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金相學(xué)是研究各類金屬合金微觀結(jié)構(gòu)的一門學(xué)科,其可更準(zhǔn)確地定義為觀察和確定金屬合金中化學(xué)和原子結(jié)構(gòu)、構(gòu)成部分的空間分布、夾雜物或相位的科學(xué)學(xué)科。廣義來說,這些相同的原則可應(yīng)用于任何材料的表征。
在顯示金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征時,可使用不同的技術(shù)手段。在明視場模式下使用入射光顯微技術(shù)進行大多數(shù)調(diào)查研究,而對于其他不太常見的反差技術(shù),例如,暗場或微分干涉差 (DIC),以及色彩(色調(diào))蝕刻等技術(shù),正在金相學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域擴大光學(xué)顯微鏡的使用范圍。
金屬材料許多重要的宏觀性質(zhì)對微觀結(jié)構(gòu)高度敏感。重要的機械性能,如抗拉強度或伸長率,以及其他熱學(xué)或電氣性質(zhì),與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。對微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系理解,在材料的開發(fā)和制造方面起著關(guān)鍵作用,是金相學(xué)的zui終目標(biāo)。
正如迄今所知,金相學(xué)很大程度上要歸功于 19 世紀(jì)科學(xué)家亨利·克利夫頓·索爾所做的貢獻,他對謝菲爾德(英國)采用現(xiàn)代化技術(shù)制造的鋼鐵進行了開創(chuàng)性研究,突出了微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的密切。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檢查,正因這項建議,我曾被認為是處理此類問題的*人選。然而,目前這種措施已經(jīng)變得非常普遍了…”
一、久遠卻重要
隨著顯微技術(shù)的新發(fā)展,以及近來借助于計算機,在過去百年中,金相學(xué)已成為科學(xué)和工業(yè)進步的寶貴工具。
金相學(xué)中,利用光學(xué)顯微鏡zui早確立的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的相關(guān)性包括:
晶粒尺寸減少,屈服強度和硬度總體提高
各向異性的機械性能與伸長的晶粒及/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(jié)構(gòu)特征的關(guān)聯(lián),如第二相粒子
通過檢查和確定材料微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)量,可以更好地了解其性能。因此,在組件使用壽命內(nèi),金相學(xué)幾乎可用于所有階段:從zui初的材料開發(fā)到檢查、生產(chǎn)、制造過程控制,以及故障分析(如需)。金相學(xué)原理有助于確保產(chǎn)品的可靠性。
二、既定且直觀的方法
材料微觀結(jié)構(gòu)的分析,有助于確定材料是否已正確處理,因而,在很多行業(yè)中,這通常是一個重要問題。適當(dāng)?shù)慕鹣鄼z驗基本步驟包括:取樣、樣本制備(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(xué)和圖像分析方法提取定量的數(shù)據(jù)。
金相分析的*步:取樣,這是任何后續(xù)研究成功的關(guān)鍵:待分析樣本必須為被評估的代表性材料。第二步也同樣重要,即正確制備金相樣本,沒有*的方式可以達到期望的結(jié)果。
金相歷來被描述為既是一門科學(xué)也是一門藝術(shù),有此說法的原因是,用于顯示材料真實結(jié)構(gòu)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。
蝕刻是zui可能產(chǎn)生變化的步驟,所以仔細選擇*的蝕刻成分,并控制蝕刻溫度和蝕刻時間,是獲取確定及可復(fù)驗結(jié)果的必要條件。需要多次的嘗試和錯誤的實驗方法,以便為該步驟找出*的參數(shù)。
三、不只是金屬
金屬及其合金在多種技術(shù)發(fā)展中仍發(fā)揮著突出作用,因為相比任何其他材料組,其提供的性質(zhì)范圍更廣。標(biāo)準(zhǔn)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,隨著技術(shù)規(guī)范的演變,陶瓷、聚合物或天然材料已涵蓋于更廣泛的應(yīng)用范圍,且金相學(xué)已經(jīng)擴大至納入從電子產(chǎn)品到復(fù)合材料的新材料。術(shù)語“金相學(xué)”現(xiàn)已被更普遍的“材相學(xué)”所取代,用于處理陶瓷制品的“陶瓷相學(xué)”或聚合物的“塑性學(xué)”。
與金屬相反,高性能或設(shè)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)。其他的性能還包括,的高溫性能以及在惡劣環(huán)境下良好的耐磨損力、抗氧化或抗腐蝕性。但是,這些材料的所有優(yōu)勢都會受到化學(xué)成分、雜質(zhì)以及微觀結(jié)構(gòu)的影響。
與金相制備相似,制備陶瓷樣品用于微觀結(jié)構(gòu)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,確保其不僅適用于各類型陶瓷制品,同時也適用于特殊等級。這些材料固有的易碎性質(zhì)使其在制備的各個步驟中,從切割刀zui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(xué)性,蝕刻是一項具有挑戰(zhàn)性的步驟。
四、超越明場
幾十年來,光學(xué)顯微鏡一直用于深入觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)。
明場 (BF) 照明是金相分析中zui常用的照明技術(shù)。在入射明場中,光路來自于光源,穿過物鏡透鏡,反射在樣本表面上,并通過物鏡返回,且zui終照射至目鏡或照相機,實現(xiàn)觀察的目的。由于大量入射光反射到物鏡透鏡上,導(dǎo)致平面上產(chǎn)生一個明亮的背景,而當(dāng)入射光分散并以各種角度反射或甚至部分被吸收時,非平面上會顯得較暗,如裂紋、細孔、腐蝕的晶界或以明顯反射率為特征,再如表面上的沉淀物及第二相夾雜物等。
五、生活是多姿多彩的
微觀結(jié)構(gòu)的自然色彩使用通常在金相應(yīng)用領(lǐng)域中是非常有限的,但當(dāng)利用某些光學(xué)方法時,色彩卻能夠反應(yīng)出有用的信息,如偏振光或微分干涉差,或樣品制備方法,如色彩蝕刻。
徠卡偏光顯微鏡對于檢查鈦、鈹、鈾和鋯等非立方晶體結(jié)構(gòu)金屬非常有用。遺憾的是,主要的商用合金(鐵、銅和鋁)對偏振光并不敏感,所以色彩或色調(diào)蝕刻提供了額外的方法,以便顯示并辨別微觀結(jié)構(gòu)的特征。
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