金相學——簡介

如何揭示金屬和合金的微觀結構特征

本文概述了金相學和金屬合金的表征。不同的顯微鏡技術用于研究合金微觀結構，即晶粒、相、夾雜物等的微觀結構。 金相學是從了解合金微觀結構對宏觀性能影響的需要發展而來的。所獲得的知識可用于合金材料的設計、開發和制造。

什么是金相學？

金相學是研究所有類型金屬合金的微觀結構。它可以更準確地定義為觀察和確定金屬合金中晶粒、成分、夾雜物或相的化學和原子結構以及空間分布的科學學科。通過擴展，這些相同的原理可以應用于任何材料的表征。

不同的技術被用來揭示金屬的微觀結構特征。大多數研究都是在明場模式下使用入射光顯微鏡進行的，但其他不太常見的對比技術，如暗場或微分干涉對比 (DIC)，以及顏色（色調）蝕刻的使用正在擴大光學顯微鏡在金相應用中的范圍。

金屬材料的許多重要的宏觀特性對微觀結構高度敏感。關鍵的機械性能，如拉伸強度或伸長率，以及其他熱或電性能，與微觀結構直接相關。理解微觀結構與宏觀性能之間的關系在材料的開發和制造中起著關鍵作用，是金相學的最終目標。

正如我們今天所知，金相學在很大程度上歸功于 19 世紀科學家 Henry Clifton Sorby 的貢獻。他在謝菲爾德（英國）的現代鋼鐵制造方面的開創性工作突出了微觀結構和宏觀性能之間的這種密切聯系。正如他在生命的最后階段所說：“早期，如果發生鐵路事故，我建議公司拿起一條鐵路并用顯微鏡檢查，我會被視為適合送去精神病院的人。但這就是現在正在做的……”

傳統而重要

連同顯微鏡技術的新發展，以及最近在計算的幫助下，金相學已成為過去一百年來科學和工業進步的寶貴工具。

使用光學顯微鏡在金相學中建立的一些微觀結構和宏觀性能之間最早的相關性包括：

隨著晶粒尺寸的減小，屈服強度和硬度普遍增加

具有細長晶粒和/或優選晶粒取向的各向異性機械性能

隨著夾雜物含量的增加，延展性降低的總體趨勢

夾雜物含量和分布對疲勞裂紋擴展速率（金屬）和斷裂韌性參數（陶瓷）的直接影響

失效起始點與材料不連續性或微觀結構特征（如第二相顆粒）的關聯

通過檢查和量化材料的微觀結構，可以更好地了解其性能。因此，金相學幾乎用于部件生命周期的所有階段：從最初的材料開發到檢查、生產、制造過程控制，甚至在需要時進行故障分析。金相學原理有助于確保產品的可靠性。

珠光體灰色鑄鐵形貌圖

一種既定直觀的方法

分析材料的微觀結構有助于確定材料是否已正確加工，因此通常是許多行業的關鍵問題。正確的金相檢驗的基本步驟包括：取樣、試樣制備（切片和切割、鑲嵌、平面磨削、粗拋光和最終拋光、蝕刻）、顯微觀察、數字成像和記錄，以及通過立體或圖像分析方法提取定量數據。

不僅僅是金屬：金相學

金屬及其合金在許多形式的技術發展中仍然發揮著重要作用，因為它們提供的性能范圍比任何其他材料組都要廣泛。標準化金屬材料的數量已擴展到數千種，并且還在不斷增加以滿足新的要求。

然而，隨著規格的發展，陶瓷、聚合物或天然材料已被添加以涵蓋更廣泛的應用，并且金相學已擴展到包含從電子到復合材料的新材料。術語“金相學”現在被更通用的“材料學”所取代，以處理陶瓷“陶瓷學”或聚合物“塑性學”。

與金屬相比，高性能或工程陶瓷具有更高的硬度值，盡管它們本質上很脆。其他突出的特性包括出色的高溫性能和在侵蝕性環境中良好的抗磨損、抗氧化或抗腐蝕能力。然而，這些材料所能提供的全部優勢受到化學成分（雜質和微觀結構）的強烈影響。<

與金相制備類似，必須執行連續步驟來制備用于微觀結構研究的陶瓷樣品，但每一步都需要仔細選擇參數，并且必須優化，不僅針對每種類型的陶瓷，而且針對特定等級.它們固有的脆性使得建議在從切片到最終拋光的每個準備步驟中用金剛石代替傳統磨料。由于陶瓷的耐化學性，蝕刻可能是一個挑戰。

超越明場

幾十年來，光學顯微鏡一直被用于深入了解材料的微觀結構。 明場 (BF) 照明是金相分析中最常用的照明技術。在入射BF中，光路來自光源，穿過物鏡，從樣品表面反射，通過物鏡返回，最后到達目鏡或相機進行觀察。由于大量入射光反射到物鏡中，平坦的表面會產生明亮的背景，而非平坦的特征，例如裂紋、孔隙、蝕刻的晶界或具有明顯反射率的特征，例如沉淀物和第二相夾雜物由于入射光以各種角度散射和反射，甚至部分吸收，因此表面看起來更暗。 暗場 (DF) 是一種鮮為人知但功能強大的照明技術。 DF 照明的光路穿過物鏡的外空心環，以高入射角落在樣品上，從表面反射，然后穿過物鏡內部，最后到達目鏡或相機。這種類型的照明會導致平面看起來很暗，因為絕大多數以高入射角反射的光會錯過物鏡的內部。對于具有平坦表面的樣品，偶爾會出現非平坦特征（裂縫、孔隙、蝕刻晶界等），DF 圖像顯示暗背景，具有與非平坦特征相對應的較亮區域，這會將更多光散射到物鏡中。