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【科普】Metallography 金相学 —如何显示金属和合金的微观结构特征
2017-05-03

金相学即研究所有类型的金属合金的微观结构。其可更准确地定义为观察和确定金属合金中化学和原子结构、构成部分的空间分布、夹杂物或相的科学准则。广义来说,这些相同的原则可应用于任何材料的特性描述中。 在显示金属的微观结构特征时,可使用不同的技术。大多数研究在明视场模式下使用人射光显微术进行,以及其他不常见的对比技术,比如暗视场或微分干涉对比(DIC),并且颜色(色调)蚀刻在金相学应用中正扩大光学显微镜的使用范围。  金属材料许多重要的宏观性质对微观结构高度敏感。重要的力学性能,如抗拉强度或伸长率以及其他热学或电气性质,与微观结构直接相关。微观结构和宏观性质之间的认识关系在材料的开发和制造方面起着关键的作用,是金相学的最终目的。 正如迄今所知,金相学很大程度上要归功于 19 世纪科学家亨利·克利夫顿·索尔所做的贡献。其使用谢菲尔德(英国)现代制造的钢铁的开创性研究突出了微观结构和宏观性质之间的密切联系。他在临终前表示:“早期时,若发生铁路事故,我会建议公司带走铁轨并使用显微镜观察,而我就是处理此事的最佳人选。但,这就是现在正在进行的事…” 历史悠久却越发重要 随着显微技术的新发展以及近来借助于计算机,在过去百年中,金相学已成为科学和工业进步的宝贵工具。 金相学中,利用光学显微镜最早确立的微观结构和宏观性质之间的相关性包括: 晶粒尺寸减少,屈服强度总体提高 各向异性的力学性能与伸长的晶粒以及/或优选的晶粒取向 夹杂物含量增加,延展性总体下降 夹杂物含量和分布对疲劳裂纹扩展速率(金属)及断裂韧性参数(制陶业)的直接影响 故障起始位点与材料不均匀性或微观结构特点的关联,如第二相粒子 通过检查和确定材料微观结构的数量,可更好地理解其性能。因此,在组件使用寿命内,金相学几乎可用于所有阶段:从最初的材料开发到检查、生产、制造过程的控制以及故障分析(如需要)。金相学原理有助于确保产品的可靠性。 珠光体灰口铸铁 方法既定直观 金相历来被描述为既是一门科学也是一门艺术,有此说法的原因是因为用于显示材料真实结构的经验和直觉同样重要,且不得引起重大的改变和损坏,以显示并呈现可测量的特点。 材料微观结构的分析有助于确定材料是否已正确处理,且因此通常在许多行业中是一个重要的问题适当的金相检验基本步骤包括: 取样、标本制备(切片和切割、安装、平面研磨、粗加工及抛光、蚀刻)、显微观察、数码成像和记录、以及通过体视学和图像分析方法提取定量的数据。 金相分析的第一步取样是任何后续研究成功的关键:待分析的标本必须为被评估的代表性材料。同样重要的第二步是正确制备金相标本,并且不存在任何独特方式以达到期望的结果。 蚀刻为最可能产生变化的步骤,所以仔细选择最佳的蚀刻成分并控制蚀刻温度,并且蚀刻时间为强制性以获得确定及可复验的结果。需要多次的尝试和错误的实验方法以为此步骤找出最佳的参数。 不只是金属 金属及其合金在多种技术发展中仍发挥着突出作用,是因为比起任何其他材料组,其提供的性质范围更广泛。标准化金属材料的数量扩展至成千上万,并且不断增加,以满足新的要求。 然而,随着规格的发展,陶瓷、聚合物或天然材料已涵盖于更广泛的应用范围,且金相学已扩大至纳入从电子产品到复合材料的新材料。术语“金相学”现已被更普遍的“材相学”所取代,用于处理陶瓷制品的“陶瓷相学”或聚合物的“塑性学”。 与金属相反,高性能或设计制造的陶瓷制品具有较高的硬度值,即使其为易碎性质。其他优秀的性能是其优良的高温性能及在恶劣环境下良好的耐磨损力、抗氧化或抗腐蚀性。但是,可提供的这些材料的所有优势受化学成分、杂质、以及微观结构的影响。 与金相制备相似,制备陶瓷样品用于微观结构研究需要多个步骤,但各步骤均要求精心挑选参数,并必须将其进行优化,不仅用于各类型陶瓷制品,也用于特殊等级。其固有的易碎性质使其在制备的各步骤中从切割至最终的抛光,可以用金刚石取代传统的磨料。由于陶瓷制品的耐化学性,蚀刻是一项具有挑战性的步骤。 

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