球墨铸铁金相实验中石墨形态检测方法及操作规范

球墨铸铁因石墨呈球状分布，显著提升了强度、韧性及抗疲劳性能，广泛应用于汽车、机械、市政等领域。石墨形态是评估球墨铸铁质量的核心指标——球状石墨比例越高、圆整度越好，材料性能越优；若出现蠕虫状、片状或团絮状石墨，会大幅降低力学性能。因此，金相实验中准确检测石墨形态是保证球墨铸铁件可靠性的关键环节。本文围绕球墨铸铁金相实验的核心流程，详细阐述石墨形态检测的具体方法及操作规范，为实验室检测提供可落地的技术指导。

试样制备：检测的基础环节

试样制备的质量直接影响石墨形态的观察结果，需严格遵循“代表性、无损伤、表面平整”三大原则。首先是取样——需从铸件的关键受力部位截取样品，如发动机缸体的缸筒部位、井盖的承重筋处，避免选取浇冒口、飞边或缩松区域，这些部位的石墨组织不具备本体代表性。切割时应采用冷切割方式，如线切割机（切割速度2-5mm/min）或带水冷却的砂轮切割机，防止切割热导致石墨氧化烧蚀或基体组织相变。

切割后的试样需进行镶嵌处理，以方便后续研磨抛光。热镶嵌适用于大多数试样，选用酚醛树脂作为镶嵌材料，温度控制在160-170℃，压力4MPa，保温8分钟——温度过高会使树脂碳化，形成黑色杂质附着在试样表面；压力不足则镶嵌体易出现孔隙。冷镶嵌则用于对热敏感的试样（如含铝、镁的球墨铸铁），使用环氧树脂与固化剂按10:1比例混合，搅拌均匀后倒入硅橡胶模，室温固化24小时，确保镶嵌体无气泡。

研磨环节需从粗到细逐步进行：先用240目碳化硅砂纸去除切割痕迹，施加均匀压力（约10N），每磨30秒转动试样90度，避免出现定向划痕；接着用400目、800目砂纸依次研磨，每换一道砂纸需将试样清洗干净（用清水加洗洁精超声清洗1分钟），防止粗砂纸的颗粒带入细砂纸环节。最后用1200目砂纸研磨至表面无明显划痕，此时试样表面粗糙度应小于Ra0.2μm。

抛光是试样制备的最后一步，目的是获得镜面效果。机械抛光采用呢绒抛光布，抛光液为氧化铝悬浮液（粒度0.5μm），转速控制在200-300r/min，压力约5N，抛光时间3-5分钟。抛光过程中需不断添加抛光液，保持布面湿润，避免干抛导致试样表面发热。抛光完成后，用无水乙醇冲洗试样，并用吹风机冷风吹干，确保表面无水分或抛光液残留。

常用检测方法：金相显微镜与图像分析结合

金相显微镜法是石墨形态检测的经典方法，操作简便且成本低。首先对试样进行腐蚀：将抛光后的试样浸入4%硝酸酒精溶液（硝酸4ml+无水乙醇96ml），腐蚀时间根据试样碳含量调整——碳含量3.5%以下的试样腐蚀15-20秒，碳含量3.5%以上的腐蚀20-30秒。腐蚀完成后，用清水冲洗20秒，再用无水乙醇脱水，最后用吹风机吹干。

观察时，将试样放在金相显微镜的载物台上，调整光源亮度至均匀（避免强光导致石墨反光），选用100倍物镜（适用于石墨尺寸较大的试样）或200倍物镜（适用于石墨尺寸较小的试样）。按照GB/T 9441-2020的要求，随机选取5个非重叠视场，每个视场面积不小于10mm²（可通过显微镜的视场光阑调整）。观察要点包括：石墨的形状（球状、团絮状、蠕虫状或片状）、圆整度（球状石墨的圆度用长轴与短轴的比值表示，应大于0.8）、分布状态（是否均匀分布在基体中，无聚集或偏析）。

图像分析法是金相显微镜法的补充，可提高检测的准确性和效率。常用软件有Image-Pro Plus、NIS-Elements等，操作步骤如下：首先用显微镜连接的数码相机采集清晰的视场图像（分辨率不低于1920×1080像素），确保图像无反光、无畸变；然后用软件的“阈值分割”功能区分石墨与基体（石墨为黑色，基体为灰色），调整阈值范围至石墨轮廓完整；接着计算石墨的球化率（球状石墨面积占总石墨面积的比例）、平均尺寸（所有石墨颗粒的等效直径平均值）、分布密度（单位面积内的石墨颗粒数量）。

需要注意的是，图像分析法需与人工验证结合——软件可能将团絮状石墨误判为球状，因此需人工检查每个视场的图像，修正软件的错误识别。例如，团絮状石墨虽然呈聚集状，但每个颗粒的圆整度低于球状石墨，长轴与短轴的比值大于0.6但小于0.8，需手动调整其分类。

石墨形态分类：依据标准的特征识别

石墨形态的分类需严格遵循GB/T 9441-2020《球墨铸铁金相检验》，该标准将石墨形态分为四大类：球状石墨（SG）、团絮状石墨（CG）、蠕虫状石墨（VG）、片状石墨（FG）。

球状石墨是球墨铸铁的理想形态，特征为：颗粒呈圆球状，圆整度高（长轴/短轴≤1.3），表面光滑无明显棱角，直径一般在10-100μm之间。在显微镜下观察，球状石墨的轮廓清晰，与基体的边界分明，无分支或粘连。

团絮状石墨是球状石墨的变异形态，特征为：多个石墨颗粒聚集在一起，形成团状结构，但每个颗粒仍保持一定的圆整度（长轴/短轴≤1.5）。团絮状石墨通常由球化不良或孕育不足导致，其力学性能比球状石墨低10%-20%。

蠕虫状石墨（又称vermicular graphite）是介于球状与片状之间的形态，特征为：颗粒呈长条形，末端圆钝，长轴/短轴比值在1.5-5之间，表面有轻微褶皱。蠕虫状石墨会导致材料的韧性大幅下降，主要由球化剂加入量不足或铁水温度过高引起。

片状石墨是球墨铸铁的缺陷形态，特征为：颗粒呈不规则片状，边缘锋利，长轴/短轴比值大于5，有的甚至形成网状结构。片状石墨会严重降低材料的强度和韧性，通常由球化处理失败或铁水受污染导致。

操作关键控制点：避免检测误差的核心

试样表面质量是关键——若试样表面有划痕、凹陷或抛光液残留，会遮挡石墨轮廓，导致误判。因此，研磨抛光后需用金相显微镜低倍（10倍）观察表面，确保无明显划痕；若有划痕，需重新用1200目砂纸研磨后再抛光。

腐蚀时间的控制至关重要——欠腐蚀会导致石墨与基体的对比度不足，无法清晰观察石墨形态；过腐蚀则会使石墨边缘被腐蚀，形成“假球状”或“假蠕虫状”。解决方法是：先取一个试样做“试腐蚀”，腐蚀10秒后观察，若对比度不足则延长5秒，直至石墨轮廓清晰。

观察环境的稳定性也需注意——显微镜的光源亮度应保持均匀，避免直射光导致石墨反光；载物台需保持水平，防止试样滑动；观察者的眼睛应适应光线（观察前先闭眼睛30秒），避免视觉疲劳导致误判。

视场选择的随机性是保证结果代表性的关键——不能只选择石墨形态好的区域，需用“网格法”选取视场：将试样表面划分为10×10的网格，随机选取5个网格交点对应的视场，确保覆盖试样的整个表面。

常见误差来源及规避策略

误差来源一：取样不具代表性。例如，从铸件的非关键部位取样，导致检测结果无法反映本体质量。规避方法：严格按照GB/T 2975-2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》选取试样，对于复杂铸件，需绘制取样位置图并记录。

误差来源二：研磨抛光不到位。例如，粗砂纸的划痕未完全去除，导致观察时将划痕误判为片状石墨。规避方法：每道砂纸研磨后，用肉眼观察表面，确保无定向划痕；抛光后用酒精擦拭表面，检查是否有抛光液残留。

误差来源三：腐蚀不当。例如，硝酸酒精溶液浓度过高（如6%），导致石墨边缘腐蚀严重。规避方法：定期校准腐蚀液浓度，用比重计测量硝酸酒精的密度（4%硝酸酒精的密度约为0.81g/cm³）。

误差来源四：图像分析软件的误识别。例如，将团絮状石墨误判为球状石墨，导致球化率虚高。规避方法：每批试样检测时，选取3个视场进行人工计数，与软件结果对比，若误差超过5%，需调整软件的阈值参数。

结果记录规范：确保可追溯性

检测结果的记录需详实、准确，符合实验室质量管理体系的要求。记录内容应包括：试样编号（与铸件编号一致）、取样位置（如“发动机缸体缸筒部位，距上端面50mm处”）、检测日期、检测人员（签字）、检测设备（显微镜型号、软件版本）、放大倍数（100×或200×）、视场数量（5个）、石墨形态分类（如“主要为球状石墨，含少量团絮状石墨”）、球化率（如“92%”）、石墨平均尺寸（如“45μm”）、异常情况（如“试样边缘有少量片状石墨”）。

记录需采用纸质或电子文档（如Excel表格），电子文档需加密存储，防止篡改。对于不合格试样（如球化率低于85%），需附加异常分析报告，说明可能的原因（如球化剂加入量不足、铁水温度过高）及改进措施（如增加球化剂加入量、降低铁水温度至1450℃以下）。

此外，记录需保留至少3年（或根据客户要求延长），以便后续质量追溯。例如，若铸件在使用中出现断裂，可通过检测记录查看当时的石墨形态，分析断裂原因是否与石墨形态有关。