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浅谈现场金相检验的地位、作用和发展历史

1、金相检验在材料研究中的重要性

物理冶金学的任务在于研究金属和合金的成分、组织和性能之间的关系,而这些研究的深度与广度主要依赖于人们对金属内在组织的结构的识别,即金相检验。

在材料的研究过程中:一方面,材料的确切组成、结构和性能结果的获得是通过大量的理化检验研究和测试工作所完成的;另一方面,其材料的组成、结构和性能之间相互关系及变化规律的研究和确定也是大量的理化试验研究和测试工作的参与而得以实现的。在这两个方面中,金相检验占有重要的地位,只有通过金相检验才能完整的解释组成、结构和性能之间的相互关系。许多制备具有优异性能材料的重大进展常常可追溯到对于它们显微

组织结构的确定和控制。所有工艺的目的都是为了得到可控的微观组织结构,从而得到所需要的性能。金相学的进步与发展对冶金、机械制造、动力、能源、建筑、国防和其它许多部门无论现在还是将来都会产生巨大的影响。由此可见,在材料的研究与发展中,金相检验是必不可少的,是材料研究的重要组成部分,这是金属材料发展史上人们最深刻的体会。同时也促进了金相检验技术和检测设备的发展。

2、金相检验在现代材料研究中的作用

新一代钢铁重大基础研究项目以3 类典型钢材作为代表开展研究。第一类为热轧普碳钢材,通过工艺优化来优化显微组织结构,生产廉价的金属材料;第二类为低合金钢高强度热轧钢材;第三类为合金结构钢。在这3 类钢材研究开发的整个过程,始终贯穿一条主线,就是显微结构组织的确定和优化控制。金相检验在现代材料研究中的作用主要体现在如下几个方面。

2.1化学成分与金相组织

合金设计的根本任务是满足工程构建或用户提出的各项性能要求。而这些性能受控于成分、内部显微组织、杂质和缺陷、表面组织及应力状态等,其中主要是成分和组织。成分和组织在很大程度上控制着所有组织敏感性能。合金设计中首先要做组织设计,选择满足性能要求的组织结构。控制组织结构的第一个因素就是化学成分。化学成分通过相变等方式控制组织中的相、体积分数和形态,如马氏体形态、贝氏体形态等首先受控于碳的含量。低碳钢淬火后得到板条状马氏体,而高碳钢淬火后得到针状马氏体。所以,金相检验是验证和解释所设计成分是否合理的强有力的手段。

2.2组织演变规律与工艺制度

化学成分确定之后,控制组织结构的主要因素就是制造的装备和制造工艺,包括冶炼、铸造、锻轧、热处理等。从冶炼到成品各环节中,每一个生产环节,对最终产品的组织结构都起到至关重要的作用。金相检验就是各种检验、检测仪器设备和一定的方法,显示、判定、测量材料显微组织随工艺变化的规律,从而制定合理的工艺制度。现代冶金工艺之一连铸连轧一个重要组织因素就是铸造树枝晶的破碎和混晶。原始铸造粗大的树枝晶奥氏体再结晶不完整或再结晶组织不均匀是导致最终铁素体组织混晶的主要原因。

2.3金相学与材料科学

显微镜的发展给合金设计带来了革命性的变化。众所周知,人类冶炼金属通过各种途径了解合金工艺过程、特性以及使用性能的漫长历史,直到有了金相显微镜后才形成了当今的冶金科学。显微组织与宏观力学关系的认识,为成分—组织—性能半定量或定量的研究和建立关系式创造了条件,为材料的发展奠定了理论基础。其中,最典型的就是Hall Petch 关系式(σs=σo+kd-1/2)。该关系式是细晶强化的理论依据,是20 世纪下半叶与钢的组织细化相关的5 个重大成就之一。所以,必须依靠实际的金相研究和金相检验工作,来证实材料设计的科学性,制定工艺的合理性。金相检验分析,不仅有组织识别还有评定,即有定性还有定量、半定量的检测。金相检验的内容归纳起来有一下几项:1)材料基体相的组织结构及其缺陷;2)显微组织的取向和状态的非均匀性,如带状、分布不均、晶粒度等;3)第二相的类型、结构、组成、数量、形态、尺寸和分布;4)研究原子按键力分布的晶体结构和电子按能量分布的原子、离子结构。就显微组织检验来说,显微组织检验是通过一个二维截面视图来建立一个三维结构图形的,这样在显微组织检验中就分为4 个级次。A 正确识别是什么显微组织;B 定性的显微组织状态;C 定量的显微组织状态;D 显微组织与性能之间的关系。

3、金相检验的主要应用技术

在金相检验中主要应用的技术有3 种:1)显像技术,应用显像技术来揭示材料的显微组织、断口形貌特征、各种缺陷形貌特征、表面状态等。这种技术包括两个方面即腐蚀技术、成像技术。腐蚀技术是根据不同受检材料和检验项目,选用不同的试剂和方法进行腐蚀。成像技术就是利用显微镜成像原理如光学显微镜的暗场技术、偏光技术、干涉技术等,它主要记录和显示材料的二维平面微观组织结构特征;2)衍射技术,主要用来分析材料的晶体结构。晶体缺陷及晶体位向关系等问题,衍射技术中经常使用的设备是X- 射线仪、电子衍射仪等;3)微区成分分析技术,利用化学成分分析来研究材料的基体、第二相、夹杂物以及腐蚀产物的组成,尤其是材料中微量元素对材料性能的影响等。它所使用的仪器有电子或离子探针、谱仪等。

在金相检验项目中始终要遵循“金相组织应当能如实反映受检试样(件)真实组织”的原则,所拍照的组织图像能代表整个试样(件)。今年,数字成像系统大量应用于显微成像,它可以很容易地将数字化的图像存储在计算机内,也可以随时打成照片或通过电子邮件传递,免除了大量的暗室操作工作。但是,随着数字化成像应用的迅速普及,也带来一个令人担忧的问题,那就是利用图像处理技术对金相组织图片进行处理,这样做完全违背了

金相检验的原则,失去了组织的真实性,也失去了金相检验的意义,同时对设备、社会、以及检验人员自身和家庭埋下了极大的安全隐患。因此,所有从事金相检验和研究的人员,应不断的提高自身的素质素养,这包括专业技术和严谨、认真负责的态度等多方面,这些都有待全社会、全行业共同的努力,是我们共同追求的最终目的和目标。

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