淺談金相在材料力學行為研究中的應用

摘 要:本文簡述了金相檢驗在材料研究中的重要性，淺析了金相檢驗在現代材料力學研究中的應用。

關鍵詞:金相材料力學應用

中圖分類號:TB12文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0134-01

1 金相在材料力學研究中的重要性

人類使用金屬已有幾千年的歷史，在研究、制備和應用金屬材料的漫長過程中，同時發展了各種觀測金屬組織的實驗技術。觀測金屬組織分為肉眼的宏觀分析和顯微分析。金屬材料的宏觀組織主要是指肉眼或低倍(＜30倍)下所見的組織。宏觀分析的優點是方法簡便易標觀察區域大，可以綜觀全貌，不足之處是人眼的分辨率有限，缺乏洞察細微的能力，這就促使人們找尋新的工具和手段，突破視覺的生理界限，逐步發展微觀組織分析。廣義的金相組織是指兩種或兩種以上的物質在微觀狀態下的混合狀態以及相互作用狀況。金相組織只有在顯微鏡下才能觀察到。

在材料的研究過程中，一方面，材料的成分、結構和性能的結果獲得要通過大量的理化檢驗研究和測試工作來完成的;另一方面，其材料的組成、結構和性能之間的相互關系及變化規律的研究和確定也需要大量的理化試驗研究和測試工作的參與。在這兩個方面中，金相檢驗起著十分重要的作用，只有通過觀測金相組織才能完整的解釋組成、結構和性能之間的相互關系。許多制備優異性能材料的重大進展常常起源于對于它們顯微組織結構的確定和控制。所有工藝的目的都是為了得到可控的微觀組織結構，從而得到所需要的性能。金相學的進步與發展對機械制、造冶金、能源、動力、國防、建筑和其它許多部門都會產生巨大的影響。由此可見，在材料科學的研究與發展中，金相檢驗技術是必不可少的，是材料研究的重要組成部分。

2 觀測金相組織的主要應用技術

在金相檢驗中主要應用的技術有3種:(1)顯像技術，應用顯像技術來顯示材料的顯微組織、斷口形貌特征、各種缺陷形貌特征、表面狀態等。這種技術包括腐蝕技術、成像技術。腐蝕技術是根據不同受檢材料和檢驗項目，選用不同的試劑和方法進行腐蝕。成像技術就是利用顯微鏡成像原理記錄和顯示材料的二維平面微觀組織結構特征;(2)衍射技術，用來分析材料的晶體結構、晶體缺陷及晶體位向關系等問題，衍射技術中經常使用的設備是X- 射線儀、電子衍射儀等;(3)微區成分分析技術，利用化學成分分析來研究材料的基體、第二相、夾雜物以及腐蝕產物的組成，尤其是材料中微量元素對材料性能的影響等。它所使用的儀器有電子或離子探針、譜儀等。要觀察真實的、清晰的顯微組織，首先要制備好金相樣品。金相樣品的制備包括取樣、磨制、拋光、浸蝕等幾個步驟。忽略任何一道步驟，都會影響組織分析和檢驗結果的正確程度。

3 金相在材料力學行為研究中的應用

金相檢驗在現代材料研究中的應用主要體現在如下幾個方面:(1)化學成分與金相組織。材料設計的根本任務是滿足工程構建或用戶提出的各項性能要求。這些性能受影響于成分、內部顯微組織、雜質和缺陷、表面組織及應力狀態等，其中主要是成分和組織。成分和組織在很大程度上控制著所有組織性能。化學成分通過相變等方式控制組織中的相、體積分數和形態。所以，金相檢驗是驗證和解釋所設計成分是否合理的強有力的手段。(2)組織演變規律與工藝制度。化學成分確定之后，控制組織結構的主要因素就是裝備和制造工藝，包括冶煉、鑄造、鍛軋、熱處理等。金相檢驗顯示、判定、測量材料顯微組織隨工藝變化的規律，從而制定合理的工藝流程。(3)金相學與材料科學。顯微組織與宏觀力學關系的認識，為成分、組織、性能半定量或定量的研究和建立關系式創造了條件，為材料的發展奠定了理論基礎金相檢驗分析，不僅有組織識別還有評定，即有定性還有定量、半定量的檢測。金相檢驗的內容歸納起來有一下幾項:材料基體相的組織結構及其缺陷;顯微組織的取向和狀態的非均勻性，如帶狀、分布不均、晶粒度等;第二相的類型、結構、組成、數量、形態、尺寸和分布;研究原子按鍵力分布的晶體結構和電子按能量分布的原子、離子結構。

4 金相檢測在材料力學行為研究中的應用

下面引用一個實例解釋金相檢測在材料力學行為研究中的應用。因為對于工程上使作較多的金屬材料而言，其斷裂失效過程往往是通過在第二相粒子與基體界面上形成微孔洞，微孔洞隨應變的增加而逐漸長大、聚合而最后導致斷裂。因此，了解材料在形變過程中微孔洞的形成、長大規律及其影響因素，對于延長材料的使用壽命具有指導性意義。

選取20號鋼，為了研究不同第二相粒子大小對材料性能的影響，將20號鋼在860±10℃加熱淬火，在700±5℃溫度下回火時間分別為10、80和100小時，以獲得不同的碳化物粒子大小。并加工成必Φ6mm的標準短試樣。然后采用目鏡網格玻璃片對樣品做體視金相分析，采用計點法和線分析法測定材料在拉伸形變過程中形成的微孔洞的體積百分數fV和各種應變量下微空洞面積密度NA。

對金相樣品測得的數據如表1，下面對在相同的碳化物體積分數情況下，分析微空洞橫向平均距離和應變ε的關系。

不同第二相粒子大小的試樣，隨應變量的增加，其微空洞的體積分數和面積密度均增加。但增加的趨勢不同，具有較大尺寸的第二相粒子的試樣，其增加得更快一些，即有利于空洞的形核及長大。可見，隨應變的增加而不斷減小，而且在某個臨界值出現拐點。這是由于在塑性變形后期空洞的大量形核而導致的。這使得材料內部的損傷加劇，也表明材料的廷性斷裂主要是由于微空洞的大量形核及空洞間基體的內縮頸而造成的。

5 結論

通過前面一系列的介紹及舉例分析，可以看出金相在材料力學行為研究中具有很大的重要性，通過金相分析中的一類列數據可以得出材料力學中各種應變與材料組織成分等的關系。

參考文獻

[1]周毅.金相檢驗的地位、作用和檢驗技術[J].烏魯木齊:應用技術，2010.

[2]鄒鴻承.體視金相在材料力學行為研究中的應用[J].武漢:物理測試，1995.

[3]柏才媛.金屬材料金相顯示技術研究[J].重慶:工業技術，2010.

[4]曾令民.定量金相在金屬材料研究中的應用[J].南寧:期物理測試，1993.

[5]上海交通大學金相分析.金相分析 [M].國防工業出版社，1982.