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金相学及其研究的范畴

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2019-09-25

金相学(metallography)是主要依据显微镜技术研究金属材料的宏观、微观组织形成 和变化规律及其与成分和性能之间关系的实验学。它讲述的内容是金属与合金组织结 构以及它们与物理、化学和力学性能之间的关系,所说的组织是指构成金属或合金各组织 组成物的直观形貌,所说的结构是指金属或合金中原子排列的特征。然而,影响组织和结 构变化的条件甚多,诸如温度、加工变形、浇注情况以及化学成分等,金相学就是研究金 属材料在这些变化过程中组织和结构变化规律及其与性能之间的关系。研究材料微观组织 结构主要借助于光学金相显微术和电子显微术,这两部分都归纳入金相学的研究范畴。


光学金相(optical metallography)利用光学金相显微镜对金属或合金的宏观和微观显 微组织进行分析测定,以得到各种组织的尺寸、数量、形态及分布特征的方法⑴。


电子显微术(electron microscope)是利用各种电子显微镜观察、研究和检验材料微观 特征和断裂形态的实验技术。其分辨率或放大倍数明显优于光学显微镜。


19世纪初Widmanstatten用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片,观察到片状Fe-Ni奥氏体的 规则分布(魏氏组织),预告金相学即将诞生⑶。1863年英国科学家索比(Henry Clifton Sorby)采用反射式显微镜观察抛光腐蚀的钢铁试样,不但看到了珠光体中的渗碳体和铁 素体片状组织,还对钢的淬火和回火作了初步探讨。他不仅首创了在显微镜下观察金属材 料微观形貌的方法,打开了人类认识研究金属微观世界的大门,而且还进一步完善了金相 抛光技术,使金相学基本形成⑶。金相学发展到20世纪中叶已基本成熟,不仅有了金相 学的专著和学报,在大学设立了金相学这门课程,在冶金厂及机械厂普遍建立了金相实验 室,金相学也逐步发展成金属学、物理冶金和材料科学。


目前,金相学习惯上已只取其狭义,主要指借助光学(金相)显微镜、放大镜和体视 显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支, 既包含材料三维显微组织的成像(imaging)及其定性、定量表征,亦包含必要的样品制备、 准备和取样方法。其观测研究的材料组织结构的代表性尺度范围为10-9~10-2m数量级,主 要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒(亦包括可能存在的亚晶)、非金属夹杂物 乃至某些晶体缺陷(例如位错)的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。


随着现代技术的发展,新材料层出不穷,金相学的范畴也已不限于金属与合金,逐渐 渗透到无机非金属材料、矿物、有机高分子等,其研究范畴不断扩大,已渗透到其他材料 领域。但是以显微镜为主要研究手段的金相学其进一步发展仍有一定的局限性,受显微镜 分辨率不高的限制,对金属与合金的显微组织的认识仍停留在微米的数量级,尚不能洞悉 更深层次结构的奥秘,更不用说原子尺度的超微结构了。在20世纪30年代发明了电子显 微镜,人们对金属与合金的显微组织的认识从微米级到纳米级⑸。然而,光学金相显微技 术仍是研究材料微观组织最基本、最常用、最易行有效的技术,也是一门实用性很强的技 术学科。它是提高材料内在质量的重要手段,在新材料、新工艺、新产品的研究开发和产 品检验、失效分析、优化工艺等方面应用最广。尤其是近几年我国已跃居世界制造大国, 但远非制造强国,要提高制造业水平,必须掌握材料显微分析技术,为提高产品质量提供 理论基础与技术支持。


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