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企业动态

徕卡显微镜|如何展现金属与合金材料的微观结构特征

发布时间:2017-02-07   点击次数:716次

金相学是研究各类金属合金微观结构的一门学科,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、夹杂物或相位的科学学科。广义来说,这些相同的原则可应用于任何材料的表征。

在显示金属的微观结构特征时,可使用不同的技术手段。在明视场模式下使用入射光显微技术进行大多数调查研究,而对于其他不太常见的反差技术,例如,暗场或微分干涉差 (DIC),以及色彩(色调)蚀刻等技术,正在金相学应用领域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。重要的机械性能,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。对微观结构和宏观性质之间的关系理解,在材料的开发和制造方面起着关键作用,是金相学的zui终目标。

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,他对谢菲尔德(英国)采用现代化技术制造的钢铁进行了开创性研究,突出了微观结构和宏观性质之间的密切。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检查,正因这项建议,我曾被认为是处理此类问题的zui佳人选。然而,目前这种措施已经变得非常普遍了…”

一、久远却重要

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zui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,屈服强度和硬度总体提高
各向异性的机械性能与伸长的晶粒及/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征的关联,如第二相粒子

通过检查和确定材料微观结构的数量,可以更好地了解其性能。因此,在组件使用寿命内,金相学几乎可用于所有阶段:从zui初的材料开发到检查、生产、制造过程控制,以及故障分析(如需)。金相学原理有助于确保产品的可靠性。

 

二、既定且直观的方法

材料微观结构的分析,有助于确定材料是否已正确处理,因而,在很多行业中,这通常是一个重要问题。适当的金相检验基本步骤包括:取样、样本制备(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*步:取样,这是任何后续研究成功的关键:待分析样本必须为被评估的代表性材料。第二步也同样重要,即正确制备金相样本,没有独特的方式可以达到期望的结果。

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,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。

蚀刻是zui可能产生变化的步骤,所以仔细选择zui佳的蚀刻成分,并控制蚀刻温度和蚀刻时间,是获取确定及可复验结果的必要条件。需要多次的尝试和错误的实验方法,以便为该步骤找出zui佳的参数。

三、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,因为相比任何其他材料组,其提供的性质范围更广。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,随着技术规范的演变,陶瓷、聚合物或天然材料已涵盖于更广泛的应用范围,且金相学已经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。其他的性能还包括,的高温性能以及在恶劣环境下良好的耐磨损力、抗氧化或抗腐蚀性。但是,这些材料的所有优势都会受到化学成分、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,确保其不仅适用于各类型陶瓷制品,同时也适用于特殊等级。这些材料固有的易碎性质使其在制备的各个步骤中,从切割刀zui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。

四、超越明场

几十年来,光学显微镜一直用于深入观察材料的微观结构。

明场 (BF) 照明是金相分析中zui常用的照明技术。在入射明场中,光路来自于光源,穿过物镜透镜,反射在样本表面上,并通过物镜返回,且zui终照射至目镜或照相机,实现观察的目的。由于大量入射光反射到物镜透镜上,导致平面上产生一个明亮的背景,而当入射光分散并以各种角度反射或甚至部分被吸收时,非平面上会显得较暗,如裂纹、细孔、腐蚀的晶界或以明显反射率为特征,再如表面上的沉淀物及第二相夹杂物等。

五、生活是多姿多彩的
微观结构的自然色彩使用通常在金相应用领域中是非常有限的,但当利用某些光学方法时,色彩却能够反应出有用的信息,如偏振光或微分干涉差,或样品制备方法,如色彩蚀刻。

徕卡偏光显微镜对于检查钛、铍、铀和锆等非立方晶体结构金属非常有用。遗憾的是,主要的商用合金(铁、铜和铝)对偏振光并不敏感,所以色彩或色调蚀刻提供了额外的方法,以便显示并辨别微观结构的特征。

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