各種金屬材料經熱處理後,其金屬組織和機械性質會發生變化。要正確評估材料,必須根據工業規格進行確實的結晶粒度分析。
在此介紹利用解決以往的結晶粒度分析中的課題及自動算出工業規格粒度編號的4K數位顯微鏡應用案例。

金屬組織結晶粒度分析中之工業規格與定量評估

金屬材料的機械性質和結晶粒度

金屬材料廣泛使用於汽車、基礎設備到建築物、電機、電子元件等產業。種類繁多,必須視用途、目的,選擇合適的金屬材料。例如汽車車體和引擎零件所使用的金屬材料,所需的機械性質大為不同。此外鐵和鋁等純金屬與合金等的金屬材料種類,掌握熱處理後改變的金屬組織和機械性質十分重要。

金屬組織是由許多「結晶粒」構成,是具結晶結構的「多晶體」。結晶粒和結晶粒之間有原子排列混亂的領域,其境界就是「結晶晶界」。
即使相同金屬/合金,經過熱處理後,結晶粒將視其原子的成長排列成特定圖案,形成不同於處理前的結晶晶界。隨著結晶粒粒度(結晶粒度)改變,機械性質也會改變。因此熱處理改變的材料結晶粒度,是評估機械性質時的重要要素。

利用結晶粒度分析的金屬組織評估方法

分析金屬組織的結晶粒度,有助於檢查與評估金屬材料的機械性質是否符合目的。一般會先準備金屬組織樣本進行「粒度分析」,用金相顯微鏡調查結晶粒度和結晶粒分布。

結晶粒度的分析有各種規格。例如美國依據ASTM E112-13「Standard Test Methods for Determining Average Grain Size」規格實施。
多數情形下,結晶粒的分析採用「比較法」目測檢查。一般根據以下方法推斷結晶粒度。

使用標準圖的目測比較
目測比較用顯微鏡放大的樣本金屬組織和「標準圖」,推定結晶粒度的粒度編號。
鋼的沃斯田鐵結晶粒度標準圖(100×)
粒度編號1
粒度編號1
粒度編號2
粒度編號2
粒度編號3
粒度編號3
粒度編號4
粒度編號4
粒度編號5
粒度編號5
粒度編號6
粒度編號6
粒度編號7
粒度編號7
粒度編號8
粒度編號8
使用十字線的目測比較
將插入粒度圖案影像的「目鏡用十字線」,用於金相顯微鏡中,將放大的樣本和標準圖同時放入視野,目測比較。
目測比較使用的金相顯微鏡的目鏡用十字線
目測比較使用的金相顯微鏡的目鏡用十字線
何謂「粒度」、「粒徑」
表示結晶粒大小時,除了「粒度」還可用「粒徑」表示。一般「粒度」是用以工業規格為基準的標準圖的「粒度編號」表示。「粒徑」則用結晶粒的直徑表示。
此外結晶粒的粒度越大(粒徑越小),金屬材料的機械性質通常就越佳。

結晶粒度分析的課題

以往的金相顯微鏡進行比較法的粒度分析,有如下的課題。

  • 使用標準圖或十字線的粒度分析,因為是目測比較,檢查講究熟練度。並且會因觀察人員不同產生人為誤差,無法進行定量評估。
  • 在金相顯微鏡上安裝CAMERA時,只能儲存金屬組織的影像。無法取得拍攝到目鏡用十字線像的比較影像,有交點比較、分析的問題。
  • 最後將分析結果寫在紙上或輸入電腦,費時費工還有輸入錯誤的風險。

利用結晶粒度量測的粒度分析定量化、效率化

解決以往金相顯微鏡進行粒度分析的各種課題,以不需仰賴檢查人員熟練度的簡單操作進行結晶粒度的正確分析、量測,這就是KEYENCE的超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」。

「VHX系列」採用高解析度HR鏡頭和4K CMOS、獨創設計的觀察、量測系統。除高解析度4K影像,還配備次微米級的2D、3D量測、自動計算符合工業規格的粒度編號等,整合金屬組織粒度分析的必要功能。
擁有直關式操作的使用者介面,及無關使用者熟練度的簡單操作。

在此介紹利用結晶粒度分析、量測、定量評估的「VHX系列」應用案例。

利用結晶粒度量測功能的工業規格定量評估

4K數位顯微鏡「VHX系列」可用高解析度的放大影像,自動算出符合「ASTM E112-13」等工業規格的「粒度編號」。此外可由「交點數」和「補足結晶粒數」,選擇符合金屬材料的量測方法。

目測比較時,當結晶粒大小很難明確劃分到某一個粒度編號時,就會產生人為誤差。
如果是「VHX系列」,可透過正確量測定量導出粒度編號。

4K數位顯微鏡「VHX系列」的金屬組織結晶粒度之自動量測
800×
800×

不容易被金屬組織樣本研磨狀態影響

樹脂鑲埋樣本的觀察面不平坦時,以往的顯微鏡受限於景深限制,只能進行部分對焦。
4K數位顯微鏡「VHX系列」透過「即時景深合成」功能,即使是表面有傾斜或凹凸的樹脂鑲埋樣本,也能快速取得對樣本觀察面整體全幅對焦的高解析度影像。

4K數位顯微鏡「VHX系列」的金屬組織結晶粒度量測
一般
一般
景深合成
景深合成
透過景深合成觀察金屬組織樣本
透過景深合成觀察金屬組織樣本

輕鬆取得大視野、高解析度影像

以往使用高倍率、高解析度進行拍攝,會因為視野狹小,很難辨識拍攝的樣本部位,成為作業效率低下的原因。

4K數位顯微鏡「VHX系列」的「影像連接功能」,一鍵按下,即可自動控制載物台連續拍攝。高速且無偏移的連接最高50000 × 50000畫素的影像。實現有效率的觀察。

以往的課題:高解析度但視野狹小
以往的課題:高解析度但視野狹小
利用4K數位顯微鏡「VHX系列」的影像連接之大視野影像
用影像連接功能自動控制載物台,可在高倍率、高解析度下進行大範圍拍攝
用影像連接功能自動控制載物台,可在高倍率、高解析度下進行大範圍拍攝

1台即可完成金屬組織觀察和粒度分析

超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」還配備許多助於金屬材料的觀察、分析、檢查的功能。
不受金屬表面反射影響的「消除光暈」功能、選擇放大影像即可進行次微米級高精度量測的2D、3D量測等,顛覆以往數位顯微鏡概念的多功能性,以及簡單的操作性。
此外「VHX系列」可安裝Excel,將放大影像與量測值自動輸入的「報告功能」。只要1台數位顯微鏡即可輕鬆完成一連串作業,大幅提升作業效率。

有關「VHX系列」的詳細說明,請下載型錄,或洽詢KEYENCE。