金相前處理步驟 【2025】｜3分鐘入門到精通

金相前處理步驟，透過需求評估、夾具選擇、切割、鑲埋(熱鑲埋或冷鑲埋)、研磨-粗磨、研磨-細磨、一般拋光、最終拋光、腐蝕、顯微分析，展現材料微觀結構，協助品質管控與失效分析，提升產品可靠性。

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在金相前處理的材料測試中，精準的需求評估對於提升製程效率和減少錯誤至關重要。不同材料的特性和測試需求會影響其前處理方式，透過這些需求評估，企業能夠更有效地選擇合適的材料和金相前處理細節測試方法，從而提升生產效率和產品質量。

 

以下是金相前處理對各類材料及其測試需求的詳細分析：

1. 材料種類

(1) 金屬材料

包括鋼鐵、銅合金、鋁合金等。這些材料在金相前處理測試時需特別考慮其硬度和延展性。硬度測試可以評估材料的耐磨性和強度，這對於確保材料在實際應用中的性能至關重要。

(2) 非金屬材料

如陶瓷和塑膠等，這些材料在金相前處理過程中需要避免產生裂縫或變形。非金屬材料如陶瓷或石英的脆性，使得在切割和測試時必須謹慎，以防止碎裂。

2. 分析目標

(1) 金相組織觀察

主要用於觀察晶粒大小、晶界及相變化，這對於理解材料的物理性質和預測其性能至關重要。

(2) 金相缺陷檢測

包括檢測孔洞、夾雜物和裂縫等缺陷，這些缺陷可能會影響材料的整體性能和可靠性。

(3) 熱處理效果評估

檢測材料經過熱處理後的金相組織變化，以確保材料達到所需的性能標準。

(4) 硬度測試

測量樣品局部區域的硬度，這是金相前處理評估材料耐磨性和強度的基本方法。

(5) 結構分析

包括鍍層分析與焊點評估，作為材料驗收和製程控制的依據，確保材料符合規範和性能要求。

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在選擇合適的夾具時，樣品的形狀、大小和材質特性是金相前處理關鍵考量因素。以下是針對這些因素的詳細評估：

1.樣品形狀與大小

(1)標準夾具

大多數樣品可以使用標準夾具進行夾持，這些夾具設計用於常見的形狀和尺寸。例如，標準的夾具通常能夠夾持規則的幾何形狀，如圓柱體或方形物件。

(2)特殊形狀

對於形狀不規則或特殊的樣品，可能需要客製化的夾具。這類夾具可以根據樣品的具體形狀進行設計，以確保穩定的夾持力和安全性。例如，某些夾具可以調整其形狀以適應不同的樣品輪廓。

2.材質特性

(1)材質影響

金相前處理樣品的材質特性（如硬度、脆性和彈性）也會影響夾具的選擇。對於較軟的材料，如橡膠或某些塑料，夾具的設計需要考慮到不對材料造成損傷的需求。相對地，對於較脆的材料，如陶瓷或石英，切割時則須注意樣品的保護，必要時可於樣品夾持面增加矽膠作保護，避免因夾持力道過大，而造成樣品碎裂。

(2)客製化夾具的必要性

在某些情況下，金相前處理樣品的尺寸過小或形狀過於複雜，標準夾具無法提供足夠的支持，這時候客製化夾具就顯得尤為重要。這些夾具可以根據樣品的具體需求進行設計，確保在切割、研磨或測試過程中不會出現位移或損壞。

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金相切割是金相前處理的第一步。這一過程的主要目的是將材料樣品切割成具有代表性的尺寸和形狀，以便於後續的金相組織觀察和分析。金相切割的關鍵在於避免在過程中引入熱影響或機械變形，這些變形可能會改變金屬或非金屬材料的金相微觀結構，所以選用金相切割機需謹慎搭配合適的金相切割片。

1.金相切割設備操作的金相前處理步驟

(1)打開上蓋。

(2)夾持樣品並確認樣品是否夾緊。如果前處理樣品沒有夾緊，切割過程中，電流會變得不穩定，嚴重的話，可能會造成砂輪片破片。

(3)關閉上蓋，啟動切削液開關，進行冷卻。切削液的主要功用，一是讓樣品有潤滑功能，避免切割過程中，樣品表面過熱，另一個則是可以保護機台，避免機台生銹。

(4)進行切割，並於切割過程中，觀察電流的穩定性。若是電流不穩，則有可能是前處理樣品未夾緊，或切割片不適合該材質。

(5)切割完成，開始退刀，大部分的自動機台會自行停機並關閉切削液。

(6)確認機台和切削液都有關閉並停止，打開上蓋，取出工件。

2.金相切割方式-精密切割

精密切割是通過使用氧化鋁磨料和碳化矽磨料進行切割，這種方法能夠最大限度地減少切割過程中的變形。精密切割技術的特點包括：

(1)準確度

能夠達到微米級的切割精度，適合高價值或相對高精度要求的材料樣品，如電子元件和醫療器械。

(2)多樣化的切割工具

常用的金相切割工具包括氧化鋁刀片和碳化矽刀片，根據金屬和非金屬材料特性選擇合適的耗材，以確保切割質量。

(3)應用範圍廣泛

金相前處理中的精密切割技術被廣泛應用於半導體、電子元件、金屬和非金屬材料等多個行業，特別是在需要高精度和細緻加工的場合。

3.金相切割方式-鑽石切割

鑽石切割是針對非常硬的材料而設計的技術，使用鑽石作為切割材料，能夠提供極高的金相切割精度。其特點包括：

(1)極高的切割精度

鑽石切割技術能夠在加工脆性材料（如硬質合金或陶瓷）時，提供優異的切割效果，減少材料的損耗。

(2)適用於高硬度材料

由於鑽石的硬度，這種金相切割技術特別適合用於難以處理的金屬或非金屬的前處理材料，並能夠實現複雜形狀的切割。

(3)各種不同外觀尺寸的夾具

夾具更換便利，可依樣品外觀形狀、尺寸及特性，選擇合適的金相前處理夾具，增加使用彈性。

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金相鑲埋技術主要分為熱鑲埋和冷鑲埋兩種方法，主要是將切割好的金屬或非金屬前處理樣品包裹在固化材料中，以提供其在後續金相研磨和拋光過程中的穩定性。這一過程保護了金相前處理樣品的邊緣和表面，防止研磨和拋光時的損壞，尤其是對於形狀不規則或脆性的前處理樣品來說，金相鑲埋是至關重要的。

1. 熱鑲埋特點

金相熱鑲埋技術使用熱固性樹脂，如壓克力或電木粉，通過加熱和加壓的方式將金屬前處理樣品嵌入樹脂中。

熱鑲埋的特點包括：

(1)穩定性

金相熱鑲埋能夠提供穩定且邊緣清晰的前處理樣品。金屬前處理樣品在樹脂中固定後，能夠有效防止在金相前處理加工過程中出現的變形或損壞。

(2)適用範圍

金相熱鑲埋適合於大多數金屬材料，特別是那些不易受熱影響的前處理樣品。金相熱鑲埋的高壓和高溫環境能夠確保樹脂充分滲透到樣品的微細孔隙中，增強其整體穩定性。要注意樹脂或電木粉是否變質，否則可能導致金相熱鑲埋失敗。

(3)製程效率

金相熱鑲埋通常需要較短的時間來完成，並且能夠在一次操作中達到良好的成型效果，這對於提高實驗室的工作效率非常重要。

2.熱鑲埋設備操作的金相前處理步驟

(1)清潔前處理樣品，避免樣品表面有油污或其他的雜質。

(2)打開機台上鎖蓋，並確認有完全轉到底。

(3)上升下模頭。

(4)放置前處理樣品，需確認樣品在模具管內留有間隙。如果樣品尺寸跟模具管大小太密合的話，可能會造成樣品邊緣包覆不完整，並刮傷模具管。

(5)下降下模頭

(6)緩慢倒入電木粉或壓克力粉。

(7)蓋上機台上鎖蓋，並確認有完全鎖到底。

(8)開始金相熱鑲埋動作，大部分的機台具有自動加熱及冷卻的功能，少部分機台需手動控制。

(9)金相熱鑲埋結束，確認樣品有確實冷卻，避免因冷卻水未開，而造成樣品未冷卻而燙到手。

(10)取出金相熱鑲埋樣品。

3.冷鑲埋特點

金相冷鑲埋技術在金相前處理中，使用冷固性樹脂，如環氧樹脂，適合那些對熱敏感或形狀不規則的非金屬材料。

冷鑲埋特點包括：

(1)避免熱應力

金相冷鑲埋不需要加熱，這樣可以避免在金相前處理的鑲埋過程中引入熱應力，從而保護非金屬樣品的微觀結構，特別是對於脆性材料來說，這一點尤為重要。

(2)操作簡便

金相冷鑲埋的過程相對簡單，只需將非金屬樣品放入模具中，倒入混合好的樹脂和硬化劑，靜置硬化即可。這使得金相冷鑲埋成為一種高效且易於操作的選擇。

(3)適用性廣

金相冷鑲埋適用於多種非金屬材料，特別是那些在高溫下可能變形或損壞的金相前處理樣品，例如某些電子元件或複雜形狀的非金屬材料。

4.冷鑲埋設備操作的金相前處理步驟

(1)清潔前處理樣品，避免樣品表面有油污或其他的雜質。

(2)將前處理樣品放入矽膠模具內。

(3)沿紙杯邊緣緩慢倒入環氧樹脂與硬化劑，若倒的速度太快，容易產生很多氣泡。

(4)依相同方向及速度，將環氧樹脂與硬化劑攪拌混合，攪拌方向與速度盡量維持一致，避免產生過多的氣泡。

(5)將攪拌過後的環氧樹脂，沿矽膠模具邊緣緩慢倒入矽膠模具內，假如倒的速度太快，容易產生很多氣泡。若使用高流速環氧樹脂時，可透過真空鑲埋機，將環氧樹脂沿矽膠模具邊緣，緩慢抽取至矽膠模具內。

(6)使用高流速環氧樹脂時，可透過真空鑲埋機進行抽真空，減少樣品內部的氣泡。

(7)等待環氧樹脂硬化後，取出前處理樣品。

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金相研磨主要目的是將金相鑲埋好的金相前處理樣品表面進行研磨，使其表面平整光滑，為後續的顯微觀察做準備。

金相研磨過程通常分為粗磨與細磨，以下為粗磨與細磨兩個階段說明：

1. 粗磨

在金相研磨的粗磨階段，使用較粗的磨料進行初步研磨，目的是去除金屬或非金屬的前處理樣品表面的不規則性和較大缺陷。這一階段的特點包括：

(1)去除材料

粗磨能夠有效去除金屬或非金屬樣品表面的多餘材料，為後續的細磨打下基礎。

(2)使用工具

通常使用粗粒度的碳化矽磨料或鑽石磨料，這些磨料的顆粒較大，能夠快速去除表面不平整的部分。

2. 細磨

在金相研磨的細磨階段，進一步提高前處理樣品表面的光滑度，通常使用細粒度的磨料。這一階段的特點包括：

(1)表面光滑

細磨能夠去除粗磨階段留下的微小劃痕，使金屬或非金屬樣品表面達到更高的平整度和光滑度。

(2)磨料選擇

選擇細粒度的碳化矽磨料或鑽石磨料，這些磨料能夠提供更精細的金相前處理研磨效果。

3.自動研磨設備操作的金相前處理步驟

重點在依照樣品材質特性，選取合適的水砂紙，從粗到細，依序研磨。

(1)先進行粗磨程序，將研磨盤用濕，放上水砂紙，並將盤面快速甩乾，使水砂紙穩固附在研磨盤上。

(2)將O型環固定在水砂紙上面，開水濕潤水砂紙表面。

(3)抬起夾持前處理樣品的研磨頭。

(4)將鑲埋好的樣品，放到支撐盤上面，並放下研磨頭。

(5)啟動開始開關，由0 rpm開始，緩慢調整盤面轉速至指定速度。

(6)研磨結束，抬起夾持前處理樣品的研磨頭。

(7)取出前處理樣品後，用水清潔樣品表面，並以吹風機烘乾表面，若樣品未確實清潔，可能造成不同番數的水砂紙交叉汙染，而影響拋光結果。

(8)依上述流程，進行下一道細磨程序，粗磨與細磨的差別在於水砂紙番數不同，其餘步驟大致相同。

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1.金相拋光目的

金相拋光能夠去除金相前處理樣品表面的微小劃痕和不平整，使金屬樣品表面光滑如鏡。鏡面效果能夠清晰顯示前處理樣品的微觀結構，便於分析其內部的相分佈、晶界和夾雜物。

2.一般拋光步驟

通過合理的金相拋光步驟，可以確保金屬或非金屬樣品表面達到最佳的光滑度和光澤度。一般拋光通常使用較粗的磨料去除表面較大的缺陷和劃痕，一般拋光主要設備操作的金相前處理步驟如下：

(1)依不同的拋光需求，選擇合適的拋光絨布。

(2)抬起夾持前處理樣品的研磨頭。

(3)拋光絨布上噴灑合適的拋光液。

(4)將研磨好的樣品，放到支撐盤上面，並放下研磨頭。

(5)啟動開始開關，由0 rpm開始，緩慢調整盤面轉速至指定速度。

(6)拋光過程中，需注意絨布是否過於乾燥，若過於乾燥時，需適時補充拋光液。

(7)拋光結束，抬起夾持前處理樣品的研磨頭，並清潔絨布表面。

(8)取出樣品後，用水清潔樣品表面，並以吹風機烘乾表面，若樣品未確實清潔，可能造成不同番數的拋光液交叉汙染，而影響觀察結果。

 

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1. 最終拋光重點說明

最終拋光在金相前處理步驟中，通常會搭配多孔性的拋光皮與二氧化矽使用。拋光皮的多孔結構可以吸收拋光液、磨料，確保材料表面保持適當的潤滑。孔隙能幫助磨料均勻分佈在拋光表面，避免局部過度研磨。

膠態二氧化矽懸浮液是一種極細顆粒的拋光材料，粒度範圍通常在0.04um左右。由於二氧化矽的顆粒形狀近似球形，且硬度低於氧化鋁，因此非常適合用於軟質與韌性材料的最終拋光步驟。

在化學機械拋光（CMP）過程中，二氧化矽懸浮液的pH值通常在8.5至11之間，這種pH範圍有助於在最終拋光過程中實現材料的化學去除。這種化學與機械相結合的拋光方法，尤其適合於硅晶圓及金屬/陶瓷複合材料的處理，能夠在減少表面變形的同時提升拋光效果。

使用二氧化矽懸浮液在最終拋光過程時，必須特別注意拋光布的清潔，防止懸浮液在布上乾燥，因為乾燥的二氧化矽會導致拋光布表面結晶，從而引起樣品表面刮痕。使用後可以通過用水沖洗拋光布來避免這一問題。

2.最終拋光設備操作的金相前處理步驟

(1)將拋光絨布更換成拋光皮。

(2)抬起夾持前處理樣品的研磨頭

(3)將一般拋光好的樣品，放到支撐盤上面，並放下研磨頭。

(4)啟動開始開關，由0 rpm開始，緩慢調整盤面轉速至指定速度。

(5)最終拋光過程中，需注意拋光皮是否過於乾燥，若過於乾燥時，需適時補充拋光液。

(6)拋光結束，打開冷卻水，以較慢的轉速轉動拋光盤，清潔樣品表面及拋光皮表面。最終拋光流程結束後，必須使用清水清潔拋光皮表面，若未確實清潔，二氧化矽乾掉後，會在拋光皮表面結晶體而影響下次最終拋光結果。

(7)取出樣品後，以吹風機烘乾表面，進行後續的觀察。

 

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在金相前處理中，腐蝕是揭露樣品內部結構的重要步驟，能夠使顯微鏡觀察更清晰地呈現不同的金相組織或微觀特徵。最終拋光後的樣品，使用腐蝕液加以腐蝕，使樣品達到可以觀察的目的。

腐蝕要注意的金相前處理三個關鍵重點步驟，在於腐蝕方法選擇、腐蝕時間控制、腐蝕過程觀察與應變動作。

1.腐蝕方法選擇-化學腐蝕液與電解腐蝕

執行金相前處理的腐蝕動作時，每種金屬或合金需要不同的腐蝕劑來突出其微觀結構，必須根據樣品材質選擇合適的腐蝕劑（例如：硝酸酒精溶液、鹽酸溶液等）。

常見腐蝕液如：

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

不銹鋼：草酸或硫酸腐蝕。

銅合金：鐵氯化物溶液。

對於某些難以用化學腐蝕法處理的材料，可以使用電解腐蝕法。

這種方法利用微弱的電流使不同相之間的腐蝕程度不同，從而顯示出金相組織結構。

2.腐蝕時間控制

將經過金相前處理的最終拋光的樣品浸入腐蝕液中，通常需短時間控制腐蝕（數秒到數分鐘不等）。

腐蝕所需的時間沒有固定標準，通常樣品開始腐蝕後，需要依據對應材質的腐蝕時間，每隔數秒到數分鐘不等反覆取出需要觀察的前處理樣品表面，檢查是否已顯露出所需的晶粒結構。

3.腐蝕過程觀察與應變動作

腐蝕的深淺程度應根據觀察的顯微鏡放大率和前處理樣品的材料特性來調整，高倍觀察時應選擇較淺的腐蝕，而低倍觀察則可選擇較深的腐蝕。

一旦前處理樣品變色為彩虹色或灰黑色，則立即停止腐蝕，並用蒸餾水或酒精沖洗樣品，防止殘留的腐蝕液繼續作用。

若前處理樣品的晶粒結構清晰，立即停止腐蝕，一樣用蒸餾水或酒精沖洗樣品，再用吹風機或不含油漬的壓縮空氣吹乾，避免水痕影響觀察。

若無法立即觀察，建議塗上保護劑以減少氧化或污染風險。

 

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在金相前處理步驟中，顯微鏡技術能夠幫助研究人員觀察和分析金屬材料或非金屬材料的宏觀與微觀結構。根據不同的觀察需求和前處理樣品特徵，常用的顯微鏡工具主要包括光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）。

這兩種顯微鏡各具特點，簡介如下：

1.光學顯微鏡

光學顯微鏡是觀察金屬和合金前處理樣品的基本工具，具有以下特點：

(1)宏觀結構觀察

在低放大倍數下，光學顯微鏡能夠展示金屬前處理樣品的金相宏觀結構，幫助研究人員快速了解金屬材料的整體特徵。

(2)金相組織分析

在高放大倍數下，光學顯微鏡能夠觀察細微的金相組織結構，這對於分析金屬晶粒、相結構、裂紋和夾雜物等至關重要。

(3)反射光觀察

光學顯微鏡主要利用反射光來觀察經過拋光和腐蝕後的金屬前處理樣品表面，這使得其在金相分析中非常有效，能夠清晰顯示樣品的金相表面特徵和缺陷。

光學顯微鏡的操作相對簡單，且成本較低，適合於多種材料的觀察和分析，廣泛應用於材料科學、工程和生物學等領域。

2.掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）是一種高分辨率的顯微鏡，適合於觀察金相前處理過程中，金屬或非金屬樣品的微觀金相結構細節，其特點包括：

(1)高分辨率

SEM能夠提供比光學顯微鏡更高的分辨率，能夠清晰顯示前處理樣品的微觀形貌和組織特徵，特別適合分析非常細小的金相結構，如次微米級別的夾雜物、孔隙和晶界。

(2)電子束掃描

SEM通過電子束掃描金屬或非金屬材料表面，生成高分辨率的圖像。這一過程能夠揭示前處理樣品的表面特徵和金相內部結構，並提供豐富的形貌信息。

(3)多功能性

SEM不僅可以進行形貌觀察，還能進行元素分析，這使得它在材料科學和失效分析中具有重要的應用價值。

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金相前處理與金相分析早已滲透至大部分產業領域，如航空航太的極端環境材料評估、汽車工業的疲勞壽命分析、電子元件的焊接品質控制，以及建築材料的耐腐蝕性檢測。在這些高精密應用中，透過金相前處理與金相分析對材料微觀結構的深入觀察，能準確解析晶粒界面、夾雜物與焊接缺陷的分佈。每一個微小瑕疵的發現，都可能避免產品的失效，甚至能避免產品出問題而影響人身安全的災難性後果。

金相技術的深遠意義不僅在於保障產品質量，更是產業競爭力的根基。隨著製造工藝的不斷創新，從高硬度鑽石精密切割到精密熱冷鑲埋工藝，每一項技術的突破都拓展了材料分析的邊界，讓原本無法探測的微觀世界得以呈現。這不僅加速了新材料開發的進程，還賦予科學家更大的自由度，為未來的材料創新鋪路。

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