金相學：微觀形貌斷口特征簡介
金相學——簡介
如何(he)揭示金(jin)屬和合(he)金(jin)的微觀結構特征
本文概(gai)述了(le)金(jin)相學(xue)和金(jin)屬(shu)合(he)金(jin)的表征(zheng)。不同的顯微(wei)鏡技術用(yong)于研究合(he)金(jin)微(wei)觀結(jie)(jie)構，即晶粒、相、夾雜物等的微(wei)觀結(jie)(jie)構。 金(jin)相學(xue)是從了(le)解合(he)金(jin)微(wei)觀結(jie)(jie)構對宏(hong)觀性能影響的需要發展而來的。所獲(huo)得(de)的知識可用(yong)于合(he)金(jin)材(cai)料的設計、開發和制造。
什么是金(jin)相學？
金(jin)(jin)相學是研(yan)究(jiu)所有(you)類型(xing)金(jin)(jin)屬合金(jin)(jin)的微觀(guan)結(jie)構。它可(ke)以更準確地定義(yi)為觀(guan)察和確定金(jin)(jin)屬合金(jin)(jin)中晶粒、成分、夾雜物或相的化學和原子結(jie)構以及空間(jian)分布的科學學科。通(tong)過擴展(zhan)，這(zhe)些相同的原理(li)可(ke)以應用(yong)于任何材(cai)料(liao)的表征(zheng)。
不(bu)同(tong)的技(ji)術被(bei)用(yong)來揭示(shi)金屬的微(wei)觀結構(gou)特征。大(da)多數研(yan)究都是在(zai)(zai)明場模式(shi)下使用(yong)入(ru)射光顯(xian)微(wei)鏡(jing)進(jin)行的，但其他不(bu)太常見的對(dui)比(bi)(bi)技(ji)術，如暗場或微(wei)分干涉(she)對(dui)比(bi)(bi) (DIC)，以及顏色(se)（色(se)調）蝕刻的使用(yong)正在(zai)(zai)擴(kuo)大(da)光學顯(xian)微(wei)鏡(jing)在(zai)(zai)金相(xiang)應(ying)用(yong)中的范圍。
金屬材(cai)料(liao)的(de)(de)許多重要的(de)(de)宏(hong)觀特性對微觀結(jie)構(gou)高度敏感(gan)。關(guan)鍵(jian)的(de)(de)機械性能(neng)，如拉(la)伸(shen)強度或伸(shen)長率，以及(ji)其他熱或電(dian)性能(neng)，與微觀結(jie)構(gou)直(zhi)接相關(guan)。理解(jie)微觀結(jie)構(gou)與宏(hong)觀性能(neng)之間的(de)(de)關(guan)系在(zai)材(cai)料(liao)的(de)(de)開發和制造中起著關(guan)鍵(jian)作用，是金相學的(de)(de)最終目標。
正如我(wo)們今天所知，金相學在(zai)很大程度上歸功于 19 世紀(ji)科學家 Henry Clifton Sorby 的(de)貢(gong)獻。他在(zai)謝菲爾德（英國）的(de)現代鋼鐵制造方面的(de)開創性工作(zuo)突出了(le)微(wei)觀結構和宏觀性能之間(jian)的(de)這種(zhong)密切聯系。正如他在(zai)生命的(de)最后階段所說：“早期，如果發(fa)生鐵路(lu)事故，我(wo)建議公司拿(na)起(qi)一條鐵路(lu)并用顯微(wei)鏡(jing)檢查(cha)，我(wo)會被視為(wei)適合送去精神(shen)病(bing)院的(de)人(ren)。但這就(jiu)是現在(zai)正在(zai)做(zuo)的(de)……”
傳統(tong)而重要
連同顯微鏡(jing)技(ji)術的新發展，以(yi)及最近在計算的幫(bang)助下，金相學(xue)已成為過去一百年來(lai)科(ke)學(xue)和工業進步的寶貴工具。
使用光學顯(xian)微(wei)鏡在金相(xiang)學中(zhong)建立的(de)一(yi)些微(wei)觀結構和宏觀性(xing)能之間(jian)最早的(de)相(xiang)關性(xing)包括：
隨著晶粒尺(chi)寸的減(jian)小，屈(qu)服強度和硬(ying)度普遍增加(jia)
具有細長(chang)晶粒和/或優選(xuan)晶粒取向的各(ge)向異性(xing)機械(xie)性(xing)能(neng)
隨著(zhu)夾雜(za)物含量的增加，延展性(xing)降低的總體趨勢
夾雜物含(han)量和(he)分(fen)布對疲勞裂紋擴展速(su)率（金(jin)屬）和(he)斷裂韌性參數（陶瓷）的(de)直接影(ying)響
失(shi)效(xiao)起始點與材料不連續性(xing)或(huo)微觀(guan)結構特征（如第二相顆粒）的關聯
通過(guo)(guo)檢查和量化材(cai)料的(de)微(wei)觀結構，可(ke)以更好地了解其(qi)性能。因此，金(jin)(jin)相學幾乎用于部件生(sheng)命周(zhou)期的(de)所有階段(duan)：從最初的(de)材(cai)料開(kai)發到(dao)檢查、生(sheng)產、制(zhi)造過(guo)(guo)程(cheng)控制(zhi)，甚至在需要時進行故障分析。金(jin)(jin)相學原理有助(zhu)于確保產品的(de)可(ke)靠性。
珠光(guang)體灰(hui)色鑄(zhu)鐵(tie)形貌圖(tu)
一種既定直觀的方法(fa)
分析材料的微觀結構有助(zhu)于確定材料是否已(yi)正確加工，因此通(tong)(tong)常是許多行業的關鍵問題(ti)。正確的金相檢(jian)驗的基本步驟包(bao)括：取樣、試樣制備（切片和切割、鑲嵌(qian)、平面磨(mo)削(xue)、粗拋光(guang)和最終拋光(guang)、蝕刻）、顯微觀察、數(shu)字成像和記錄，以及通(tong)(tong)過立體或圖像分(fen)析方法提取定量數(shu)據。
金相(xiang)分析(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)第(di)一(yi)(yi)步(bu)——取樣(yang)——對(dui)于任何后續研(yan)究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)功都(dou)至關重(zhong)(zhong)要(yao)：要(yao)分析(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)樣(yang)品(pin)必(bi)須(xu)能(neng)夠代表被評估的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)。第(di)二個同樣(yang)重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)驟是(shi)正確制備金相(xiang)試樣(yang)，這里沒(mei)有(you)獨特的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法來(lai)(lai)獲得所需的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果。 金相(xiang)學(xue)在傳統(tong)上(shang)被描述為一(yi)(yi)門(men)科學(xue)和(he)一(yi)(yi)門(men)藝術，這種說法的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)在于經(jing)驗和(he)直覺對(dui)于暴(bao)露材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)真實結構而不造成(cheng)(cheng)(cheng)重(zhong)(zhong)大變(bian)化或損壞同等重(zhong)(zhong)要(yao)，以便(bian)揭示和(he)使(shi)感興趣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特征變(bian)得可測量。 蝕(shi)刻(ke)可能(neng)是(shi)變(bian)化最大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)步(bu)驟，因(yin)此必(bi)須(xu)仔細選擇(ze)最佳(jia)蝕(shi)刻(ke)成(cheng)(cheng)(cheng)分并控(kong)制蝕(shi)刻(ke)劑溫度和(he)蝕(shi)刻(ke)時(shi)間，才能(neng)獲得可靠且(qie)可重(zhong)(zhong)復(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果。通(tong)常需要(yao)反復(fu)試驗的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實驗方法來(lai)(lai)找到該步(bu)驟的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最佳(jia)參數。
不僅(jin)僅(jin)是金屬：金相學
金屬及(ji)其合金在(zai)許多形式的技術發(fa)展(zhan)中仍然(ran)發(fa)揮著重(zhong)要(yao)(yao)作用，因為它們提供的性(xing)能(neng)范圍比任何(he)其他材料組都要(yao)(yao)廣泛。標準化金屬材料的數量已擴展(zhan)到數千種，并(bing)且還在(zai)不斷增加以(yi)滿足新的要(yao)(yao)求。
然而，隨著規(gui)格(ge)的(de)發(fa)展，陶瓷、聚(ju)合(he)(he)物或(huo)(huo)天(tian)然材料已被(bei)添加以涵(han)蓋更(geng)廣泛的(de)應用，并且金相學(xue)已擴(kuo)展到包(bao)含從電子到復合(he)(he)材料的(de)新材料。術語“金相學(xue)”現在被(bei)更(geng)通用的(de)“材料學(xue)”所取代，以處理陶瓷“陶瓷學(xue)”或(huo)(huo)聚(ju)合(he)(he)物“塑性學(xue)”。
與金屬相比，高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)或工程陶瓷具有更高(gao)(gao)的(de)硬度(du)值，盡管它們本質上很脆。其他(ta)突出的(de)特性(xing)包括出色的(de)高(gao)(gao)溫性(xing)能(neng)(neng)和在侵蝕性(xing)環境中(zhong)良好的(de)抗(kang)磨(mo)損、抗(kang)氧(yang)化或抗(kang)腐蝕能(neng)(neng)力。然而，這些(xie)材料(liao)所能(neng)(neng)提供的(de)全部優勢(shi)受到化學(xue)成分(fen)（雜質和微觀(guan)結構）的(de)強烈(lie)影響。<
與金相制備類似，必須執(zhi)行連續步驟來制備用(yong)于微(wei)觀結構研究的陶(tao)瓷(ci)樣品，但每一步都需要仔細選擇參(can)數，并(bing)且(qie)必須優化(hua)，不僅針(zhen)對(dui)每種類型(xing)的陶(tao)瓷(ci)，而且(qie)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)等級.它們固有的脆性(xing)使得建(jian)議在從切片到最終拋光的每個準備步驟中(zhong)用(yong)金剛石代替傳統磨(mo)料。由于陶(tao)瓷(ci)的耐化(hua)學性(xing)，蝕刻可(ke)能是一個挑戰。
超越明(ming)場
幾十年來(lai)，光(guang)學顯微鏡一(yi)直被用于深入(ru)了解材料的微觀結構。 明場 (BF) 照(zhao)明是(shi)金相分(fen)析中最(zui)常用的(de)(de)(de)照(zhao)明技(ji)術。在(zai)(zai)入(ru)射(she)(she)(she)(she)BF中，光(guang)(guang)路來自光(guang)(guang)源，穿過物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)，從樣品表(biao)(biao)面(mian)反(fan)射(she)(she)(she)(she)，通過物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)返(fan)回(hui)，最(zui)后到達(da)目鏡(jing)(jing)(jing)或相機進行(xing)觀察(cha)。由于大(da)量(liang)入(ru)射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)反(fan)射(she)(she)(she)(she)到物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)中，平(ping)坦(tan)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)會產生明亮的(de)(de)(de)背景，而非平(ping)坦(tan)的(de)(de)(de)特(te)征，例如(ru)(ru)裂(lie)紋、孔隙、蝕刻的(de)(de)(de)晶(jing)界或具有(you)明顯反(fan)射(she)(she)(she)(she)率的(de)(de)(de)特(te)征，例如(ru)(ru)沉淀物(wu)和(he)第(di)二相夾雜物(wu)由于入(ru)射(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)以各種角(jiao)度散射(she)(she)(she)(she)和(he)反(fan)射(she)(she)(she)(she)，甚至(zhi)部(bu)分(fen)吸收，因此表(biao)(biao)面(mian)看起來更暗。 暗場 (DF) 是(shi)一(yi)種鮮為(wei)人知(zhi)但功能(neng)強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)照(zhao)明技(ji)術。 DF 照(zhao)明的(de)(de)(de)光(guang)(guang)路穿過物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)外空心環，以高(gao)入(ru)射(she)(she)(she)(she)角(jiao)落(luo)在(zai)(zai)樣品上，從表(biao)(biao)面(mian)反(fan)射(she)(she)(she)(she)，然后穿過物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)內部(bu)，最(zui)后到達(da)目鏡(jing)(jing)(jing)或相機。這(zhe)種類型的(de)(de)(de)照(zhao)明會導致平(ping)面(mian)看起來很(hen)暗，因為(wei)絕大(da)多(duo)數以高(gao)入(ru)射(she)(she)(she)(she)角(jiao)反(fan)射(she)(she)(she)(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)會錯過物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)內部(bu)。對(dui)于具有(you)平(ping)坦(tan)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)樣品，偶爾會出現非平(ping)坦(tan)特(te)征（裂(lie)縫、孔隙、蝕刻晶(jing)界等(deng)），DF 圖像顯示(shi)暗背景，具有(you)與非平(ping)坦(tan)特(te)征相對(dui)應的(de)(de)(de)較(jiao)亮區域，這(zhe)會將更多(duo)光(guang)(guang)散射(she)(she)(she)(she)到物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)中。
