金相分析基礎1.金相發展簡史金相主要是依據顯微鏡技術研究金屬材料的宏觀、微觀組織結構形成和變化規律及其與成分和性能之間關系的科學。什么是金相？金相研究材料微觀組織結構光學金相顯微術電子顯微術光學金相顯微分辨率和放大倍數明顯優于光學顯微鏡金相簡史金相（Metallography）由

Metal（金屬）

和1721最早出現于

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

Widmanstatten

（魏德曼施，簡稱魏氏。德國科學家）在1808年首先將鐵隕石切成試片，經拋光再用硝酸水溶液腐刻，得出圖1的組織。那時照像技術仍未出現，過去都是將觀察結果描繪。魏氏使用類似古老的拓碑技術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系研究的起始。盡管魏氏的主要試驗結果當時并未發表（直到1820年才由其合作者發表），但已在集會上宣布并廣為流傳，鐵隕石的研究風行一時。在這之后的幾十年用各種化學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

發現鉍在硝酸中浸泡數日后表面出現立方的小蝕坑，建立了用蝕坑法研究晶粒取向的技術。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，在今天仍然是金屬研究和生產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拋光并腐刻的鋼鐵試片，從而揭開了金相學的序幕。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。索比當年觀察過的珠光體試樣500x（1953年拍攝于Sheffield大學）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，很少過問他的產業，一直是一個從事地質與金屬研究的自由研究工作者。金相簡史1850年24歲的索氏創建了巖相學，被稱為“巖相學之父”。索

氏

晚

年

還

熱

心

教

育

，

任Sheffield大學的第一任校長。為了紀念索氏，人們將片層間距較細的珠光體稱為索氏體(Sorbite)。金相簡史索氏雖然創建了鋼鐵的金相學，但他主要從事的是地質，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。他們的金相觀察結果很快就在冶金界傳播開來，影響深遠，功績不亞于索氏，在德國及法國甚至有一些學者還認為他們也是金相學的創始人。金相簡史阿道夫-馬騰斯(Martens)在德國建立了測試材料科學，并以此為基礎完善了金相學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和推廣。到上世紀初期，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檢的重要手段。金相簡史為了紀念馬氏在改進和傳播金相技術方面的功績，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方面的一位先驅，那么Osmond可以說是金屬學或物理冶金方面的一位偉大科學家。首先，在實驗技術方面他不限于金相觀察，而是把它與熱分析、膨脹、熱電動勢、電導等物理性能試驗結合起來。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構，而是把它與化學成分、溫度、性能結合在一起，注意研究它們之間的因果關系。換句話說，奧斯蒙把金相學從單純的顯微鏡觀察擴大、提高成一門新學科。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方面的業績；另一方面把榮譽讓給別人：如推崇索氏為金相學的奠基人，馬氏為偉大的金相學家，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現的碳在γ鐵中的固溶體命名為Austenite，即奧氏體，以紀念在Fe-C平衡圖方面作出巨大貢獻的W.

C.Roberts-Austen（英）。甚至他還用物理化學家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發表了一百多篇論文，還寫了兩本有關金相的專著(1895,

1904)

，對金相學的普及推廣也起了重要的作用。到了19世紀末20世紀初，金相學就已經成為一門新興的學科了。金相簡史1929-1930年，在研究奧氏體在不同溫度條件下的轉變過程中，貝茵(EC.Bain)和達文波特(ES.Davenport)發現了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。貝茵發現了貝氏體(Bainite)。金相簡史中國學者柯俊（中科院院士）在鋼中首次發現了貝氏體切變機制，而他也成為了貝氏體相變切變理論的創始人。新中國成立后，柯俊在北京鋼鐵學院（現北京科技大學）創辦了新中國第一個金屬物理專業和冶金物理化學專業，是中國金屬物理學科的奠基人。柯俊教授生前照片金相簡史20世紀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。柯俊教授生前照片金相簡史如今，金相學已成為一門成熟的學科。顯微鏡的改進為材料微觀組織結構提供更準確、更全面的分析手段。金相簡史金相檢測已經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、工藝改良、質量保證等提供了重要的指導依據。金相簡史隨著科技發展帶動的檢測手段的提高，金相學也在不斷發展也將繼續為人類的發展做出巨大貢獻。金相分析基礎2.電子顯微分析——電子光學基礎知識光學顯微鏡觀察金相組織，放大倍數小于2000倍，很多組織中的片層結構、針狀結構、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年西門子公司生產第一臺商品電鏡，之后普遍使用。掃光描學電金斷顯子相裂微顯組形鏡微織貌鏡一、電子的波長光學顯微鏡：可見光電子顯微鏡：電子束光源e?e?e?e??e?e一、電子的波長質量m的電子，以速度v作勻速運動時，相當于一列波在傳播波長λ=h/mv（1）（h—普朗克常數6.63×10-34J?S）當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，放大倍數越高。二、電磁透鏡1

11????由

+

=

，得

M=

=1.放大倍數?

????當像距v一定時，焦距f越小，放大倍數M越大。????

2Ur——加速電壓k——常數（>0）焦距?

=

?I——通過電磁線圈的電流強度N——線圈匝數可知f>0，

故電磁透鏡總是會聚透鏡。電磁透鏡可任意改變焦距，優于光學透鏡。二、電磁透鏡02.

像差：球差、像散、色差。球差：透鏡磁場中，遠軸區域比近軸區域磁場強（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：）加速電壓不穩定；

穩定加速電壓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的補償校正，不能完全的消除。即使如此，也能呈現出高放大倍數下的高清顯微照片。“金無足赤，人無完人”

，淡然面對自身的不足，懷著積極的心態，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0.002nm

，但由于電磁透鏡不能有效校正像差，故只能達到0.2nm。二、電磁透鏡04.

景深和焦長景深：保持像清晰度的情況