金相分析 概述

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1、第一讲 金相分析技术之概述1.1 金相分析技术金相分析技术是指用光学金相显微镜，观察，记录，分析，金属材料的微观 组织结构的技术。铁碳合金根据含碳量的不同分为亚共析钢，共析钢，过共析钢，白口铸铁等。 不同成分的钢，它们的金相组织各不相同。另外成分相同的钢，根据热处理状态 不同，它的组织结构也各不相同。组织不同，材料的性能也不相同。所以，成分， 热处理状态等，决定了材料的组织，材料的组织结构，又决定着材料的各种性能。 可见，研究材料组织结构的重要作用。金属材料的结构，可分为：原子结构、晶体结构、组织结构和宏观结构。我们所研究的主要是金属材料。要对这些材料进行合理地，有效地使用，充 分发挥它们的潜

2、力，必须要了解和掌握它们的某种或某些性能。为了达到这个目 的，必须对材料进行测试。实际上金相分析技术应该是材料测试的一种。往往和 其它测试手段共同进行，综合分析。1.2 材料的测试技术材料的测试，从它的根本意义来说，它是属于信息技术的具体的应用。因为 它是通过采用一定的方法，将材料的某种性能有关的内涵信息，进行提取，分离， 输出，转换，处理，显示，记录，分析等等。经过这样一些过程，从而得到，我 们所要探求的，真实的性能特征。然后，将这些处理后的信息反馈到生产现场或实验室，对生产或实验进行指 导或进行控制。例如：最简单的是金属的拉伸试验.。近年来，由于近代物理，化学，光学，声学，及微电子，材料科

3、学，计算机 自动控制等学科的迅速发展，提供了很多敏感元件，转换元件，检测器件，显示 和记录装置等器材和技术，这样不仅使以前的测试方法和仪器有了很大的改进和 更新。同时也开发了一些新的设备解决了以前所不能解决的问题。如：硬度计。便携式，现场金相分析仪，高温金相分析仪及可以看到原子的 扫描遂道电子显微镜，原子力显微镜，快速金相显微镜，可以看到动态变化的显 微镜等等。现在的检测技术要求：是向着快速，简便，精确，自动化，多功能，低费用 的方向发展。例如：以前化学分析到现在的光谱分析 以前洗相照相到现在的电脑，打印机输出。1.2.1关于材料测试的重要意义：我们可以从实际应用中的一些例子看出1、在设计新的

4、设备，或新的构件时就必须选用合适的材料，这就必须提供材料 有关的性能数据，特别需要提供设备或构件实际服役的性能，来作为设计的 依据。如航空母舰的钢板。飞机发动机的材料。2、在合成和制备新材料或制定新工艺时，要对材料的性能进行比较，筛选，和 确定最佳方案。如焊接工艺评定。3、在工业生产中，对投产的原材料的质量，必须进行检查，用来了解它是不是 符合规格，用来保证产品的质量。如压力容器的生产。4、在生产加工过程中要对各道工序前后的材料半成品，成品的性能进行监控，来明确每道工序是否稳定正常。如压力容器的锻件。5、对设备和构件在服役条件下的安全和可靠性进行评估，以确保它在服役过程 中能够有效正常的工作。

5、如蒸汽锅炉炉管。6、对设备和构件故障和失效时要分析设备构件所使用的材料，在使用条件下性 能的变化并探讨故障和失效发生的原因，从而寻求解决和改进和途径。螺栓 断裂失效。7、在材料的宏观性能和微观组织结构中之间往往存在着密切的联系。目前材料 的微观组织结构与宏观性能之间的关系，也还仅限于定性。因为影响因素很 多，内部的结构还只限于对性能的说明，解释。人们一直都想通过物理测试的研究，来提示材料的组织结构和宏观性能之间 的一些定量关系，并找出一些规律。近几年来，发展的比较快，虽然有些还不那 么尽如人意，但前景还是很好的。以前人们对材料的研究，很多是盲目的。如球墨铸铁的生产。所以，人们很 想，很希望建立

6、起微观组织结构和宏观性质上的这种定量的联系。但是实验和理 论上都有很多困难，不过人们还是在不断地追求。现在由于实验设备和技术的飞速发展人们已经能够用透射电镜和真空扫描 遂道电子显微镜，直接看到原子的排列，但只是二维的平面排列。最近正在研究用 X 射线激光，建立三维的 X 射线显微镜，进行三维的晶格 全息照像。这样就能掌握了，原子的三维排列的细节。可以测原子的分布，缺陷， 电子状态等。掌握每个原子周围的环境。如健角，健长等数据。在理论上，最近发展的介观层次理论，把宏观，微观更现实地联系起来。介 观：位错，位错胞等。微观：原子结构。宏观：射线，探伤，宏观照像。另外计算机技术的发展：可以对原子层次的

7、理论进行计算，结果与实验的结 果很相近。这样人们就可以把这些原子，电子层次的信息通过一系列的理论模型，计算 出固体材料的宏观性质。如力学性质，热力学性质，电磁性质，光学性质等。这 样建立起一个严格的定量的材料科学理论。我们在研究新材料时，就可以根据材 料的使用要求，设计出它的成分，原子排列，电子状态，直到介观组织结构，最 后，用适当的工艺手段把它生产出来。不过现在还不行，要用常规的测试方法检验常规的材料性能。1.2.2测试技术实际包括两个方面 一方面是性能测试，另一方面是是结构测试1、性能测试包括：力学性能；化学性能；物理性能；加工性能等等。2、结构测试包括：广义的结构概念包括材料的成分，组织

8、，结构，状态等。材料的性能，特别是宏观性能，最终都是由材料内在的结构决定的。内在的 总是要真实的反应在外在的表面。从宏观的金相晶粒尺度上，微观原子尺度上。原子的晶格类型介观的亚晶界， 位错，纳米尺度上都会影响材料的性能。研究金属结构对性能的影响，就可以对改善金属材料的性能提供线索和依 据。对新材料的设计，提供性能的预测和考虑的思路。1.2.3各个层次的组织结构测试方法就一般材料的结构来说：可分为宏观，介观，微观三个层次。介观结构以前不作为一个独立的层次，但现在逐步被人们所重视起来了。主 要是纳米材料的研究，它是微观，宏观的连接点也是组织结构和性能关系的关健 点。对于机械工程材料来说，晶粒尺度的

9、参量测试应该更重要一些。对于功能材料来说，微观层次的原子层次，分子层次，或电子层次的参量测 试可能就更重要一些。1、宏观测试的有：宏观（照像）检验分析表面热蚀和冷蚀 射线，探伤，超声探伤。2、介观测试的有：光学金相显微镜组织分析扫描电镜，形镜X 射线形貌术3、微观测试的有：透射电镜X 射线衍射 电子谱，中子衍射，射线谱，电子衍射等。它们的目的及特点，各不相同，检验方法也有各自的优缺点。宏观组织检验，主要指的是用肉眼或借助 30 倍以下的放大镜，对金属的组 织结构或缺陷进行检查包括：断口检验，酸蚀，硫印，磷印等。 宏观断口分析：主要是观察断口形貌，来确定断口的起源，以及裂纹的扩展方向。 酸蚀：有

10、热酸蚀和冷酸蚀，主要是用来观察和评定钢中的一些宏观缺陷。如：裂 缝，缩孔，夹渣，偏析，疏松，缩孔等。这些检验方法及评定标准，国家标准都有规定，可以查找。 冷酸蚀对焊缝，熔合区，热影响区，未淬透组织等也能显示出很好的效果。 硫印：主要是对钢中夹杂物，硫化物的分布进行评定。射线探伤：包括超声波探伤和射线探伤。无损检测，焊缝中夹杂物，气孔，未焊 透等。介观层面的分析：有光学金相分析， 还有扫描电镜，透射电镜，也用于观 察金属的组织形貌。透射电镜的分辨率很高可达到0.2lnm。扫描电镜的分辨率在720nm之间， 光学金相显微镜的分辨率在 200500nm 之间，人的肉眼的分辨率只有 105 nm 即

11、0.lmm。1m=103mm=10 口 m=109 nm=1OioA透射电镜具有高的分辨率，可以看到位错的形貌，甚至可以看到原子像。但 它的试样制作起来比较麻烦，有复型，一次复型，二次复型等。或要把试样减薄。 扫描电镜分辨率，不如透射电镜，但也很高在 100A 左右。景深大，能清晰地看 到显示出粗糙样品的表面形貌，而且放大倍数可以连续变化。从几十倍到几十万 倍，组织立体感很强。可以观察断口表面，试样的制备也很简单。微观层面分析：测金属的晶体结构最早采用 X 射线衍射，利用 X 射线与晶体交互作用，产生的衍射花样来确 定某些相的结构，测点阵常数，晶格类型。试样制备比较困难，有的采用单晶体， 有的

12、采用510 口 m的粉末。从金属中把某相萃取出来。推导，计算也很复杂。X 射线衍射仪，可以根据衍射线的峰位，线形和衍射强度进行物相鉴定分析。电子显微镜出现以后，也可以用电镜的电子衍射来进行物相分析了。例如用 透射电镜的选区电子衍射。能使微观组织形貌和晶体结构结应起来分析。如晶体 的缺陷，晶体位相等。扫描电镜如果配上电子通道附件，也能用来分析晶体试样 的晶体管取向。对微区成分的测定，采用电子探针 X 射线分析仪简称电子探针。它具有分 析区域小，准确度和灵敏度高，不破坏试样，分析速度快等特点。电子探针可以做点分析，线分析和面分析也可以做相分析状态分析等。 试样制备不复杂试样尺寸最大可达200mm高

13、40mm.对微区低含量的元素也 能进行分析，最低含量 10-3%区域在几个立方微米。1分钟可对全元素进行定性分析，23分钟可对 10个土元素进行定量分析 轻元素分析的准确性如：H, N, C。以前电子探针与透射电镜配套，但现多与 扫描电镜配套。材料的组织结构分析包括三个方面的任务。微观组织的形貌牲征：也就是构成材料各组成相的形状,大小和分布。 结构：是这些组成相的晶体结构晶格类型及与理想结构偏离的所谓缺陷,位 错,界面构造等。成分：不是化学成分分析的平均成分而是各相的成分。所谓的元素的量,或 界面元素的分布叫微区成分分析结构测试技术的一些新的发展动态 介观组织的观察和规律性的研究。主要是对金属

14、中位错的存在及运动的规律 进行的研究有所突破。以前,人们关于位错讨论了几十年50 年代人们成功观察 到了位错,得出了位错的存在,并用位错解释一些力学的现象,如：滑移,攀移, 朔性变形等。最近有人用光学显微镜加上快速摄像机,计算机,及动态拉伸仪。在 1mm2 表面上,测 1500 个点的移动方向和距离。得出位错在外力作用下形成位借胞, 位借胞的转动就萌生裂纹,裂纹扩展就造成了宏观断裂。这个过程可以用严格的 定量关系来描述它变化的数学模型。公式。提出了阻碍这种位错长大的因素就能 提高材料的强度和硬度等。在线监测或遥控监测。 有些大型设备,造价昂贵,使用在危险环境或狭小空间,所以,要使用遥控 技术。

15、利用三维层析探测,可以找到最危险的的部位避免重大事故的发生,可以对 剩余寿命作出正确的评估,延长其使用期限,避免过早停机。更换材料所造成的 重大损失。利用中子技术,测结构成分,用微拉曼谱技术测原子振动频率,频率与原子 力成正比,可以测应力应变的变化及应力传递的规律。 不过象电镜,探针,等设备都很昂贵检验费用也很高,技术也比较复杂,所以选 择时应慎重。光学金相显微镜分析,对工程材料来说也很重要它可以用于控制产品的质 量。包括：原材料检验,中间产品抽查,最终产品检测,在线监测等。 这些虽然是一个统计性质的但可将产品质量控制在某一个范围内。 可见,光学金相分析的方法,在材料的组织分析中具有很大的活力

16、。使用比 较简单，直观。所以在质量检查，失效分析，科研工作中都占有重要的位置。光学金相分析最早在 19世纪中期，英国发现了珠光休组织，1895 年他用直 射照明器使显微镜提高到 650 倍，清晰地看到了珠光体的层片状结构，并推断软 的层片是纯铁，硬的是碳化物，这样“金相学”这个词，就诞生了。最初“金相学”只表示利用光学显微镜研究金属中相的形貌。但后来，随着 各种相关学科和技术的发展“金相学”的覆盖面也逐渐扩大成了综合的研究金属 及合金成分，组织，性能关系的科学。研究手段也推广到包括：肉眼，放大镜，光学显微镜，电子显微镜，X射线 衍射，到现在的扫描遂道电子显微镜。研究范围也包括成分，结构，形貌等。 1.3光学金相包括三方面内容：1、金相技术：包括金相试样的制备，光学显微镜及其附件的使用，金相组织的 识别，定量测量及记录。如：摄像，录像，数字化图像处理，暗室技术等实验技术。2、金相检验：是指对试样的金相组织作出定性鉴别和定量测量等过程。如：确 定各组成相的尺寸，形状，分布特征，晶粒度评级夹杂物的类型，数量及表面处 理层的组织等。3、金相分析：是指对在材料的研究中，出现的某些现象，质量控制，进行广泛 的金相检验后把所得的资料，数据，运用金相原理加以综合分析，来得出科学的 结论。