掃描電鏡在合金金相分析中的應(yīng)用

更新時(shí)間2024-03-12
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我國(guó)著名科學(xué)家王大珩院士曾指出“儀器是認(rèn)識(shí)世界的工具！"電子顯微鏡作為一種常規(guī)的認(rèn)識(shí)亞微米以及納米尺度微觀世界的重要工具，在合金金相分析的過程中發(fā)揮了重要作用。本文著重從金相的定義、金相的類型、金相分析的應(yīng)用、掃描電鏡在合金金相分析中的應(yīng)用、金相分析應(yīng)用實(shí)例等方面進(jìn)行闡述。

什么是金相？

“金"指金屬和合金，“相"指合金中具有同一晶體結(jié)構(gòu)、同一性質(zhì)、均勻化學(xué)成分并以一定界面相互隔開的組成部分。那么金相體現(xiàn)了金屬和合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、成分、分布。目前使用廣泛的是由鐵和碳組成的合金，普遍為碳鋼和鑄鐵。由一種相組成的金屬或合金稱為單相，由多種相組成的既為多相。金屬材料中由相基本構(gòu)成的，化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組成結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為金相組織，而材料其能通常由各相自身的結(jié)構(gòu)和組合情況決定。金屬材料內(nèi)部的相結(jié)構(gòu)會(huì)隨外部條件和內(nèi)在因素而改變（外部條件是指溫度、形變、澆注情況等；內(nèi)在因素主要指組元含量，晶體結(jié)構(gòu)，原子尺寸等）。

金相的類型

金屬材料的金相組織大致可分為固溶體、化合物及純物質(zhì)三大類。其中合金相基本可分為固溶體和中間相兩類。

固溶體是將第二組元（組成合金的基本獨(dú)立物質(zhì)，可為金屬、非金屬或化合物）原子為溶質(zhì)原子溶于第一組元（溶劑）中并且保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。固溶體又可細(xì)分為間隙式和置換式。

當(dāng)合金由兩個(gè)組元組成時(shí)，除了形成固溶體外還能形成與兩個(gè)組元結(jié)構(gòu)均不相同的新相。由于這種新相一般在二元相圖中處于中間位置，所以通常稱其為中間相。中間相又可細(xì)分為正常價(jià)化合物、電子化合物、尺寸因素化合物、超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）。

金相分析的應(yīng)用

合金的性能由組成它的成分和微觀組織結(jié)構(gòu)決定。通過對(duì)合金微觀組織的觀察分析可以預(yù)測(cè)判斷其性能。金相分析可以應(yīng)用在諸多方面，例如金屬硬度測(cè)定，脫碳層、滲碳硬化層深度測(cè)定、非金屬夾雜物質(zhì)含量測(cè)定、合金鋼熱處理工藝的研究、失效分析、產(chǎn)品質(zhì)量品控、事故分析等等。

掃描電鏡在合金金相分析中的應(yīng)用

通常分析金相組織會(huì)使用金相顯微鏡來進(jìn)行觀察，但對(duì)于金相顯微組織中的一些微觀結(jié)構(gòu)，金相顯微鏡往往倍數(shù)不夠難以觀察，所以采用透射電鏡和掃描電鏡做高倍觀察。掃描電鏡用于金屬及合金的顯微組織鑒別和相分析有獨(dú)到之處。除了在高倍鏡下得到細(xì)節(jié)清晰、分辨率高的圖片用于組織分析外，掃描電鏡配有的波譜儀和能譜儀可以分析顯微組織、夾雜物及第二相中的元素組成情況；采用線掃描和面掃描可以顯示元素分布情況。由于制樣方便，可研究斷裂與顯微組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，所以比較廣泛應(yīng)用于金相分析領(lǐng)域。

金屬材料的失效分析是金相分析主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。利用金相分析可以找出因形變、磨損、腐蝕等原因發(fā)生的器件失效。以鐵碳合金為例，魏氏體會(huì)降低鋼的韌性、塑性和強(qiáng)度，大幅增加脆性；粗大的馬氏體會(huì)嚴(yán)重降低材料強(qiáng)韌性；材料的石墨化會(huì)破壞組元連續(xù)性，碳含量降低，增大了脆性斷裂的可能。在失效分析中，一些基本顯微組織例如屈氏體、隱針馬氏體，精細(xì)結(jié)構(gòu)的分析如金屬間化合物相、碳化物相、硼化物相等，光學(xué)顯微鏡并不能明確分辨，所以一般會(huì)在光學(xué)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合掃描電鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和微區(qū)成分分析，利用波譜儀、能譜儀等協(xié)助完成。

金相分析應(yīng)用實(shí)例

金相鎳基高溫合金γ‘相

鎳基合金是高溫合金中性能最好、使用較廣、品種較多的一類合金。按強(qiáng)化手段可以分為固溶強(qiáng)化型及時(shí)效沉淀強(qiáng)化型兩大類。

圖1 EM8100拍攝鎳基合金放大2000倍

圖2 EM8100拍攝鎳基合金放大20000倍

α+β型鈦合金

鈦及鈦合金具有各種優(yōu)良性能（密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無(wú)磁、無(wú)毒等）已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、石油、化工、機(jī)械、醫(yī)療、能源等許多領(lǐng)域。

通常將鈦合金劃分為三大類：α型、α+β型和β型合金

α相是合金元素融入α-Ti中形成的固溶體，呈密排六方結(jié)構(gòu)，β相是合金元素融入β-Ti中形成的固溶體，呈體心立方結(jié)構(gòu)。

圖3 EM6900拍攝鈦合金放大5000倍

圖4 EM6900拍攝鈦合金放大20000倍

掃描電鏡在金屬材料行業(yè)有著多角度多方向的應(yīng)用，能夠?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)檢和工藝控制提供保障。

中科科儀多年來一直致力于掃描電子顯微鏡產(chǎn)品的研制開發(fā)和技術(shù)升級(jí)，于1975年成功研制我國(guó)第一臺(tái)掃描電鏡，2014年成功研制我國(guó)第一臺(tái)場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡，目前分辨率達(dá)到國(guó)際水平。KYKY掃描電鏡可以為材料商產(chǎn)品優(yōu)化和品控提供支持。

參考文獻(xiàn)：

上海機(jī)械制造工藝所. 金相分析技術(shù)[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1987.

上海機(jī)械制造工藝所，金相分析原理及技術(shù)，上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2013

趙紅艷. 高熵固溶體合金的相組成和力學(xué)性能研究[D].大連理工大學(xué),2015.

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