金相分析基礎(chǔ)1.金相發(fā)展簡史金相主要是依據(jù)顯微鏡技術(shù)研究金屬材料的宏觀、微觀組織結(jié)構(gòu)形成和變化規(guī)律及其與成分和性能之間關(guān)系的科學(xué)。什么是金相？金相研究材料微觀組織結(jié)構(gòu)光學(xué)金相顯微術(shù)電子顯微術(shù)光學(xué)金相顯微分辨率和放大倍數(shù)明顯優(yōu)于光學(xué)顯微鏡金相簡史金相（Metallography）由

Metal（金屬）

和1721最早出現(xiàn)于

年的牛津《新英語字典》兩個詞根構(gòu)成四個階段一二三四金相啟蒙金相創(chuàng)建金相發(fā)展金相展望金相簡史Aloysvon

Widmanstatten

（魏德曼施，簡稱魏氏。德國科學(xué)家）在1808年首先將鐵隕石切成試片，經(jīng)拋光再用硝酸水溶液腐刻，得出圖1的組織。那時照像技術(shù)仍未出現(xiàn)，過去都是將觀察結(jié)果描繪。魏氏使用類似古老的拓碑技術(shù)的方法將隕鐵的表面圖像拓印在圖紙上。圖片之清晰可與近代金相照片媲美。相

圖鐵年圖

（隕拓二圖印石魏

）（的表德

世一鐵曼

界面隕）施

首組石張織圖金金相簡史魏氏試驗的更為深遠(yuǎn)的意義是：這不僅是宏觀或低倍觀察的開端，也是顯微組織中取向關(guān)系研究的起始。盡管魏氏的主要試驗結(jié)果當(dāng)時并未發(fā)表（直到1820年才由其合作者發(fā)表），但已在集會上宣布并廣為流傳，鐵隕石的研究風(fēng)行一時。在這之后的幾十年用各種化學(xué)試劑處理金屬切片表面的試驗就在各處流行起來。金相簡史121817年J.

F.Daniell

發(fā)現(xiàn)鉍在硝酸中浸泡數(shù)日后表面出現(xiàn)立方的小蝕坑，建立了用蝕坑法研究晶粒取向的技術(shù)。1860年W.

Luders在低碳鋼拉伸試樣表面上觀察到腐蝕程度與基體不同的條帶，他用自己的姓氏稱這種滑移帶為“呂德斯帶”。31867年H.T

resca

用氯化汞腐蝕顯示金屬部件中的流線（圖3），說明金屬在加工形變過程中內(nèi)部金屬的流動情況。上述試驗奠定了宏觀腐刻及低倍檢驗技術(shù)，在今天仍然是金屬研究和生產(chǎn)檢驗中常使用的方法。圖3金屬部件中的流線（Tresca,1867）金相簡史1863

年英國的H.

C.

Sorby

（以下簡稱索氏）首次用顯微鏡觀察經(jīng)拋光并腐刻的鋼鐵試片，從而揭開了金相學(xué)的序幕。他在鍛鐵中觀察到類似魏氏在鐵隕石中觀察到的組織，并稱之為魏氏組織。索比當(dāng)年觀察過的珠光體試樣500x（1953年拍攝于Sheffield大學(xué)）金相簡史索氏其人：索氏在1826年出生于英國鋼城Sheffield中的一個鋼鐵世家中，他的祖先開了兩家刀具廠，他繼承了其中之一。不過他生性酷愛自然，很少過問他的產(chǎn)業(yè)，一直是一個從事地質(zhì)與金屬研究的自由研究工作者。金相簡史1850年24歲的索氏創(chuàng)建了巖相學(xué)，被稱為“巖相學(xué)之父”。索

氏

晚

年

還

熱

心

教

育

，

任Sheffield大學(xué)的第一任校長。為了紀(jì)念索氏，人們將片層間距較細(xì)的珠光體稱為索氏體(Sorbite)。金相簡史索氏雖然創(chuàng)建了鋼鐵的金相學(xué)，但他主要從事的是地質(zhì)，他在冶金界的活動范圍及影響是有一定局限性的，他在1863年的杰出貢獻(xiàn)到二十幾年后才引起冶金界的重視。金相簡史在這期間，德國的Adolf

Martens（阿道夫-馬騰斯，簡稱馬氏）和法國的Floris

Osmond（奧斯蒙）分別在1878及1885年獨立地用顯微鏡觀察鋼鐵的顯微組織。他們的金相觀察結(jié)果很快就在冶金界傳播開來，影響深遠(yuǎn)，功績不亞于索氏，在德國及法國甚至有一些學(xué)者還認(rèn)為他們也是金相學(xué)的創(chuàng)始人。金相簡史阿道夫-馬騰斯(Martens)在德國建立了測試材料科學(xué)，并以此為基礎(chǔ)完善了金相學(xué)的實驗和理論研究的方法論。隨著實驗方法的完善，金相技能得到了全面的改進(jìn)和推廣。到上世紀(jì)初期，許多工廠都建立了金相檢驗室，金相檢驗成了金屬零部件質(zhì)檢的重要手段。金相簡史為了紀(jì)念馬氏在改進(jìn)和傳播金相技術(shù)方面的功績，Osmond在1895年建議用他的姓氏命名鋼的淬火組織——Martensite，即馬氏體。金相簡史如果說馬氏是金相技術(shù)方面的一位先驅(qū)，那么Osmond可以說是金屬學(xué)或物理冶金方面的一位偉大科學(xué)家。首先，在實驗技術(shù)方面他不限于金相觀察，而是把它與熱分析、膨脹、熱電動勢、電導(dǎo)等物理性能試驗結(jié)合起來。1.6%C鋼中的珠光體（Osmond,1901）金相簡史其次，在理論分析方面他也不限于顯微組織結(jié)構(gòu)，而是把它與化學(xué)成分、溫度、性能結(jié)合在一起，注意研究它們之間的因果關(guān)系。換句話說，奧斯蒙把金相學(xué)從單純的顯微鏡觀察擴大、提高成一門新學(xué)科。1.6%C鋼中的珠光體（Osmond,1901）金相簡史Osmond還有謙遜的美德。一方面不讓在他逝世的訃告中說明他在金相學(xué)方面的業(yè)績；另一方面把榮譽讓給別人：如推崇索氏為金相學(xué)的奠基人，馬氏為偉大的金相學(xué)家，分別用他們的姓氏命名索氏體和馬氏體。金相簡史把他自己發(fā)現(xiàn)的碳在γ鐵中的固溶體命名為Austenite，即奧氏體，以紀(jì)念在Fe-C平衡圖方面作出巨大貢獻(xiàn)的W.

C.Roberts-Austen（英）。甚至他還用物理化學(xué)家L.

J.Troost（法）的姓氏命名鋼中的一種共析相變組織——

Troostite，即屈氏體。Osmond發(fā)表了一百多篇論文，還寫了兩本有關(guān)金相的專著(1895,

1904)

，對金相學(xué)的普及推廣也起了重要的作用。到了19世紀(jì)末20世紀(jì)初，金相學(xué)就已經(jīng)成為一門新興的學(xué)科了。金相簡史1929-1930年，在研究奧氏體在不同溫度條件下的轉(zhuǎn)變過程中，貝茵(EC.Bain)和達(dá)文波特(ES.Davenport)發(fā)現(xiàn)了C曲線，并以此闡明了鋼的熱處理的一般原理。而貝茵也因此成為了鋼鐵熱處理理論的奠基者。貝茵發(fā)現(xiàn)了貝氏體(Bainite)。金相簡史中國學(xué)者柯?。ㄖ锌圃涸菏浚┰阡撝惺状伟l(fā)現(xiàn)了貝氏體切變機制，而他也成為了貝氏體相變切變理論的創(chuàng)始人。新中國成立后，柯俊在北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）創(chuàng)辦了新中國第一個金屬物理專業(yè)和冶金物理化學(xué)專業(yè)，是中國金屬物理學(xué)科的奠基人?？驴〗淌谏罢掌鹣嗪喪?0世紀(jì)50年代柯俊教授親手制樣并拍攝的金相照片。a圖：貝氏體表面浮突；b圖：將試樣再稍稍拋光去掉浮突后，同一視場的組織?？驴〗淌谏罢掌鹣嗪喪啡缃?，金相學(xué)已成為一門成熟的學(xué)科。顯微鏡的改進(jìn)為材料微觀組織結(jié)構(gòu)提供更準(zhǔn)確、更全面的分析手段。金相簡史金相檢測已經(jīng)越來越成為金屬材料必不可少的檢測手段，也為各類金屬材料的加工生產(chǎn)、工藝改良、質(zhì)量保證等提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)。金相簡史隨著科技發(fā)展帶動的檢測手段的提高，金相學(xué)也在不斷發(fā)展也將繼續(xù)為人類的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。金相分析基礎(chǔ)2.電子顯微分析——電子光學(xué)基礎(chǔ)知識光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，放大倍數(shù)小于2000倍，很多組織中的片層結(jié)構(gòu)、針狀結(jié)構(gòu)、第二相、共晶體等很難清楚的觀測到。1932年由德國研制出第一臺電子顯微鏡（電鏡），1939年西門子公司生產(chǎn)第一臺商品電鏡，之后普遍使用。掃光描學(xué)電金斷顯子相裂微顯組形鏡微織貌鏡一、電子的波長光學(xué)顯微鏡：可見光電子顯微鏡：電子束光源e?e?e?e??e?e一、電子的波長質(zhì)量m的電子，以速度v作勻速運動時，相當(dāng)于一列波在傳播波長λ=h/mv（1）（h—普朗克常數(shù)6.63×10-34J?S）當(dāng)v<<c時，m=m

（m

=9.1×10

kg）-310012???0初速為0的電子，在加速電壓U的作用下，獲得速度v，2??

=

?

?

?

?

=02（2）（e=1.6×10-19C）一、電子的波長?150

12.25（2）帶入（1）

得，?

===?2?0???加速電壓越高，電子波長越短。常用U=50～100kV，λ約為可見光的十萬分之一。由d=λ/2NA，當(dāng)NA一定時，λ越短，分辨率越高。二、電磁透鏡e?e??e?e電子透鏡e??e

=e?試樣二、電磁透鏡電子透鏡：利用電場或磁場作用使電子改變運動方向。靜電透鏡電子透鏡恒磁透鏡電磁透鏡磁透鏡二、電磁透鏡電荷在磁場中運動時，將受到磁場力的作用，磁場對運動電荷的作用力稱為洛倫茲力。不受磁場力，大小、運動方向不變受磁場力，不改變速度只改變方向，?均勻磁場中?

∥

?,??

⊥

?,圓周運動二者之間，螺旋運動1、直線運動。2、勻速圓周運動。二、電磁透鏡電荷在磁場中運動時，將受到磁場力的作用，磁場對運動電荷的作用力稱為洛倫茲力。3、粒子運動方向與磁場有一夾角（大于0度小于90度）軌跡為螺線。在均勻磁場中，不可能將電子束進(jìn)行聚焦。二、電磁透鏡電子顯微鏡中都采用非均勻彎曲磁場聚焦。短線圈磁力線能產(chǎn)生對稱非均勻磁場的磁極裝置稱為磁透鏡。二、電磁透鏡電磁透鏡是一個軸對稱的電磁鐵。電子在磁場作用下作圓錐螺旋運動，會聚成一點。電子的圓錐螺旋運動磁場越強，透鏡對電子束會聚能力越強，焦距越短，放大倍數(shù)越高。二、電磁透鏡1

11????由

+

=

，得

M=

=1.放大倍數(shù)?

????當(dāng)像距v一定時，焦距f越小，放大倍數(shù)M越大。????

2Ur——加速電壓k——常數(shù)（>0）焦距?

=

?I——通過電磁線圈的電流強度N——線圈匝數(shù)可知f>0，

故電磁透鏡總是會聚透鏡。電磁透鏡可任意改變焦距，優(yōu)于光學(xué)透鏡。二、電磁透鏡02.

像差：球差、像散、色差。球差：透鏡磁場中，遠(yuǎn)軸區(qū)域比近軸區(qū)域磁場強（對電子束折射能力強，使電子不能會聚在同一像點）。像平面P

’’入射電子束zP’P最小散焦斑a)球差二、電磁透鏡02.

像差：球差、像散、色差。A面

B面像散：透鏡加工不精zPBPPA確，使磁場不對稱。A面與B面正交b)像散二、電磁透鏡02.

像差：球差、像散、色差。E電子軌跡入射電子束色差：成像電子波長zP’P像平面Ⅰ（或能量）不同。E-ΔE電子軌跡像平面Ⅱc)色差二、電磁透鏡02.

像差：球差、像散、色差。電子束能量變化原因：）加速電壓不穩(wěn)定；

穩(wěn)定加速電壓12）電子束照射到樣品上有能量損失。試樣做薄一般來說，樣品越厚，能量損失越大，色差越嚴(yán)重。二、電磁透鏡02.

像差：球差、像散、色差。電磁透鏡的像差只能適當(dāng)?shù)难a償校正，不能完全的消除。即使如此，也能呈現(xiàn)出高放大倍數(shù)下的高清顯微照片?！敖馃o足赤，人無完人”

，淡然面對自身的不足，懷著積極的心態(tài)，奮力拼搏，做一個接近“完人”的人！二、電磁透鏡03.

分辨率?由如像差校正完全，d≈λ/2。?

=2??電磁透鏡理論分辨距離可達(dá)0.002nm

，但由于電磁透鏡不能有效校正像差，故只能達(dá)到0.2nm。二、電磁透鏡04.

景深和焦長景深：保持像清晰度的情況