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徕卡带您走进金相学和金属合金的世界(上)

发布时间:2021-06-04      点击次数:163

金相学 – 介绍

揭示金属与合金的微观结构特征


本文概述了金相学和金属合金的特征分析。合金微观结构的研究使用到不同的显微观察技术,即晶粒、相、夹杂物等的微观结构。金相学是从了解合金微观组织对宏观性能影响发展而来的一门学科。所获得的知识可用于合金材料的设计、开发和制造。



什么是金相学?

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判断金属合金中晶粒、成分、夹杂物或相的化学和原子结构以及空间分布的学科。推而广之,这些相同的原理可以应用于任何材料的特征分析。

不同的技术被用来揭示金属的微观结构特征。大多数研究是在明场模式下使用反射光显微镜进行的,但其他不为大家所熟知的观察方式,如暗场或微分干涉(DIC)和染色蚀刻的使用正在扩大光学显微镜在金相学中的应用范围。

金属材料的许多重要宏观性能对微观结构高度敏感。一些重要的机械性能,如抗拉强度或伸长率,以及其他热性能或电性能,与微观结构直接相关。了解显微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,这些都是金相学的目标。

我们今天所了解的金相学在很大程度上归功于19世纪科学家Henry Clifton Sorby的贡献。他在谢菲尔德(英国)对钢铁现代制造工艺进行的开创性研究突显出了微观结构和宏观性能之间的紧密联系。他在临终前曾说过:“早年间如果发生了铁路事故,而我又建议公司把一根铁轨拿出来用显微镜进行检查,大家也许会认为我该去精神病院。但现在人们就是这样做调查的…”
 
古老但重要

近百年来,随着显微镜技术的新发展以及最近计算机技术的发展,金相学已经成为推动科学和工业进步的一个非常宝贵的工具。

利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早期关联包括:
  • 粒度下降普遍伴随屈服强度的提高
  • 具有延伸晶粒和/或择优晶粒取向的各向异性力学性能
  • 夹杂物含量提高时存在着塑性普遍降低的趋势
  • 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)有直接影响
  • 失效起始部位与材料不连续或微观结构特点之间存在着关联,例如第二相晶粒。
通过检查并量化材料的微观结构可以更好地了解材料的性能。因此,金相学几乎涉及零部件寿命的所有阶段内均有使用:从初期材料研发到检验、生产、制造工艺甚至所需的缺陷分析。金相学的原则就是要确保产品可靠性。

图1:珠光体灰铸铁
 
成熟且直观的方法

对材料微观结构的分析有助于确定材料是否正确加工,因此在许多行业中是一个关键问题。正确的金相检验基本步骤包括:取样、试样制备(切片和切割、装配、平面研磨、粗抛光、细抛光,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 – 是任何后续研究的成功都至关重要:待分析的试样必须代表被评估的材料。第二个同样重要的步骤是正确制备金相试样,这里没有方法来获取预期的结果。

金相学是科学也是艺术,原因就在于其揭示材料的真实结构而不造成重大变化或损坏,从而展现和测量那些感兴趣的特征。

蚀刻是可变性很大的步骤,因此必须仔细选择好的蚀刻剂,并控制蚀刻温度和蚀刻时间,确保获得可靠且可再现的结果。通常需要进行反复试验来确定该刻蚀的参数。
 
不仅仅是金属:材料学

金属及其合金在各个技术领域发展中仍然发挥着突出作用,因为它们和任何其他材料相比具有更广泛的性能。标准化金属材料的数量已经扩展到了几千种,并仍在不断增加以满足新的要求。

但随着技术规格的演进发展,陶瓷、聚合物或天然材料已被添加到更广泛的应用中,金相学已扩展到包括从电子到复合材料的新材料。“金相学”正在被更普遍的“材料学”所取代,也涉及陶瓷“陶瓷学”或聚合物“塑性学”。

与金属不同,高性能或工程设计的陶瓷硬度更高,即便本质上更易碎。其性能更突出,包括优良的高温性能、良好的耐磨性、抗氧化性及在腐蚀环境中的蚀刻性。然而,这些材料的化学成分(杂质)和微观结构会直接影响其这些性能优势。

与金相制品类似,陶瓷样本制备进行微观结构研究时必须进行连续步骤,但每个步骤都需要仔细选择参数,并且必须进行优化,不仅针对每种类型的陶瓷,而且针对特定等级。由于其固有的脆性,建议在从切片到抛光的每一个准备步骤中用金刚石代替传统磨料。考虑到陶瓷的耐化学性,其蚀刻处理会是一大挑战。

超越明场

光学显微镜在观察材料微观结构方面的应用已有数十年。

明场(BF)照明是金相学分析当中很常见的观察方式。在反射明场中,来自光源的光路会穿过物镜并在样本表面上反射再返回经过物镜,最终抵达目镜或摄像头进行观察。由于反射光进入物镜后产生了大量的光反射,光滑平坦的表面就会形成一个非常明亮的背景,那些不平整的表面特征,如裂纹,气孔,蚀刻晶界,或具有高反射性的特征物质,如沉淀物,二相夹杂物等,反射光会有不同角度的反射和散射甚至被部分吸收,这些特征就会显得更暗。

暗场(DF)则是人们鲜少了解但相当强大的照明技术。暗场照明的光路通过物镜的外空心环(暗场环),以高角度入射到样本上,从表面反射,然后通过物镜的内部,然后到达目镜或照相机。这种类型的照明会使平面看起来很暗,因为在高入射角反射的绝大多数光都无法通过物镜内的镜片。对于表面平整且偶尔出现非平整特征(裂纹、气孔、蚀刻晶界等)的样本,暗场像显示的背景较暗,而与非平整特征相对应的区域较亮形成对比。
 
明场:只直接落在样本表面并在表面吸收或反射的光线。图像质量参数由亮度、分辨率、对比度和景深。
 

暗场:仅折射、衍射或反射光会落在样本表面。暗场适合于所有具有结构化表面的样本,并且还可以用于对分辨率限值以下的结构进行可视化观察。在暗背景下表面结构会变得明亮。
 
差分干涉对比度(DIC)又称为Nomarski对比,可帮助看清样本表面上较小的高度差,因此可增强特征对比。DIC使用渥拉斯登棱镜以及起偏器和验偏器,其透射轴相互垂直(以90°交叉)。棱镜分裂的两个光波在样本表面反射后发生干涉,使高度差成为可见的颜色和纹理变化。

通常情况下,反射光路显微镜提供了大部分数所需观察的信息,但在某些情况下,尤其是聚合物和复合材料,那些用标准样品制备方法和反射光路显微镜可能无法获得全部所需要的信息,这时使用透射光路显微镜(用于透明材料)和色素或染料,能够帮助获得那些被隐藏的微观结构。

由于很多热固性材料对常用的金相蚀刻剂无反应,因此能够增强离散特性中折射率差异的透射偏振光通常能够很好地观察样本的微观结构。

偏光:自然光由具有任意多个振动方向的光波组成。偏振光滤片只能让光波平行于传输方向振动。两个偏镜以90°交叉产生大消光(变暗)。如果偏振器之间的样本改变了光的振动方向,就会出现特征性的双折射颜色。


微分干涉对比度(DIC):DIC可观察到高度差和相差。渥拉斯登棱镜将偏振光分为普通波和特殊波。这些波彼此成直角振动,以不同的速率传播,在物理上是分离的。这将生成样本曲面的三维图像,尽管无法从中获得真实的形貌信息。


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