掃描電鏡在合金金相分析中的應用

更新時間2024-03-12
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我國著名科學家王大珩院士曾指出“儀器是認識世界的工具！"電子顯微鏡作為一種常規的認識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、金相分析的應用、掃描電鏡在合金金相分析中的應用、金相分析應用實例等方面進行闡述。

什么是金相？

“金"指金屬和合金，“相"指合金中具有同一晶體結構、同一性質、均勻化學成分并以一定界面相互隔開的組成部分。那么金相體現了金屬和合金內部結構、性質、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成的，化學性質、晶體結構和物理性能相同的組成結構統稱為金相組織，而材料其能通常由各相自身的結構和組合情況決定。金屬材料內部的相結構會隨外部條件和內在因素而改變（外部條件是指溫度、形變、澆注情況等；內在因素主要指組元含量，晶體結構，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（組成合金的基本獨立物質，可為金屬、非金屬或化合物）原子為溶質原子溶于第一組元（溶劑）中并且保持溶劑的晶體結構類型。固溶體又可細分為間隙式和置換式。

當合金由兩個組元組成時，除了形成固溶體外還能形成與兩個組元結構均不相同的新相。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。中間相又可細分為正常價化合物、電子化合物、尺寸因素化合物、超結構（有序固溶體）。

金相分析的應用

合金的性能由組成它的成分和微觀組織結構決定。通過對合金微觀組織的觀察分析可以預測判斷其性能。金相分析可以應用在諸多方面，例如金屬硬度測定，脫碳層、滲碳硬化層深度測定、非金屬夾雜物質含量測定、合金鋼熱處理工藝的研究、失效分析、產品質量品控、事故分析等等。

掃描電鏡在合金金相分析中的應用

通常分析金相組織會使用金相顯微鏡來進行觀察，但對于金相顯微組織中的一些微觀結構，金相顯微鏡往往倍數不夠難以觀察，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到之處。除了在高倍鏡下得到細節清晰、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構的關系，所以比較廣泛應用于金相分析領域。

金屬材料的失效分析是金相分析主要的應用領域之一。利用金相分析可以找出因形變、磨損、腐蝕等原因發生的器件失效。以鐵碳合金為例，魏氏體會降低鋼的韌性、塑性和強度，大幅增加脆性；粗大的馬氏體會嚴重降低材料強韌性；材料的石墨化會破壞組元連續性，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，精細結構的分析如金屬間化合物相、碳化物相、硼化物相等，光學顯微鏡并不能明確分辨，所以一般會在光學分析的基礎上結合掃描電鏡進行結構分析和微區成分分析，利用波譜儀、能譜儀等協助完成。

金相分析應用實例

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。按強化手段可以分為固溶強化型及時效沉淀強化型兩大類。