金屬的結構特性

來源：北京儀光科技有限公司 2025年05月09日 13:21

金屬的內部結構是由稱為“晶粒”的單個晶體區域組成的。這些晶粒的結構、尺寸和方向取決于材料的成分（合金）和材料的制造方法（如鍛造、鑄造或增材制造）。這些晶粒是在熔融物質凝固、與其他物質和其他成分（如相和污染物）相互作用時形成的。通常，晶粒結構要調整為適合技術應用。

晶粒的尺寸、方向和其他結構特性直接關系到這些材料的機械和技術性能。結構特性還取決于后續的外部影響。這些影響包括：

化學影響（如腐蝕）

化學和/或物理影響（如熱處理工藝）

機械影響（如成形過程后的鍛造、軋制、彎曲等）

微觀結構

圖 1：經過蝕刻的純銅，DIC

微觀結構只能通過顯微鏡（體視顯微鏡、使用反射光的光學顯微鏡、數碼顯微鏡或掃描和透射電子顯微鏡）進行評估。通常，觀測到的特征尺寸范圍從幾毫米到微米，甚至納米。顯微結構觀測廣泛用于各種研究，例如，測定晶粒尺寸、檢查缺陷、微電子目標制備、各種焊接和失效分析。

宏觀結構

圖 2：蝕刻鑄鐵塊的純銅宏觀斷面部分

宏觀結構可通過肉眼、放大鏡或體視顯微鏡觀察。這些觀察不如微觀結構研究普遍。觀察到宏觀結構的應用通常有焊接、某些有色金屬的鑄造件，或者鑄造件或鍛造件上的變形和分離。涂層或幾何形狀的粗略評估也可以是宏觀結構研究的主題。

了解合金

如今實際應用中用到的材料是各種化學元素的混合物，通常也稱為“合金”。例如，鋼和鑄鐵本質上是以鐵 (Fe) 和碳 (C) 為基礎的合金，它們決定了有色材料的硬度。微觀結構分析讓我們能夠得出有關合金性能的結論，包括其強度、硬度和韌性

圖 3：含片狀石墨的珠光體鑄鐵，經硝酸乙醇蝕刻。碳主要以片狀石墨的形式存在，結果導致強度降低。珠光體基體本身具有足夠高的硬度。ZEISS Axio Imager 成像，50x 物鏡，明場照明

圖 4：含球形石墨的鐵素體鑄鐵，經硝酸乙醇蝕刻。碳主要以球形石墨的形式存在。與片狀石墨鑄鐵相比，球形石墨鑄鐵的強度有所提高，但由于純鐵素體基體中缺少滲碳體，其硬度較低。ZEISS Smartzoom 5 成像，約 500x 放大

圖 5：約含 0.1% C 的鐵素體鋼，經硝酸乙醇蝕刻。碳主要以滲碳體的形式存在，在鐵素體晶粒之間有少量的珠光體。因此，基體幾乎*全是鐵素體，硬度較低，但韌性很好。ZEISS Smartzoom 5 成像，約 500x 放大，同軸光照明，環形光比例較低

圖 6：約含 0.2 % C 的鐵素體-珠光體鋼，要硝酸乙醇蝕刻。碳主要以片狀滲碳體的形式，存在于鐵素體晶粒旁邊較硬的珠光體部分。這導致滲碳體出現條紋。珠光體晶粒反射的光比鐵素體晶粒少，因此看起來更暗。這種基體硬度較高，但韌性較低。ZEISS Axiolab 成像，50x 物鏡，明場照明

用于晶粒結構分析的光學顯微鏡設備

微觀結構分析是金相學中極為有用的工具，因為它可以揭示大量有關金屬結構特性及其特點的信息。它可以用于評估金屬設計和加工階段，也可用于質量控制和失效分析。但是，觀察金屬的結構特性時，必須使用特殊的光學設備，因為激發和物體照明都是通過相同的光學系統進行的。相機還必須能夠處理高對比度的值。

反射光顯微鏡用于顯示幾毫米到大約 1 μm 范圍的結構（材料顯微鏡的典型物鏡為 10x / 20x / 50x / 100x）。這種顯微鏡可以直立或倒置。但是，對于大型試樣，或在觀察試樣夾具座夾持的試樣時，倒置比較有利。

高分辨率體視顯微鏡較少用于解釋結構。顯微鏡生成的圖像必須如實呈現，并適合集成到當前文檔系統中。

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