金相前处理步骤 【2025】｜3分钟入门到精通

金相前处理步骤，透过需求评估、夹具选择、切割、镶嵌(热镶嵌或冷镶嵌)、研磨-粗磨、研磨-细磨、一般抛光、最终抛光、腐蚀、显微分析，展现材料微观结构，协助品质管控与失效分析，提升产品可靠性。

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在金相前处理的材料测试中，精准的需求评估对於提升制程效率和减少错误至关重要。不同材料的特性和测试需求会影响其前处理方式，透过这些需求评估，企业能够更有效地选择合适的材料和金相前处理细节测试方法，从而提升生产效率和产品质量。

 

以下是金相前处理对各类材料及其测试需求的详细分析：

1. 材料种类

(1) 金属材料

包括钢铁、铜合金、铝合金等。这些材料在金相前处理测试时需特别考虑其硬度和延展性。硬度测试可以评估材料的耐磨性和强度，这对於确保材料在实际应用中的性能至关重要。

(2) 非金属材料

如陶瓷和塑胶等，这些材料在金相前处理过程中需要避免产生裂缝或变形。非金属材料如陶瓷或石英的脆性，使得在切割和测试时必须谨慎，以防止碎裂。

2. 分析目标

(1) 金相组织观察

主要用於观察晶粒大小、晶界及相变化，这对於理解材料的物理性质和预测其性能至关重要。

(2) 金相缺陷检测

包括检测孔洞、夹杂物和裂缝等缺陷，这些缺陷可能会影响材料的整体性能和可靠性。

(3) 热处理效果评估

检测材料经过热处理後的金相组织变化，以确保材料达到所需的性能标准。

(4) 硬度测试

测量样品局部区域的硬度，这是金相前处理评估材料耐磨性和强度的基本方法。

(5) 结构分析

包括镀层分析与焊点评估，作为材料验收和制程控制的依据，确保材料符合规范和性能要求。

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在选择合适的夹具时，样品的形状、大小和材质特性是金相前处理关键考量因素。以下是针对这些因素的详细评估：

1.样品形状与大小

(1)标准夹具

大多数样品可以使用标准夹具进行夹持，这些夹具设计用於常见的形状和尺寸。例如，标准的夹具通常能够夹持规则的几何形状，如圆柱体或方形物件。

(2)特殊形状

对於形状不规则或特殊的样品，可能需要客制化的夹具。这类夹具可以根据样品的具体形状进行设计，以确保稳定的夹持力和安全性。例如，某些夹具可以调整其形状以适应不同的样品轮廓。

2.材质特性

(1)材质影响

金相前处理样品的材质特性（如硬度、脆性和弹性）也会影响夹具的选择。对於较软的材料，如橡胶或某些塑料，夹具的设计需要考虑到不对材料造成损伤的需求。相对地，对於较脆的材料，如陶瓷或石英，切割时则须注意样品的保护，必要时可於样品夹持面增加矽胶作保护，避免因夹持力道过大，而造成样品碎裂。

(2)客制化夹具的必要性

在某些情况下，金相前处理样品的尺寸过小或形状过於复杂，标准夹具无法提供足够的支持，这时候客制化夹具就显得尤为重要。这些夹具可以根据样品的具体需求进行设计，确保在切割、研磨或测试过程中不会出现位移或损坏。

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金相切割是金相前处理的第一步。这一过程的主要目的是将材料样品切割成具有代表性的尺寸和形状，以便於後续的金相组织观察和分析。金相切割的关键在於避免在过程中引入热影响或机械变形，这些变形可能会改变金属或非金属材料的金相微观结构，所以选用金相切割机需谨慎搭配合适的金相切割片。

1.金相切割设备操作的金相前处理步骤

(1)打开上盖。

(2)夹持样品并确认样品是否夹紧。如果前处理样品没有夹紧，切割过程中，电流会变得不稳定，严重的话，可能会造成砂轮片破片。

(3)关闭上盖，启动切削液开关，进行冷却。切削液的主要功用，一是让样品有润滑功能，避免切割过程中，样品表面过热，另一个则是可以保护机台，避免机台生锈。

(4)进行切割，并於切割过程中，观察电流的稳定性。若是电流不稳，则有可能是前处理样品未夹紧，或切割片不适合该材质。

(5)切割完成，开始退刀，大部分的自动机台会自行停机并关闭切削液。

(6)确认机台和切削液都有关闭并停止，打开上盖，取出工件。

2.金相切割方式-精密切割

精密切割是通过使用氧化铝磨料和碳化矽磨料进行切割，这种方法能够最大限度地减少切割过程中的变形。精密切割技术的特点包括：

(1)准确度

能够达到微米级的切割精度，适合高价值或相对高精度要求的材料样品，如电子元件和医疗器械。

(2)多样化的切割工具

常用的金相切割工具包括氧化铝刀片和碳化矽刀片，根据金属和非金属材料特性选择合适的耗材，以确保切割质量。

(3)应用范围广泛

金相前处理中的精密切割技术被广泛应用於半导体、电子元件、金属和非金属材料等多个行业，特别是在需要高精度和细致加工的场合。

3.金相切割方式-钻石切割

钻石切割是针对非常硬的材料而设计的技术，使用钻石作为切割材料，能够提供极高的金相切割精度。其特点包括：

(1)极高的切割精度

钻石切割技术能够在加工脆性材料（如硬质合金或陶瓷）时，提供优异的切割效果，减少材料的损耗。

(2)适用於高硬度材料

由於钻石的硬度，这种金相切割技术特别适合用於难以处理的金属或非金属的前处理材料，并能够实现复杂形状的切割。

(3)各种不同外观尺寸的夹具

夹具更换便利，可依样品外观形状、尺寸及特性，选择合适的金相前处理夹具，增加使用弹性。

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金相镶嵌技术主要分为热镶嵌和冷镶嵌两种方法，主要是将切割好的金属或非金属前处理样品包裹在固化材料中，以提供其在後续金相研磨和抛光过程中的稳定性。这一过程保护了金相前处理样品的边缘和表面，防止研磨和抛光时的损坏，尤其是对於形状不规则或脆性的前处理样品来说，金相镶嵌是至关重要的。

1. 热镶嵌特点

金相热镶嵌技术使用热固性树脂，如压克力或电木粉，通过加热和加压的方式将金属前处理样品嵌入树脂中。

热镶嵌的特点包括：

(1)稳定性

金相热镶嵌能够提供稳定且边缘清晰的前处理样品。金属前处理样品在树脂中固定後，能够有效防止在金相前处理加工过程中出现的变形或损坏。

(2)适用范围

金相热镶嵌适合於大多数金属材料，特别是那些不易受热影响的前处理样品。金相热镶嵌的高压和高温环境能够确保树脂充分渗透到样品的微细孔隙中，增强其整体稳定性。要注意树脂或电木粉是否变质，否则可能导致金相热镶嵌失败。

(3)制程效率

金相热镶嵌通常需要较短的时间来完成，并且能够在一次操作中达到良好的成型效果，这对於提高实验室的工作效率非常重要。

2.热镶嵌设备操作的金相前处理步骤

(1)清洁前处理样品，避免样品表面有油污或其他的杂质。

(2)打开机台上锁盖，并确认有完全转到底。

(3)上升下模头。

(4)放置前处理样品，需确认样品在模具管内留有间隙。如果样品尺寸跟模具管大小太密合的话，可能会造成样品边缘包覆不完整，并刮伤模具管。

(5)下降下模头

(6)缓慢倒入电木粉或压克力粉。

(7)盖上机台上锁盖，并确认有完全锁到底。

(8)开始金相热镶嵌动作，大部分的机台具有自动加热及冷却的功能，少部分机台需手动控制。

(9)金相热镶嵌结束，确认样品有确实冷却，避免因冷却水未开，而造成样品未冷却而烫到手。

(10)取出金相热镶嵌样品。

3.冷镶嵌特点

金相冷镶嵌技术在金相前处理中，使用冷固性树脂，如环氧树脂，适合那些对热敏感或形状不规则的非金属材料。

冷镶嵌特点包括：

(1)避免热应力

金相冷镶嵌不需要加热，这样可以避免在金相前处理的镶嵌过程中引入热应力，从而保护非金属样品的微观结构，特别是对於脆性材料来说，这一点尤为重要。

(2)操作简便

金相冷镶嵌的过程相对简单，只需将非金属样品放入模具中，倒入混合好的树脂和硬化剂，静置硬化即可。这使得金相冷镶嵌成为一种高效且易於操作的选择。

(3)适用性广

金相冷镶嵌适用於多种非金属材料，特别是那些在高温下可能变形或损坏的金相前处理样品，例如某些电子元件或复杂形状的非金属材料。

4.冷镶嵌设备操作的金相前处理步骤

(1)清洁前处理样品，避免样品表面有油污或其他的杂质。

(2)将前处理样品放入矽胶模具内。

(3)沿纸杯边缘缓慢倒入环氧树脂与硬化剂，若倒的速度太快，容易产生很多气泡。

(4)依相同方向及速度，将环氧树脂与硬化剂搅拌混合，搅拌方向与速度尽量维持一致，避免产生过多的气泡。

(5)将搅拌过後的环氧树脂，沿矽胶模具边缘缓慢倒入矽胶模具内，假如倒的速度太快，容易产生很多气泡。若使用高流速环氧树脂时，可透过真空镶嵌机，将环氧树脂沿矽胶模具边缘，缓慢抽取至矽胶模具内。

(6)使用高流速环氧树脂时，可透过真空镶嵌机进行抽真空，减少样品内部的气泡。

(7)等待环氧树脂硬化後，取出前处理样品。

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金相研磨主要目的是将金相镶嵌好的金相前处理样品表面进行研磨，使其表面平整光滑，为後续的显微观察做准备。

金相研磨过程通常分为粗磨与细磨，以下为粗磨与细磨两个阶段说明：

1. 粗磨

在金相研磨的粗磨阶段，使用较粗的磨料进行初步研磨，目的是去除金属或非金属的前处理样品表面的不规则性和较大缺陷。这一阶段的特点包括：

(1)去除材料

粗磨能够有效去除金属或非金属样品表面的多余材料，为後续的细磨打下基础。

(2)使用工具

通常使用粗粒度的碳化矽磨料或钻石磨料，这些磨料的颗粒较大，能够快速去除表面不平整的部分。

2. 细磨

在金相研磨的细磨阶段，进一步提高前处理样品表面的光滑度，通常使用细粒度的磨料。这一阶段的特点包括：

(1)表面光滑

细磨能够去除粗磨阶段留下的微小划痕，使金属或非金属样品表面达到更高的平整度和光滑度。

(2)磨料选择

选择细粒度的碳化矽磨料或钻石磨料，这些磨料能够提供更精细的金相前处理研磨效果。

3.自动研磨设备操作的金相前处理步骤

重点在依照样品材质特性，选取合适的水砂纸，从粗到细，依序研磨。

(1)先进行粗磨程序，将研磨盘用湿，放上水砂纸，并将盘面快速甩乾，使水砂纸稳固附在研磨盘上。

(2)将O型环固定在水砂纸上面，开水湿润水砂纸表面。

(3)抬起夹持前处理样品的研磨头。

(4)将镶嵌好的样品，放到支撑盘上面，并放下研磨头。

(5)启动开始开关，由0 rpm开始，缓慢调整盘面转速至指定速度。

(6)研磨结束，抬起夹持前处理样品的研磨头。

(7)取出前处理样品後，用水清洁样品表面，并以吹风机烘乾表面，若样品未确实清洁，可能造成不同番数的水砂纸交叉污染，而影响抛光结果。

(8)依上述流程，进行下一道细磨程序，粗磨与细磨的差别在於水砂纸番数不同，其余步骤大致相同。

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1.金相抛光目的

金相抛光能够去除金相前处理样品表面的微小划痕和不平整，使金属样品表面光滑如镜。镜面效果能够清晰显示前处理样品的微观结构，便於分析其内部的相分布、晶界和夹杂物。

2.一般抛光步骤

通过合理的金相抛光步骤，可以确保金属或非金属样品表面达到最佳的光滑度和光泽度。一般抛光通常使用较粗的磨料去除表面较大的缺陷和划痕，一般抛光主要设备操作的金相前处理步骤如下：

(1)依不同的抛光需求，选择合适的抛光绒布。

(2)抬起夹持前处理样品的研磨头。

(3)抛光绒布上喷洒合适的抛光液。

(4)将研磨好的样品，放到支撑盘上面，并放下研磨头。

(5)启动开始开关，由0 rpm开始，缓慢调整盘面转速至指定速度。

(6)抛光过程中，需注意绒布是否过於乾燥，若过於乾燥时，需适时补充抛光液。

(7)抛光结束，抬起夹持前处理样品的研磨头，并清洁绒布表面。

(8)取出样品後，用水清洁样品表面，并以吹风机烘乾表面，若样品未确实清洁，可能造成不同番数的抛光液交叉污染，而影响观察结果。

 

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1. 最终抛光重点说明

最终抛光在金相前处理步骤中，通常会搭配多孔性的抛光皮与二氧化矽使用。抛光皮的多孔结构可以吸收抛光液、磨料，确保材料表面保持适当的润滑。孔隙能帮助磨料均匀分布在抛光表面，避免局部过度研磨。

胶态二氧化矽悬浮液是一种极细颗粒的抛光材料，粒度范围通常在0.04um左右。由於二氧化矽的颗粒形状近似球形，且硬度低於氧化铝，因此非常适合用於软质与韧性材料的最终抛光步骤。

在化学机械抛光（CMP）过程中，二氧化矽悬浮液的pH值通常在8.5至11之间，这种pH范围有助於在最终抛光过程中实现材料的化学去除。这种化学与机械相结合的抛光方法，尤其适合於硅晶圆及金属/陶瓷复合材料的处理，能够在减少表面变形的同时提升抛光效果。

使用二氧化矽悬浮液在最终抛光过程时，必须特别注意抛光布的清洁，防止悬浮液在布上乾燥，因为乾燥的二氧化矽会导致抛光布表面结晶，从而引起样品表面刮痕。使用後可以通过用水冲洗抛光布来避免这一问题。

2.最终抛光设备操作的金相前处理步骤

(1)将抛光绒布更换成抛光皮。

(2)抬起夹持前处理样品的研磨头

(3)将一般抛光好的样品，放到支撑盘上面，并放下研磨头。

(4)启动开始开关，由0 rpm开始，缓慢调整盘面转速至指定速度。

(5)最终抛光过程中，需注意抛光皮是否过於乾燥，若过於乾燥时，需适时补充抛光液。

(6)抛光结束，打开冷却水，以较慢的转速转动抛光盘，清洁样品表面及抛光皮表面。最终抛光流程结束後，必须使用清水清洁抛光皮表面，若未确实清洁，二氧化矽乾掉後，会在抛光皮表面结晶体而影响下次最终抛光结果。

(7)取出样品後，以吹风机烘乾表面，进行後续的观察。

 

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在金相前处理中，腐蚀是揭露样品内部结构的重要步骤，能够使显微镜观察更清晰地呈现不同的金相组织或微观特徵。最终抛光後的样品，使用腐蚀液加以腐蚀，使样品达到可以观察的目的。

腐蚀要注意的金相前处理三个关键重点步骤，在於腐蚀方法选择、腐蚀时间控制、腐蚀过程观察与应变动作。

1.腐蚀方法选择-化学腐蚀液与电解腐蚀

执行金相前处理的腐蚀动作时，每种金属或合金需要不同的腐蚀剂来突出其微观结构，必须根据样品材质选择合适的腐蚀剂（例如：硝酸酒精溶液、盐酸溶液等）。

常见腐蚀液如：

低碳钢、碳钢：硝酸+酒精混合（Nital），苦味酸+酒精混合（Picral）。

不锈钢：草酸或硫酸腐蚀。

铜合金：铁氯化物溶液。

对於某些难以用化学腐蚀法处理的材料，可以使用电解腐蚀法。

这种方法利用微弱的电流使不同相之间的腐蚀程度不同，从而显示出金相组织结构。

2.腐蚀时间控制

将经过金相前处理的最终抛光的样品浸入腐蚀液中，通常需短时间控制腐蚀（数秒到数分钟不等）。

腐蚀所需的时间没有固定标准，通常样品开始腐蚀後，需要依据对应材质的腐蚀时间，每隔数秒到数分钟不等反覆取出需要观察的前处理样品表面，检查是否已显露出所需的晶粒结构。

3.腐蚀过程观察与应变动作

腐蚀的深浅程度应根据观察的显微镜放大率和前处理样品的材料特性来调整，高倍观察时应选择较浅的腐蚀，而低倍观察则可选择较深的腐蚀。

一旦前处理样品变色为彩虹色或灰黑色，则立即停止腐蚀，并用蒸馏水或酒精冲洗样品，防止残留的腐蚀液继续作用。

若前处理样品的晶粒结构清晰，立即停止腐蚀，一样用蒸馏水或酒精冲洗样品，再用吹风机或不含油渍的压缩空气吹乾，避免水痕影响观察。

若无法立即观察，建议涂上保护剂以减少氧化或污染风险。

 

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在金相前处理步骤中，显微镜技术能够帮助研究人员观察和分析金属材料或非金属材料的宏观与微观结构。根据不同的观察需求和前处理样品特徵，常用的显微镜工具主要包括光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）。

这两种显微镜各具特点，简介如下：

1.光学显微镜

光学显微镜是观察金属和合金前处理样品的基本工具，具有以下特点：

(1)宏观结构观察

在低放大倍数下，光学显微镜能够展示金属前处理样品的金相宏观结构，帮助研究人员快速了解金属材料的整体特徵。

(2)金相组织分析

在高放大倍数下，光学显微镜能够观察细微的金相组织结构，这对於分析金属晶粒、相结构、裂纹和夹杂物等至关重要。

(3)反射光观察

光学显微镜主要利用反射光来观察经过抛光和腐蚀後的金属前处理样品表面，这使得其在金相分析中非常有效，能够清晰显示样品的金相表面特徵和缺陷。

光学显微镜的操作相对简单，且成本较低，适合於多种材料的观察和分析，广泛应用於材料科学、工程和生物学等领域。

2.扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜（SEM）是一种高分辨率的显微镜，适合於观察金相前处理过程中，金属或非金属样品的微观金相结构细节，其特点包括：

(1)高分辨率

SEM能够提供比光学显微镜更高的分辨率，能够清晰显示前处理样品的微观形貌和组织特徵，特别适合分析非常细小的金相结构，如次微米级别的夹杂物、孔隙和晶界。

(2)电子束扫描

SEM通过电子束扫描金属或非金属材料表面，生成高分辨率的图像。这一过程能够揭示前处理样品的表面特徵和金相内部结构，并提供丰富的形貌信息。

(3)多功能性

SEM不仅可以进行形貌观察，还能进行元素分析，这使得它在材料科学和失效分析中具有重要的应用价值。

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金相前处理与金相分析早已渗透至大部分产业领域，如航空航太的极端环境材料评估、汽车工业的疲劳寿命分析、电子元件的焊接品质控制，以及建筑材料的耐腐蚀性检测。在这些高精密应用中，透过金相前处理与金相分析对材料微观结构的深入观察，能准确解析晶粒界面、夹杂物与焊接缺陷的分布。每一个微小瑕疵的发现，都可能避免产品的失效，甚至能避免产品出问题而影响人身安全的灾难性後果。

金相技术的深远意义不仅在於保障产品质量，更是产业竞争力的根基。随着制造工艺的不断创新，从高硬度钻石精密切割到精密热冷镶嵌工艺，每一项技术的突破都拓展了材料分析的边界，让原本无法探测的微观世界得以呈现。这不仅加速了新材料开发的进程，还赋予科学家更大的自由度，为未来的材料创新铺路。

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