析。图7～图8所示分别为Cr颗粒体积分数VV(第二相粒子面积/视场总面积)、粒子面密度NA与时效时间的关系曲线：


图7　Cr颗粒体积分数VV与时效时间的关系
: O6 j1 [& b8 G% W; Y图8　Cr颗粒面密度NA与时效时间的关系
不难看出：在950℃，2h固溶再经过480℃，3h时效后Cu0.8Cr0.4La合金第二相Cr颗粒体积分数与面密度达到峰值，粒子更加密集，一旦时效时间大于3h后，体积分数及面密度均急剧下降，表明发生了晶粒长大，出现过时效。这与时效过程中第二相颗粒的析出长大变化是相符合的。因此，根据定量金相分析结果可以认为：在480℃下，3h是Cu0.8Cr0.4La合金最佳时效时间。
4 f: `# ~8 T( l  {8 _3　结　论
  W. ]) |% Q! l4 U5 t* s& ^电解浸蚀法可以有效消除试样磨制过程中的划痕，更加突出地显示合金中铬相的金相形貌，提高定量金相分析的效率和准确度。采用定量金相方法研究铜铬镧三元合金时效过程中Cr相的动态变化是完全可行的。