2020年1月8日故事

金相学导论

如何揭示金属和合金的微观结构特征

本文概述了金相学和金属合金表征。采用不同的显微技术来研究合金的微观组织，即晶粒、相、夹杂等微观组织。金相学是为了了解合金微观组织对宏观性能的影响而发展起来的。所获得的知识用于合金材料的设计、开发和制造。

作者

¹188金宝搏的网址

主题和标签

金相学是什么?

金相学是研究各种金属合金微观结构的学科。它可以更精确地定义为观察和确定金属合金中颗粒、成分、夹杂物或相的化学和原子结构以及空间分布的科学学科。推而广之，这些同样的原理可以应用于任何材料的表征。

不同的技术被用来揭示金属的微观结构特征。大多数调查都是用入射光显微镜在亮场模式下进行的，但其他不太常见的对比技术，如暗场或差分干涉对比(迪拜国际资本)和彩色(着色)蚀刻的使用扩大了金相应用的光学显微镜的范围。

金属材料的许多重要宏观性能对微观结构高度敏感。关键的机械性能，如抗拉强度或伸长率，以及其他热学或电学性能，都与微结构直接相关。了解微观组织与宏观性能之间的关系对材料的开发和制造起着关键作用，是金相学的最终目的。

我们今天所知的金相学，在很大程度上要归功于19位金相学者的贡献^th世纪科学家亨利·克利夫顿·索比。他在谢菲尔德(英国)的现代制造钢铁的开创性工作突出了微观结构和宏观性能之间的密切联系。正如他在临终前所说的那样:“在那些日子里，如果发生了铁路事故，我建议公司用显微镜检查铁轨，我就会被认为是应该送进精神病院的合适的人。188金宝搏怎么注册但现在正在这么做……”

老但至关重要的

在过去的几百年里，随着显微镜技术的新发展，以及最近在计算机技术的帮助下，金相学已经成为促进科学和工业发展的宝贵工具。

使用光学显微镜在金相学中建立的微观结构和宏观性能之间的一些最早的相关性包括:

屈服强度和硬度随晶粒尺寸的减小而增大
具有拉长晶粒和/或优选晶粒取向的各向异性力学性能
随着夹杂物含量的增加，延性下降的普遍趋势
夹杂物含量和分布对疲劳裂纹扩展速率(金属)和断裂韧性参数(陶瓷)的直接影响
失效起始部位与材料不连续或微观结构特征的关联，如第二相颗粒

通过检查和量化材料的微观结构，可以更好地了解其性能。因此，金相学几乎应用于零件生命周期的所有阶段:从最初的材料开发到检验、生产、制造过程控制，甚至必要时的失效分析。金相学原理有助于确保产品的可靠性。

一种既定但直观的方法

分析材料的微观结构有助于确定材料是否加工正确，因此在许多工业中通常是一个关键问题。正确的金相检验的基本步骤包括:取样、标本制备(切片和切割、安装、平面磨削、粗抛光和最终抛光、蚀刻)、显微观察、数字成像和记录，以及通过体视学或图像分析方法提取定量数据。

金相分析的第一步——取样——对任何后续研究的成功都至关重要:被分析的样品必须具有被评价材料的代表性。第二个同样重要的步骤是正确地制备金相试样，这里没有唯一的方法来达到预期的结果。

金相学在传统上被描述为一门科学和一门艺术，之所以这样说，是因为经验和直觉在揭示材料的真实结构时同样重要，而不会造成重大的变化或损伤，以揭示和测量感兴趣的特征。

蚀刻可能是最易变的步骤，因此仔细选择最佳蚀刻成分和控制蚀刻剂温度和蚀刻时间是获得可靠和可重复的结果的必要条件。为了找到这一步的最佳参数，通常需要一种试错实验方法。

不仅仅是金属:材料学

金属及其合金在许多形式的技术发展中仍然扮演着突出的角色，因为它们比任何其他材料组提供更广泛的性能。标准化金属材料的数量已达几千种，而且还在不断增加，以满足新的要求。

然而，随着规格的发展，陶瓷、聚合物或天然材料被添加到更广泛的应用领域，金相学也扩展到包括从电子到复合材料等新材料。现在，“金相学”一词正被更通用的“材料学”所取代，也可以称陶瓷为“陶瓷学”或聚合物为“塑料学”。

与金属相比，高性能或工程陶瓷有更高的硬度值，即使它们本质上是脆的。其他突出的性能包括优异的高温性能和在恶劣环境下的良好耐磨性、抗氧化性或耐腐蚀性。然而，这些材料所能提供的全部优势受到化学成分(杂质)和微结构的强烈影响。

与金相制备类似，为了制备用于微观结构研究的陶瓷样品，必须进行连续的步骤，但每一步都需要仔细选择参数，而且必须优化，不仅针对每种陶瓷类型，而且针对特定的品位。金刚石固有的脆性使得在从切割到最终抛光的每个准备步骤中用金刚石代替传统磨料是可取的。由于陶瓷的耐化学性，蚀刻可能是一个挑战。

除了brightfield

光学显微镜已经使用了几十年，以提供洞察材料的微观结构。

Brightfield (BF)照明是金相分析中最常用的照明技术。在入射BF中，光路来自光源，通过物镜，被标本表面反射，通过物镜返回，最后到达目镜或相机进行观察。平坦的表面由于入射光大量反射到物镜中而产生明亮的背景，而非平坦的特征如裂纹、气孔、蚀刻晶界或表面上的沉淀物、第二相夹杂等反射率明显的特征则由于入射光被散射并以各种角度反射甚至部分吸收而显得较暗。

暗视野(DF)是一种鲜为人知但功能强大的照明技术。DF照明的光路通过物镜的外空心环，以高入射角落在标本上，从表面反射，然后通过物镜的内部，最后到达目镜或相机。这种类型的照明导致平坦的表面看起来黑暗，因为在高入射角反射的绝大多数光错过了物镜的内部。对于表面平坦但偶尔有非平坦特征(裂纹、气孔、蚀刻晶界等)的样品，DF图像显示出较暗的背景，与非平坦特征相对应的较亮区域，这将更多的光散射到物镜中。

光场:只有直接的光落在样品表面，在那里它被吸收或反射。图像的质量参数为亮度、分辨率、对比度和景深。

暗场:只有折射、衍射或反射光落在样品表面。暗场适用于所有具有结构化表面的样本，也可用于显示分辨率限制以下的结构。表面结构在黑暗的背景下显得明亮。

差分干涉对比(迪拜国际资本)，也被称为Nomarski对比，有助于可视化小的高度差异在标本表面，从而加强特征对比。迪拜国际资本使用一个沃拉斯顿棱镜和一个偏振器和分析仪，其透射轴相互垂直(相交90°)。被棱镜分裂的两个光波在从样品表面反射后进行干涉，使高度差异作为颜色和纹理的变化可见。

对于大多数情况，入射光显微镜提供了大部分所需的信息，但对于某些情况，特别是聚合物和复合材料，透射光显微镜(用于透明材料)和使用污点或染料可以提供对微观结构的洞察，而这些微观结构在使用标准大样品制备和正常入射照明时仍然是隐藏的。

因为许多热固性材料对常见的金相蚀刻剂是惰性的，样品的微观结构通常用透射偏振光来观察，以增强离散特征的折射率差异。

极化:自然光由任意数量振动方向的光波组成。偏振滤光片只让光波通过与传播方向平行的振动。两个偏振器以90°交叉产生最大消光(变暗)。如果偏振器之间的样品改变了光的振动方向，就会出现特征双折射颜色。

差分干涉对比(迪拜国际资本)：迪拜国际资本可视化的高度和相位差异。沃拉斯顿棱镜将偏振光分成普通波和异常波。这些波彼此以直角振动，以不同的速率传播，在物理上是分开的。这样就得到了样品表面的三维图像，尽管不能从中得到真实的地形信息。

生活是丰富多彩的

显微组织的自然颜色通常在金相应用中作用非常有限，但在利用某些光学方法时，如偏振光或迪拜国际资本或样品制备方法，如彩色蚀刻。

偏振光显微镜对具有非立方晶体结构的金属，如钛、Be、U和Zr的检查非常有用。遗憾的是，主要的商业合金(Fe, Cu, Al)对偏振光不敏感，因此彩色或着色蚀刻提供了一种额外的方法来揭示和区分微观结构的特征。

颜色(着色)蚀刻剂通常采用化学方法(浸入溶液中)或电化学方法(浸入带有电极和外加电位的溶液中)，在样品表面产生一层薄膜，这通常与特征有关。薄膜与入射光相互作用并通过干涉产生颜色，干涉可以在正常的亮场照明下观察到，但使用偏振光和相位延迟(λ或波片)可以显著增强。此外，热着色或气相沉积是制作干涉膜的替代方法。

在合金钢中，所谓的“第二相”成分可以通过蚀刻选择性着色，这提供了一种分别识别和量化它们的方法。用彩色蚀刻法鉴别钢中的铁氧体和碳化物是一种常用的方法。

干涉膜的生长可以是样品表面晶粒等特征的晶体取向的函数。对于用标准试剂蚀刻(攻击晶界)的合金，会产生一个不完整的(晶界)网络，从而阻止数字图像重建，由于不同的晶粒取向导致的微观组织的颜色编码允许进行晶粒尺寸分析。