金相学：微观形貌断口特征简介

金相学——简介

如何揭示金属和合金的微观结构特征

    本文概述了金相学和金属合金的表征。不同的显微镜技术用于研究合金微观结构，即晶粒、相、夹杂物等的微观结构。 金相学是从了解合金微观结构对宏观性能影响的需要发展而来的。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？

    金相学是研究所有类型金属合金的微观结构。它可以更准确地定义为观察和确定金属合金中晶粒、成分、夹杂物或相的化学和原子结构以及空间分布的科学学科。通过扩展，这些相同的原理可以应用于任何材料的表征。

    不同的技术被用来揭示金属的微观结构特征。大多数研究都是在明场模式下使用入射光显微镜进行的，但其他不太常见的对比技术，如暗场或微分干涉对比 (DIC)，以及颜色（色调）蚀刻的使用正在扩大光学显微镜在金相应用中的范围。

    金属材料的许多重要的宏观特性对微观结构高度敏感。关键的机械性能，如拉伸强度或伸长率，以及其他热或电性能，与微观结构直接相关。理解微观结构与宏观性能之间的关系在材料的开发和制造中起着关键作用，是金相学的最终目标。

    正如我们今天所知，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）的现代钢铁制造方面的开创性工作突出了微观结构和宏观性能之间的这种密切联系。正如他在生命的最后阶段所说：“早期，如果发生铁路事故，我建议公司拿起一条铁路并用显微镜检查，我会被视为适合送去精神病院的人。但这就是现在正在做的……”

传统而重要

     连同显微镜技术的新发展，以及最近在计算的帮助下，金相学已成为过去一百年来科学和工业进步的宝贵工具。

使用光学显微镜在金相学中建立的一些微观结构和宏观性能之间最早的相关性包括：

   随着晶粒尺寸的减小，屈服强度和硬度普遍增加

   具有细长晶粒和/或优选晶粒取向的各向异性机械性能

   随着夹杂物含量的增加，延展性降低的总体趋势

   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）的直接影响

   失效起始点与材料不连续性或微观结构特征（如第二相颗粒）的关联

   通过检查和量化材料的微观结构，可以更好地了解其性能。因此，金相学几乎用于部件生命周期的所有阶段：从最初的材料开发到检查、生产、制造过程控制，甚至在需要时进行故障分析。金相学原理有助于确保产品的可靠性。

珠光体灰色铸铁形貌图

一种既定直观的方法

    分析材料的微观结构有助于确定材料是否已正确加工，因此通常是许多行业的关键问题。正确的金相检验的基本步骤包括：取样、试样制备（切片和切割、镶嵌、平面磨削、粗抛光和最终抛光、蚀刻）、显微观察、数字成像和记录，以及通过立体或图像分析方法提取定量数据。

不仅仅是金属：金相学

    金属及其合金在许多形式的技术发展中仍然发挥着重要作用，因为它们提供的性能范围比任何其他材料组都要广泛。标准化金属材料的数量已扩展到数千种，并且还在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被添加以涵盖更广泛的应用，并且金相学已扩展到包含从电子到复合材料的新材料。术语“金相学”现在被更通用的“材料学”所取代，以处理陶瓷“陶瓷学”或聚合物“塑性学”。

    与金属相比，高性能或工程陶瓷具有更高的硬度值，尽管它们本质上很脆。其他突出的特性包括出色的高温性能和在侵蚀性环境中良好的抗磨损、抗氧化或抗腐蚀能力。然而，这些材料所能提供的全部优势受到化学成分（杂质和微观结构）的强烈影响。<

与金相制备类似，必须执行连续步骤来制备用于微观结构研究的陶瓷样品，但每一步都需要仔细选择参数，并且必须优化，不仅针对每种类型的陶瓷，而且针对特定等级.它们固有的脆性使得建议在从切片到最终抛光的每个准备步骤中用金刚石代替传统磨料。由于陶瓷的耐化学性，蚀刻可能是一个挑战。

超越明场

    几十年来，光学显微镜一直被用于深入了解材料的微观结构。 明场 (BF) 照明是金相分析中最常用的照明技术。在入射BF中，光路来自光源，穿过物镜，从样品表面反射，通过物镜返回，最后到达目镜或相机进行观察。由于大量入射光反射到物镜中，平坦的表面会产生明亮的背景，而非平坦的特征，例如裂纹、孔隙、蚀刻的晶界或具有明显反射率的特征，例如沉淀物和第二相夹杂物由于入射光以各种角度散射和反射，甚至部分吸收，因此表面看起来更暗。 暗场 (DF) 是一种鲜为人知但功能强大的照明技术。 DF 照明的光路穿过物镜的外空心环，以高入射角落在样品上，从表面反射，然后穿过物镜内部，最后到达目镜或相机。这种类型的照明会导致平面看起来很暗，因为绝大多数以高入射角反射的光会错过物镜的内部。对于具有平坦表面的样品，偶尔会出现非平坦特征（裂缝、孔隙、蚀刻晶界等），DF 图像显示暗背景，具有与非平坦特征相对应的较亮区域，这会将更多光散射到物镜中。