金相學(xué)——簡(jiǎn)介

如何揭示金屬和合金的微觀結(jié)構(gòu)特征

本文概述了金相學(xué)和金屬合金的表征。不同的顯微鏡技術(shù)用于研究合金微觀結(jié)構(gòu)，即晶粒、相、夾雜物等的微觀結(jié)構(gòu)。 金相學(xué)是從了解合金微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能影響的需要發(fā)展而來(lái)的。所獲得的知識(shí)可用于合金材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造。

什么是金相學(xué)？

金相學(xué)是研究所有類(lèi)型金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)。它可以更準(zhǔn)確地定義為觀察和確定金屬合金中晶粒、成分、夾雜物或相的化學(xué)和原子結(jié)構(gòu)以及空間分布的科學(xué)學(xué)科。通過(guò)擴(kuò)展，這些相同的原理可以應(yīng)用于任何材料的表征。

不同的技術(shù)被用來(lái)揭示金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征。大多數(shù)研究都是在明場(chǎng)模式下使用入射光顯微鏡進(jìn)行的，但其他不太常見(jiàn)的對(duì)比技術(shù)，如暗場(chǎng)或微分干涉對(duì)比 (DIC)，以及顏色（色調(diào)）蝕刻的使用正在擴(kuò)大光學(xué)顯微鏡在金相應(yīng)用中的范圍。

金屬材料的許多重要的宏觀特性對(duì)微觀結(jié)構(gòu)高度敏感。關(guān)鍵的機(jī)械性能，如拉伸強(qiáng)度或伸長(zhǎng)率，以及其他熱或電性能，與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系在材料的開(kāi)發(fā)和制造中起著關(guān)鍵作用，是金相學(xué)的最終目標(biāo)。

正如我們今天所知，金相學(xué)在很大程度上歸功于 19 世紀(jì)科學(xué)家 Henry Clifton Sorby 的貢獻(xiàn)。他在謝菲爾德（英國(guó)）的現(xiàn)代鋼鐵制造方面的開(kāi)創(chuàng)性工作突出了微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的這種密切聯(lián)系。正如他在生命的最后階段所說(shuō)：“早期，如果發(fā)生鐵路事故，我建議公司拿起一條鐵路并用顯微鏡檢查，我會(huì)被視為適合送去精神病院的人。但這就是現(xiàn)在正在做的……”

傳統(tǒng)而重要

連同顯微鏡技術(shù)的新發(fā)展，以及最近在計(jì)算的幫助下，金相學(xué)已成為過(guò)去一百年來(lái)科學(xué)和工業(yè)進(jìn)步的寶貴工具。

使用光學(xué)顯微鏡在金相學(xué)中建立的一些微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間最早的相關(guān)性包括：

隨著晶粒尺寸的減小，屈服強(qiáng)度和硬度普遍增加

具有細(xì)長(zhǎng)晶粒和/或優(yōu)選晶粒取向的各向異性機(jī)械性能

隨著夾雜物含量的增加，延展性降低的總體趨勢(shì)

夾雜物含量和分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率（金屬）和斷裂韌性參數(shù)（陶瓷）的直接影響

失效起始點(diǎn)與材料不連續(xù)性或微觀結(jié)構(gòu)特征（如第二相顆粒）的關(guān)聯(lián)

通過(guò)檢查和量化材料的微觀結(jié)構(gòu)，可以更好地了解其性能。因此，金相學(xué)幾乎用于部件生命周期的所有階段：從最初的材料開(kāi)發(fā)到檢查、生產(chǎn)、制造過(guò)程控制，甚至在需要時(shí)進(jìn)行故障分析。金相學(xué)原理有助于確保產(chǎn)品的可靠性。

珠光體灰色鑄鐵形貌圖

一種既定直觀的方法

分析材料的微觀結(jié)構(gòu)有助于確定材料是否已正確加工，因此通常是許多行業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題。正確的金相檢驗(yàn)的基本步驟包括：取樣、試樣制備（切片和切割、鑲嵌、平面磨削、粗拋光和最終拋光、蝕刻）、顯微觀察、數(shù)字成像和記錄，以及通過(guò)立體或圖像分析方法提取定量數(shù)據(jù)。

不僅僅是金屬：金相學(xué)

金屬及其合金在許多形式的技術(shù)發(fā)展中仍然發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗鼈兲峁┑男阅芊秶热魏纹渌牧辖M都要廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化金屬材料的數(shù)量已擴(kuò)展到數(shù)千種，并且還在不斷增加以滿(mǎn)足新的要求。

然而，隨著規(guī)格的發(fā)展，陶瓷、聚合物或天然材料已被添加以涵蓋更廣泛的應(yīng)用，并且金相學(xué)已擴(kuò)展到包含從電子到復(fù)合材料的新材料。術(shù)語(yǔ)“金相學(xué)”現(xiàn)在被更通用的“材料學(xué)”所取代，以處理陶瓷“陶瓷學(xué)”或聚合物“塑性學(xué)”。

與金屬相比，高性能或工程陶瓷具有更高的硬度值，盡管它們本質(zhì)上很脆。其他突出的特性包括出色的高溫性能和在侵蝕性環(huán)境中良好的抗磨損、抗氧化或抗腐蝕能力。然而，這些材料所能提供的全部?jī)?yōu)勢(shì)受到化學(xué)成分（雜質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)）的強(qiáng)烈影響。<

與金相制備類(lèi)似，必須執(zhí)行連續(xù)步驟來(lái)制備用于微觀結(jié)構(gòu)研究的陶瓷樣品，但每一步都需要仔細(xì)選擇參數(shù)，并且必須優(yōu)化，不僅針對(duì)每種類(lèi)型的陶瓷，而且針對(duì)特定等級(jí).它們固有的脆性使得建議在從切片到最終拋光的每個(gè)準(zhǔn)備步驟中用金剛石代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨料。由于陶瓷的耐化學(xué)性，蝕刻可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

超越明場(chǎng)

幾十年來(lái)，光學(xué)顯微鏡一直被用于深入了解材料的微觀結(jié)構(gòu)。 明場(chǎng) (BF) 照明是金相分析中最常用的照明技術(shù)。在入射BF中，光路來(lái)自光源，穿過(guò)物鏡，從樣品表面反射，通過(guò)物鏡返回，最后到達(dá)目鏡或相機(jī)進(jìn)行觀察。由于大量入射光反射到物鏡中，平坦的表面會(huì)產(chǎn)生明亮的背景，而非平坦的特征，例如裂紋、孔隙、蝕刻的晶界或具有明顯反射率的特征，例如沉淀物和第二相夾雜物由于入射光以各種角度散射和反射，甚至部分吸收，因此表面看起來(lái)更暗。 暗場(chǎng) (DF) 是一種鮮為人知但功能強(qiáng)大的照明技術(shù)。 DF 照明的光路穿過(guò)物鏡的外空心環(huán)，以高入射角落在樣品上，從表面反射，然后穿過(guò)物鏡內(nèi)部，最后到達(dá)目鏡或相機(jī)。這種類(lèi)型的照明會(huì)導(dǎo)致平面看起來(lái)很暗，因?yàn)榻^大多數(shù)以高入射角反射的光會(huì)錯(cuò)過(guò)物鏡的內(nèi)部。對(duì)于具有平坦表面的樣品，偶爾會(huì)出現(xiàn)非平坦特征（裂縫、孔隙、蝕刻晶界等），DF 圖像顯示暗背景，具有與非平坦特征相對(duì)應(yīng)的較亮區(qū)域，這會(huì)將更多光散射到物鏡中。