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徕卡带您走进金相学和金属合金的世界(下)

发布时间:2021-06-10      点击次数:93

生命多彩

微观结构的本色在金相学中的应用通常非常有限,但是当利用某些光学方法(如偏振光或DIC)或样品制备方法(如彩色蚀刻)时,颜色可以显示有用的信息。
偏振光显微术对于检查非立方晶体结构与金属(如Ti、Be、U和Zr)非常有帮助。遗憾的是,主要的商用合金(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辨别微观结构中的特征。



图1:树枝状结构的彩色晶粒 


颜色(色调)蚀刻剂通常采用化学方法(浸泡在溶液中)或电化学方法(浸泡在带有电极和外加电位的溶液中),在样品表面产生薄膜,这通常取决于特征。薄膜与反射光相互作用并通过干涉产生颜色,这在正常明场照明下可以观察到,但是通过偏振光和相位延迟(λ或波片)可以显著增强。另外,热着色或气相沉积是产生干涉膜的替代方法。

在钢合金中,所谓的“第二相”成分可以通过蚀刻选择性地着色,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素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特征(如晶粒)晶体取向的函数。对于用标准试剂蚀刻(侵蚀晶界)产生不完整网络(晶界)从而阻止数字图像重建的合金,由于不同晶粒取向导致的微观结构颜色编码允许进行粒度分析。

定量分析优于定性分析

定量金相学的起源在于应用光学显微镜研究金属合金的显微组织。材料科学家必须解决的第一个基本问题是:

  • 合金中某些特征性尺寸是多少,总共有多少这种类型的特征?
  • 合金当中存在多少特定成分?


图2:含有球状石墨的球墨铸铁(HC PL Fluotar 10倍物镜,明场)

多年来,使用图表评级和视觉比较是能够用半定量描述回答这些问题的方法。如今,现代的电动化和计算机化显微镜和图像分析系统为自动化国际或行业标准所涵盖的大多数评价和评估方法提供了快速和准确的手段。

测量通常在一系列二维图像上进行,可分为两大类:用于量化离散晶粒的大小、形状和分布的测量(特征测量)和与基体微观结构相关的测量(现场测量)。

第一组的几个例子是钢中夹杂物含量的测定、铸铁中石墨的分类以及热喷涂涂层或烧结零件中孔隙度的评估。

现场测量的常见应用是通过截取法或平面法确定平均晶粒尺寸,以及通过相分析估计微观结构成分的体积分数。使用图像分析软件,多个相位状态都可以在单一的视野中进行检测、量化并以图形表示。

不仅着眼于微观,还着眼于宏观

宏观检验技术经常用于常规质量控制以及失效分析或研究。这些技术通常是显微观察的前奏,但有时也可以单独用作接受或拒绝的标准。


图3:钢的表面硬化

宏观蚀刻试验可能是该组内信息量非常大的工具并且广泛用于材料加工或成形的许多阶段的质量检验。借助于立体显微镜和各种各样的照明模式,而宏观刻蚀通过揭示材料微观结构中缺乏均匀性来提供组件均匀度的整体视图。其中部分举例如下:
  • 凝固或加工产生的宏观结构模式(生长模式、流线、带状等)
  • 焊缝熔深和热影响区
  • 由于凝固或工作引起的物理不连续性(孔隙、裂纹)
  • 化学和电化学表面改性(脱碳、氧化、腐蚀、污染)
  • 由于淬火不规则,钢合金或钢型的表面硬化深度(表面硬化)
  • 磨削或加工不当造成的损坏
  • 过热或疲劳引起的热效应

总结

金属合金由于其广泛的性能,在许多技术和应用中发挥着突出的作用。目前有几千种标准化合金可供选择,随着新需求的发展可能需要新的合金,这一数字还在持续增长。

金相学是对合金微观结构的研究,合金微观结构包括:相态、夹杂物和其他成分的微观空间分布。人们使用了各种技术(通常采用显微镜技术)来揭示合金的微观结构。 

合金的微观结构对其许多重要的宏观性能有重要影响,如抗拉强度、延伸率和热导率或导电率。对微观组织和合金性能之间关系的透彻理解是金相学领域的根本原因。金相学知识用于冶金(合金设计和开发)和合金生产。

但同时,人们也开发出了多种多样的陶瓷和聚合物材料来满足诸多不同的应用。金相学的基本原理完全可以应用到所有材料的特征分析当中。因此,更通用的术语“材料学”开始取代金相学。

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