作者刘杰慧，四川仁寿人，现成都工业学院材料与环境工程学院讲师，负责《金属学及热处理》、《材料分析测试技术》、《热处理综合实验》、《材料物理性能》等课程的教学工作。曾获得校“师德标兵”、“优秀教师”荣誉称号；从2017年至今参加全国大学生金相大赛，担任过大赛的现场评委和评分室评委。
纯粹的金相制样看起来非常简单，就是磨光、拋光、腐蚀，最后在显微镜下观察。任何人只要愿意学，应该都能学会，所以金相大赛似乎是一个门槛非常低的比赛。但是，要制备出满足观察条件 (表面平整)、能准确反映材料真实组织的金相试样就很难。
初学者大多会把样品磨成多个面，俗称“钻石面”。这样的磨面在显微镜下是无法观察的。同时，在制备过程中也需要理论知识来支撑。磨光并不是随便磨就可以了，必须要把握合适的频率、力度。频率太快，会造成试样温度的升高，一般的黑色金属没有太大的问题，但一些有色金属就容易氧化，从而导致材料组织在制备时发生改变。在保证试样表面磨光平整的基础上，力量要均衡，力度要适中，减少变形层。制样的每个步骤，不得有任何疏忽，一旦出错，在显微镜下就相当于是把缺陷放大观察，做得好不好一目了然。
2017年是我校首次参加金相大赛。在出发前一周，同学突然发现20钢材料抛光后观察没有划痕，但一腐蚀马上肉眼就能看到划痕，显微镜下一看则是一系列粗直划痕。又过了两天，三位选手都反映时不时会出现这样的情况。这可是以往校赛和平时训练从来都没有的现象啊。我立刻自己制备了一个样品，却没有他们这种情况，作为指导老师的我始终不得其解。
后来经邵甄胰老师带领，我们有幸到西南交大同王良辉老师和他们的学生交流。说到这一问题的时候，王老师说可能是我们练到一个瓶颈了，只要过了这个瓶颈，就没问题了。可是怎么才能过这个瓶颈呢？离比赛还有2天，我虽然着急，但还是沉着下来，一边查询文献，一边仔细观察思考。回忆西南交大的学生制样 —— 他们最后一张砂纸是1200号，而我们要用到2000号最细的砂纸，可效果为什么还不如他们呢？
通过对比，我发现学生制样的整个过程中，他们在粗砂纸上磨光的力量大，而细砂纸的磨光力量特别小。文献中说到，力量大可能在磨痕下方造成深层次的损伤层。我恍然大悟，原来是力量的过度与砂纸的过度不匹配，磨光变形层部分保留，即使后续的抛光已将表面抛成镜面，但内部的原子依然错排，能量高，易腐蚀，从而这些划痕在腐蚀后得以重现。就好像人被硬物撞到，表皮没问题，但第二天就发青发紫了，这是人受了内伤，和材料的内伤，道理是一样的。
2018年，比赛的样品新增了纯铁的制备。这是高难度的一个样品，迄今还在使用。高难度的主要原因是纯铁硬度相当低，但却不能有一丝划痕；铁素体要整体白亮色，晶界还要干净连续。
平时，学生的问题要么是铁素体干净但有划痕，要么就没有划痕却出现灰白块，两种情况都是我们不想要的。我多次自己制样也遇到过这些问题，尤其是第二种情况偏多。这一年，我们再次来到西南交大学习交流，一方面换个场地看我们的学生是否适应，一方面想看看他们的学生是否也有存在这些问题。果不其然，他们也有这样的问题，王老师还特意自己制备了一个样品，没有灰白块，但抛光时间不够，所以划痕还在。
这个问题直到比赛前夕我们都没有很好的解决，来到全国比赛的观摩室观看其他学校的情况，也是问题百出，灰白块情况数不胜数，有的甚至很像45钢的组织 (F+P)，只有少数几个学校能制备出真实的正确的组织。但这至少说明灰白块问题是可以解决的。回校以后，黄小娜老师马上联系电子科技大学的师兄，我们想在电子显微镜下观察那些灰白块到底是什么，遗憾的是分析结果主要还是铁元素，其他都测不出来,这条路子断了.....
开学后，我给学生上材料分析课，讲到XRD的应用部分，其中一项就是XRD可以分析材料的残余应力。我灵机一动，让参加比赛的学生重新制备样品，分析比对，结果真的有发现：原来金相制备过程中会产生残余压应力。在残余压应力和腐蚀的共同的作用下，处于软取向的、变形较大的晶粒优先被腐蚀，腐蚀后晶粒内部容易出现凹凸不平。这些区域可以通过机械力或吸收力吸附抛光残留物或腐蚀残留物，最终导致样品受到污染，进而呈现出灰白块晶粒。
2018年、2019年的比赛样品中还有球铁。材料中含有石墨，训练过程中总是出现一团花，不能体现其真实的组织。后来仔细观察学生的操作，终于发现其腐蚀器皿中有水渗入。因为材料含碳量高 (属于铸铁)，一旦与水接触马上锈蚀，从而出现花斑。
每年都会在制样过程中遇到新问题，2020年也不例外。这一年虽然没有新增样品，但新的问题却是一点没比原来少。首先是相同牌号的钢，因为生产厂家不同，原来的制备方法却完全不适用；石墨球的周围总是有一圈不应该有的边线；纯铁晶粒内部总是有晶内短直细划痕，而不是往常那种贯穿整个视场的粗大划痕，球铁的大部分石墨球总是无法抛光干净而呈现石墨原色......。这都是往届学生很少出现的问题，但是凭着老师、学生的共同努力，终于找到原因所在，所有问题最终得以突破。
这里要特别提到陆艳红老师。有一次她反复实验，竟然忘记了吃中午饭，直到下午3点才离开实验室。可以想象整个金相团队能每次获得优异成绩，这背后是付出了多少的努力，其间的故事真是说也说不完。
总之，整个金相制样过程需要有认真细致的工作态度、熟练过硬的技术技能并具备常规材料的基本理论知识。这里只列举了四年以来我们所遇到的最为棘手的问题，其实在训练过程中还有其他各种因素带来的组织图像质量问题。遇到这些问题的时候，一开始学生是一张白纸，不知道组织是否正确，因为图像问题有时候与材料有关，有时候与同学操作方法有关，所以需要老师帮助他们分析，最终找到解决的方案。慢慢的，有的同学有了足够的材料知识，在制备过程中又有敏锐的洞察能力、对比分析能力，遇到问题的时候，会自己分析自己解决问题。
日复一日，年复一年，培训工作每年都要针对不同的学生，郭海华老师建设性的意见 (如每年让写学生写总结、让学生录制视频等) 使得金相团队少走了许多弯路，金相之路得以顺利传承。
整个金相大赛是理论与实践的结合，以赛促学，学做合一。金相制备是一个精益求精的过程，需要细心观察，静心琢磨。上千次的制样，使同学们具有了足够的耐心和毅力，意志得到磨炼；实践过程中，学生分析问题和解决问题的能力得到提升；多次的模拟比赛，也让他们的心理素质得到提升；整个团队团结合作，善于沟通，学生的综合素质高。四年以来，我校不管参加省级比赛还是国家级比赛，成绩都是名列前茅，原因就在于培训过程中学生和老师的不懈努力和一届又一届的传承。