扫描电镜在合金金相分析中的应用

更新时间2024-03-12
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我国著名科学家王大珩院士曾指出“仪器是认识世界的工具！"电子显微镜作为一种常规的认识亚微米以及纳米尺度微观世界的重要工具，在合金金相分析的过程中发挥了重要作用。本文着重从金相的定义、金相的类型、金相分析的应用、扫描电镜在合金金相分析中的应用、金相分析应用实例等方面进行阐述。

什么是金相？

“金"指金属和合金，“相"指合金中具有同一晶体结构、同一性质、均匀化学成分并以一定界面相互隔开的组成部分。那么金相体现了金属和合金内部结构、性质、成分、分布。目前使用广泛的是由铁和碳组成的合金，普遍为碳钢和铸铁。由一种相组成的金属或合金称为单相，由多种相组成的既为多相。金属材料中由相基本构成的，化学性质、晶体结构和物理性能相同的组成结构统称为金相组织，而材料其能通常由各相自身的结构和组合情况决定。金属材料内部的相结构会随外部条件和内在因素而改变（外部条件是指温度、形变、浇注情况等；内在因素主要指组元含量，晶体结构，原子尺寸等）。

金相的类型

金属材料的金相组织大致可分为固溶体、化合物及纯物质三大类。其中合金相基本可分为固溶体和中间相两类。

固溶体是将第二组元（组成合金的基本独立物质，可为金属、非金属或化合物）原子为溶质原子溶于第一组元（溶剂）中并且保持溶剂的晶体结构类型。固溶体又可细分为间隙式和置换式。

当合金由两个组元组成时，除了形成固溶体外还能形成与两个组元结构均不相同的新相。由于这种新相一般在二元相图中处于中间位置，所以通常称其为中间相。中间相又可细分为正常价化合物、电子化合物、尺寸因素化合物、超结构（有序固溶体）。

金相分析的应用

合金的性能由组成它的成分和微观组织结构决定。通过对合金微观组织的观察分析可以预测判断其性能。金相分析可以应用在诸多方面，例如金属硬度测定，脱碳层、渗碳硬化层深度测定、非金属夹杂物质含量测定、合金钢热处理工艺的研究、失效分析、产品质量品控、事故分析等等。

扫描电镜在合金金相分析中的应用

通常分析金相组织会使用金相显微镜来进行观察，但对于金相显微组织中的一些微观结构，金相显微镜往往倍数不够难以观察，所以采用透射电镜和扫描电镜做高倍观察。扫描电镜用于金属及合金的显微组织鉴别和相分析有独到之处。除了在高倍镜下得到细节清晰、分辨率高的图片用于组织分析外，扫描电镜配有的波谱仪和能谱仪可以分析显微组织、夹杂物及第二相中的元素组成情况；采用线扫描和面扫描可以显示元素分布情况。由于制样方便，可研究断裂与显微组织结构的关系，所以比较广泛应用于金相分析领域。

金属材料的失效分析是金相分析主要的应用领域之一。利用金相分析可以找出因形变、磨损、腐蚀等原因发生的器件失效。以铁碳合金为例，魏氏体会降低钢的韧性、塑性和强度，大幅增加脆性；粗大的马氏体会严重降低材料强韧性；材料的石墨化会破坏组元连续性，碳含量降低，增大了脆性断裂的可能。在失效分析中，一些基本显微组织例如屈氏体、隐针马氏体，精细结构的分析如金属间化合物相、碳化物相、硼化物相等，光学显微镜并不能明确分辨，所以一般会在光学分析的基础上结合扫描电镜进行结构分析和微区成分分析，利用波谱仪、能谱仪等协助完成。

金相分析应用实例

金相镍基高温合金γ‘相

镍基合金是高温合金中性能最好、使用较广、品种较多的一类合金。按强化手段可以分为固溶强化型及时效沉淀强化型两大类。