本文为北京工业大学宗斌、王二平、魏建中、艾茹等4位老师在2008年第十二届体视学与图像分析学术会议上交流的一篇论文。经作者同意，本公众号予以全文转载，期望对参加金相大赛的师生们有所启发。原作者温馨提示：本人属个人观点，请谨慎参考。
金相技术包括试样制备、组织显示、在显微镜下观察研究及拍摄金相照片等四步[1]。其中，试样制备过程包括试样的截取、镶嵌、磨光及抛光等四个步骤。现在，国内的常规磨光过程由于经济条件的限制，依然是以机械磨光方式为主。国内最常见的一类磨光机械是M-2型预磨机[2]。机械磨光方式存在的一个问题是：一般难以定量判定在磨光过程中具体每一道砂纸的工序是否已经完成，只好通过尽可能多的操作时间来估计。这就大大降低了工作效率。本文通过分析磨削速度与磨粒尺寸的关系、砂纸粒度与损伤层的关系、选择合适的砂纸组合、磨光过程中具体操控的技术规范要求、试样截取时产生的损伤层深度与初道砂纸的磨削量关系等，阐述了实际工作中如何充分依靠理论对实践的指导作用，提高金相样品制备的质量、效率。现在，当提到磨削速度与磨粒尺寸的关系时，图1 (a) 所示的磨削速度与磨粒尺寸的关系曲线[1,3]是经常会见到的。一般认为，当磨粒尺寸超过40~50 μm时，磨削速度不再明显增大。所以，粗磨时并不是砂纸越粗就磨得越快，相反，砂纸越粗，总的损伤层深度增大，反而得不偿失。并认为，这对于我们在选择磨光时的初道砂纸的粒度的考虑具有指导意义。
图1 磨削速度与磨粒尺寸的关系
但是，我们在实际工作中会直接感触到：200号水砂纸 (粒度大于60μm) 的磨削速度明显大于400号的水砂纸；而150号水砂纸的磨削能力比200号更好。这与上述的观点似乎大相径庭。仔细分析后，我们注意到，图1 (a) 的曲线是在自动制样机上以一定的材质、磨面面积、磨粒类型、磨盘转速及工作压力等状态参数条件下获得的。如果其他条件不变，而压力在一定范围内的增加会提高砂纸的磨削能力也是得到大家认可的。所以，更完整、准确的磨削速率与磨粒尺寸的关系曲线应当是如图1(b) 所示；一般，在合理的压力范围内 (不损坏砂粒与纸基的结合强度为前提)，随着压力的增大，磨削速率会提高。因此，在机械磨光过程中，由于粗砂纸与试样之间的作用力比较大，同时，不可忽略的还有操作者的心理作用，操作者会自然而然地增大压力以便稳定操控试样；这样就出现了砂纸越粗，操作者施加的压力会有所增大，自然会提高磨削速率。当然，单纯考虑磨削速率的话，对于一定尺寸的磨粒，在适当的范围内施加压力越大，磨光速率越大，同时，对损伤层深度的影响却不大[1]。可是，如果考虑操作者用手控制试样平衡的难易程度，还是应当考虑施加适当的、较小的压力为宜。不然，出现磨面的歪斜或多个面的话，反而降低了效率、效果。另外，砂纸的磨削速度的考量决不是表面上的简单，实际涉及到砂纸的粒度、压力、样品的材质以及砂纸的新旧程度的诸多因素的影响。一般讲，机械磨光时，通过合理增加试样上的压力，可以有效提高磨光过程中在每一道砂纸上的磨削速率，提高工作效率。同时，根据磨削速度与磨粒尺寸的关系，我们可以确认首道砂纸粒度的选择。初道砂纸的作用主要是消除切割造成的表面不平整以及内部损伤层，当然，如果试样表面的不平整度过大，可以考虑首先在砂轮上整平，再从150或者200号砂纸开始磨光。随着现代先进取样设备的出现，有的试样切割后产生的表面损伤已经很小，而且平整，这种情况下可以根据实际情况选取较细的砂纸作为起始磨光的选择，通常，200号开始比较恰当。很多资料推荐从粒度220或者280粗细的砂纸开始，相对粒度为140的200号水砂纸来讲，效率会低不少。判断200号砂纸的目的是否达到了，需要首先知道试样截取时产生的损伤层深度，这与初道砂纸必需的磨削量密切相关。常用的机械切割方法中，手锯和砂轮片切割对试样产生的损伤层最大，而用同一种切割方法，材料越软产生的损伤层越大。例如：用砂轮切割电镀铜将产生250μm的变形层，而切割不锈钢则变形层不到100μm。手锯切割黄铜将产生900μm的变形层[1]。由此，我们基本可以断定，在一般情况下，常见的黑色金属利用最常见的砂轮片切割样品的话，造成的损伤层绝对低于100μm。只有在明确取样造成的损伤层被初道砂纸完全去除后，才可以进行后续的磨光步骤；其磨光效果的好坏，决定着磨光过程的效率，也决定着后续抛光效果甚至腐蚀结果的好坏。不过，磨光过程需要多种不同砂粒粒度的砂纸的配合使用才能实现磨光的目的。如何选择一组不同粒度的砂纸组合，同时，如何判定每道砂纸磨光的效果，我们还需要再了解一下砂纸粒度与试样表面损伤层之间的关系。机械磨光过程中，砂纸在产生表面宏观可见划痕的同时，根据砂纸粒度不同，还将对试样表面造成不同深度的内部变形层。划痕深度与变形层深度的总合，构成表面损伤层的总深度。具体变化规律，国外技术人员利用自动磨光机上在压力保持一定时得出的结果如图2所示[1,3]。
图2表示的损伤层深度随磨粒尺寸而变化的规律，划痕残留深度和变形层深度的总和构成表面损伤层的总深度以量化的概念出现。由图2可知，压力一定时，划痕的深度将随磨粒尺寸的增大而直线增加；而变形层的深度，只在一定范围内受到磨粒尺寸的严重影响。当磨粒直径小于40μm时，随着磨粒尺寸的加大，变形层迅速加深；当磨粒直径大于40μm之后，变形层深度的变化趋于缓和。对于一定粒度的砂粒会造成怎样的划痕深度，从图2中的数值看，似乎与一般的想象相差甚远。比如，常用的200号水砂纸的粒度尺寸的平均值是60μm，在样品表面仅仅会造成5μm左右的宏观划痕深度。那么，实际情况如何，我们通过实验来比较直观地了解一下。我们确定多人参与实验，材料选择了退火态的45钢，在M-2型预磨机上使用200号“帆船”牌水砂纸进行磨光操作，划痕沿一个方向分布。然后，沿垂直于200号水砂纸磨面的截面进行了样品制备，采用表面贴片保护再镶嵌的方式后，由磨光直至抛光；在光学显微镜下进行了划痕深度的测量。结果，随操作者不同、砂纸的新旧程度、在砂纸上停留时间的长短及施加压力的大小等诸多因素的影响下，200号水砂纸造成的可见宏观划痕深度在3~12μm之间，比较集中的范围是5~7μm。由图3中的金相照片可以很直观地看出划痕的平均深度范围（图中右侧是45钢，左侧是镶嵌材料；微小波浪形的边缘是磨光面的横截面形态）。因此，图2所显示数值的准确程度基本是可信的。
这样，在进一步明确了砂纸粒度与损伤层的关系，且明白了每道砂纸作用于试样表面造成的损伤层深度的基本量化数据后，实际操作的技术规范就比较好确定了。当然，需要说明的是，对于不同材质、磨光参数，图2所表示的具体数值恐怕是不能全部涵盖的；机械磨光对材料造成的损伤总深度的具体数值会随技术条件、参数变化而产生一定范围的波动。但是，划痕深度、变形层深度及总的损伤层深度的比例关系是具有共通性的。(2) 砂纸的组合以及磨光过程中具体操控的技术规范在了解了砂纸粒度与磨削速率、损伤层深度之间的关系后，如何在一定的砂纸组合的前提下，设计出一个包括定量标准的操作规范，对于实际的磨光过程是具有价值的。根据掌握的资料，人们普遍认为，以彻底消除上一级砂纸留下的划痕和变形层为每级砂纸的磨削量，为此，磨光中常以增加转向次数和磨光时间[1]来实现，希望在最终磨面上仅留下最后一级砂纸产生的划痕和变形层。不过，这样的说法非常模糊，没有一个可以评判的定量标准。我们希望在实际磨光过程中找到一个方便控制的定量因素，便于在磨光过程中避免盲目地增加转向次数和磨光时间，实现在最终磨面上仅留下最后一级砂纸产生的划痕和变形层深度(或与之相当)，并且工作效率更高的目的。我们实验室使用的是天津生产的“帆船牌”水砂纸，其砂纸编号、粒度号以及粒度尺寸参看表1。根据图2，我们可以这样分析，一般情况下，在200号砂纸上磨光，消除因截取试样产生的损伤层后，将在磨面上留下约4μm深的磨痕和约15μm深的变形层，即约19μm的损伤层总深度。后续选用编号为400号、600号、800号的砂纸组合，每道砂纸，在消除了上一级砂纸留下的划痕后，自身形成的划痕保持同一方向后，即可进行下一道砂纸的磨光；将200、400、600号三道砂纸的划痕深度累积起来近似作为表面去除的总深度。根据表1中砂纸编号与磨粒尺寸的关系再对照图2可知，后续三道砂纸总的去除深度为9μm；这样，经过200号砂纸磨光的试样的约19μm的损伤层总深度，再经过400、600、800号砂纸磨光后仅保留了10μm左右。实际上，磨光过程中往往由于操作者不可能控制的刚刚好，所以总是会超额磨削一些的，所以，每道砂纸实际磨削量比理论磨削量大得多；因此，200号水砂纸造成的损伤层总深度的保留必定远小于10μm。而同时，即使按照一般原则，每一道砂纸的磨削量以消除前一道砂纸的全部损伤层来考虑的话，最终的800号砂纸，会在试样表面留下12μm左右的损伤层总深度。这说明，原来的原则造成了过多的时间、材料上的浪费。因为，当200号砂纸去除了切割对样品造成的损伤后，后续砂纸磨光的目的，仅仅是去除200号砂纸产生的过深的损伤罢了，但是，还是要留下无法避免的一定的损伤，留待抛光来进一步去除。两相比较，我们可以确立一个原则：在一道砂纸上，如果彻底消除了上一级砂纸的划痕，并且自身的划痕保持一致后，不再多次转动方向继续磨光或延长磨光时间，而是结束本级砂纸磨光，立即更换更细的砂纸开始后续的磨光操作。这样，一套砂纸配合磨光后的结果完全可以满足我们的要求，即，试样表面将仅仅存在最后一道砂纸 (比如800号砂纸) 应当存在的损伤层深度，或者与之相当。上述原则，实际上给出了操作者可以明确控制的定量标准。同时，钢铁试样的一般磨光操作，从磨削速率和产生损伤层深度的情况，根据图1、图2及表1的实际参数，针对我们具体使用的水砂纸的品牌、规格，通常选用编号为200、400、600以及800号的砂纸组合是比较恰当的选择，随后即可进入后面的抛光阶段 (对于较软的样品，也可以最终磨光至1000号，甚至，更细的砂纸)。另外，磨削速率还与样品在磨盘上的位置有关。越靠磨盘边缘，单位时间内的磨削速率越高；因为边缘的线速度比靠近中心部位快，样品承受的磨削距离更长，单位时间内失重 (尺寸减薄) 会更多。所以，在设备、操作人员技术水平以及样品情况综合考虑的前提下，磨光过程中，尽可能靠近磨盘的边缘位置可以提高效率。但是，如果设备、技术熟练程度达不到要求的话，不要这样；否则，平衡掌握不好反而得不偿失。同时，靠外缘砂纸部分出现陈旧后，其磨削速率会低于靠近中心砂纸磨面上的磨削速率 (既要保证效率，还要考虑到充分利用砂纸的磨面)。至此，需要说明的是，我们的看法与一般金相技术书籍中所说“…每更换一次砂纸，完全去除上一道砂纸磨痕还不够；必须把上一道的变形层去掉。”的说法有所不同。其实，在标准中有一段话可能大家都没有特别留意，即：从粗砂纸到细砂纸，每换一次砂纸时，试样均需转90度角与旧磨痕成垂直方向，向一个方向磨至旧磨痕完全消失，新磨痕均匀一致时为止[4]。标准中虽然并没有明确这是一个定量的标准，不过，通过本文上述的分析，可以明确。选择200号砂纸作为第一道磨光的砂纸，再配合400、600以及800号砂纸进行后续的磨光，然后即可进入抛光阶段；除了第一道砂纸外，在每一道砂纸上，一般只要划痕方向一致，上一道砂纸的划痕消失了，就可以更换更细的砂纸磨光，以此作为一个定量的判定标准，不必耗费更多的时间、精力。我们的分析、试验，得到的效果比较满意，在专业技术课程《光学技术分析》中采用后，同学们在磨光过程中的效果得到了很大的提高，进而也对毕业设计过程起到了积极的帮助。可以说，对于课程建设、同学的技能培养都发挥了一定的作用。[1] 沈桂琴．光学金相技术[M]．北京：航空航天大学出版社，1992．[2] 韩德伟，张建新．金相试样制备与显示技术[M]．长沙：中南大学出版社，2005.[3] 张德堂．钢中非金属夹杂物鉴别[M]．北京：国防工业出版社，1991．[4] GB/T13298-1991，金属显微组织检验方法[S]．
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