【科普】Metallography 金相學 —如何顯示金屬和合金的微觀結構特征【上】
閱讀：140發(fā)布時間：2024-12-12
金相學即研究所有類型的金屬合金的微觀結構。其可更準確地定義為觀察和確定金屬合金中化學和原子結構、構成部分的空間分布、夾雜物或相的科學準則。廣義來說，這些相同的原則可應用于任何材料的特性描述中。在顯示金屬的微觀結構特征時，可使用不同的技術。大多數(shù)研究在明視場模式下使用人射光顯微術進行，以及其他不常見的對比技術，比如暗視場或微分干涉對比（DIC），并且顏色（色調(diào)）蝕刻在金相學應用中正擴大光學顯微鏡的使用范圍。金相學背景金屬材料許多重要的宏觀性質(zhì)對微觀結構高度敏感。重要的力學性能，如抗拉強度或伸長率以及其他熱學或電氣性質(zhì)，與微觀結構直接相關。微觀結構和宏觀性質(zhì)之間的認識關系在材料的開發(fā)和制造方面起著關鍵的作用，是金相學的最終目的。正如迄今所知，金相學很大程度上要歸功于 19 世紀科學家亨利·克利夫頓·索爾所做的貢獻。其使用謝菲爾德（英國）現(xiàn)代制造的鋼鐵的開創(chuàng)性研究突出了微觀結構和宏觀性質(zhì)之間的密切聯(lián)系。他在臨終前表示：“早期時，若發(fā)生鐵路事故，我會建議公司帶走鐵軌并使用顯微鏡觀察，而我就是處理此事的人選。但，這就是現(xiàn)在正在進行的事…"歷史悠久卻越發(fā)重要隨著顯微技術的新發(fā)展以及近來借助于計算機，在過去百年中，金相學已成為科學和工業(yè)進步的寶貴工具。金相學中，利用光學顯微鏡確立的微觀結構和宏觀性質(zhì)之間的相關性包括：晶粒尺寸減少，屈服強度總體提高各向異性的力學性能與伸長的晶粒以及/或優(yōu)選的晶粒取向夾雜物含量增加，延展性總體下降夾雜物含量和分布對疲勞裂紋擴展速率（金屬）及斷裂韌性參數(shù)（制陶業(yè)）的直接影響故障起始位點與材料不均勻性或微觀結構特點的關聯(lián)，如第二相粒子通過檢查和確定材料微觀結構的數(shù)量，可更好地理解其性能。因此，在組件使用壽命內(nèi)，金相學幾乎可用于所有階段：從最初的材料開發(fā)到檢查、生產(chǎn)、制造過程的控制以及故障分析（如需要）。金相學原理有助于確保產(chǎn)品的可靠性。珠光體灰口鑄鐵方法既定直觀金相歷來被描述為既是一門科學也是一門藝術，有此說法的原因是因為用于顯示材料真實結構的經(jīng)驗和直覺同樣重要，且不得引起重大的改變和損壞，以顯示并呈現(xiàn)可測量的特點。材料微觀結構的分析有助于確定材料是否已正確處理，且因此通常在許多行業(yè)中是一個重要的問題適當?shù)慕鹣鄼z驗基本步驟包括： 取樣、標本制備（切片和切割、安裝、平面研磨、粗加工及拋光、蝕刻）、顯微觀察、數(shù)碼成像和記錄、以及通過體視學和圖像分析方法提取定量的數(shù)據(jù)。金相分析的步取樣是任何后續(xù)研究成功的關鍵：待分析的標本必須為被評估的代表性材料。同樣重要的第二步是正確制備金相標本，并且不存在任何方式以達到期望的結果。蝕刻為最可能產(chǎn)生變化的步驟，所以仔細選擇的蝕刻成分并控制蝕刻溫度，并且蝕刻時間為強制性以獲得確定及可復驗的結果。需要多次的嘗試和錯誤的實驗方法以為此步驟找出的參數(shù)。不只是金屬金屬及其合金在多種技術發(fā)展中仍發(fā)揮著突出作用，是因為比起任何其他材料組，其提供的性質(zhì)范圍更廣泛。標準化金屬材料的數(shù)量擴展至成千上萬，并且不斷增加，以滿足新的要求。然而，隨著規(guī)格的發(fā)展，陶瓷、聚合物或天然材料已涵蓋于更廣泛的應用范圍，且金相學已擴大至納入從電子產(chǎn)品到復合材料的新材料。術語“金相學"現(xiàn)已被更普遍的“材相學"所取代，用于處理陶瓷制品的“陶瓷相學"或聚合物的“塑性學"。與金屬相反，高性能或設計制造的陶瓷制品具有較高的硬度值，即使其為易碎性質(zhì)。其他優(yōu)秀的性能是其優(yōu)良的高溫性能及在惡劣環(huán)境下良好的耐磨損力、抗氧化或抗腐蝕性。但是，可提供的這些材料的所有優(yōu)勢受化學成分、雜質(zhì)、以及微觀結構的影響。與金相制備相似，制備陶瓷樣品用于微觀結構研究需要多個步驟，但各步驟均要求精心挑選參數(shù)，并必須將其進行優(yōu)化，不僅用于各類型陶瓷制品，也用于特殊等級。其固有的易碎性質(zhì)使其在制備的各步驟中從切割至最終的拋光，可以用金剛石取代傳統(tǒng)的磨料。由于陶瓷制品的耐化學性，蝕刻是一項具有挑戰(zhàn)性的步驟。
