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【科普】Metallography 金相學(xué) —如何顯示金屬和合金的微觀結(jié)構(gòu)特征【上】

閱讀：5發(fā)布時(shí)間：2024-12-12

金相學(xué)即研究所有類型的金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)。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、夾雜物或相的科學(xué)準(zhǔn)則。廣義來說，這些相同的原則可應(yīng)用于任何材料的特性描述中。在顯示金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征時(shí)，可使用不同的技術(shù)。大多數(shù)研究在明視場模式下使用人射光顯微術(shù)進(jìn)行，以及其他不常見的對比技術(shù)，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(xué)應(yīng)用中正擴(kuò)大光學(xué)顯微鏡的使用范圍。金相學(xué)背景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。重要的力學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)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)。微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的認(rèn)識(shí)關(guān)系在材料的開發(fā)和制造方面起著關(guān)鍵的作用，是金相學(xué)的最終目的。正如迄今所知，金相學(xué)很大程度上要?dú)w功于 19 世紀(jì)科學(xué)家亨利·克利夫頓·索爾所做的貢獻(xiàn)。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(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的密切聯(lián)系。他在臨終前表示：“早期時(shí)，若發(fā)生鐵路事故，我會(huì)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(jìn)行的事…"歷史悠久卻越發(fā)重要隨著顯微技術(shù)的新發(fā)展以及近來借助于計(jì)算機(jī)，在過去百年中，金相學(xué)已成為科學(xué)和工業(yè)進(jìn)步的寶貴工具。金相學(xué)中，利用光學(xué)顯微鏡確立的微觀結(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(qiáng)度總體提高各向異性的力學(xué)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(kuò)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(diǎn)與材料不均勻性或微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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，可更好地理解其性能。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(xué)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(xué)也是一門藝術(shù)，有此說法的原因是因?yàn)橛糜陲@示材料真實(shí)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)。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，且因此通常在許多行業(yè)中是一個(gè)重要的問題適當(dāng)?shù)慕鹣鄼z驗(yàn)基本步驟包括：取樣、標(biāo)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)。金相分析的步取樣是任何后續(xù)研究成功的關(guān)鍵：待分析的標(biāo)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(biāo)本，并且不存在任何方式以達(dá)到期望的結(jié)果。蝕刻為最可能產(chǎn)生變化的步驟，所以仔細(xì)選擇的蝕刻成分并控制蝕刻溫度，并且蝕刻時(shí)間為強(qiáng)制性以獲得確定及可復(fù)驗(yàn)的結(jié)果。需要多次的嘗試和錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)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(shù)發(fā)展中仍發(fā)揮著突出作用，是因?yàn)楸绕鹑魏纹渌牧辖M，其提供的性質(zhì)范圍更廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化金屬材料的數(shù)量擴(kuò)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(yīng)用范圍，且金相學(xué)已擴(kuò)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(jì)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(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(gè)步驟，但各步驟均要求精心挑選參數(shù)，并必須將其進(jìn)行優(yōu)化，不僅用于各類型陶瓷制品，也用于特殊等級(jí)。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(xué)性，蝕刻是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的步驟。

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