基础知识 | 金属的结构特性

金属的内部结构是由称为“晶粒”的单个晶体区域组成的。 这些晶粒的结构、尺寸和方向取决于材料的成分（合金）和材料的制造方法（如锻造、铸造或增材制造）。 这些晶粒是在熔融物质凝固、与其他物质和其他成分（如相和污染物）相互作用时形成的。 通常，晶粒结构要调整为适合技术应用。

晶粒的尺寸、方向和其他结构特性直接关系到这些材料的机械和技术性能。 结构特性还取决于后续的外部影响。 这些影响包括：

化学影响（如腐蚀）

化学和/或物理影响（如热处理工艺）

机械影响（如成形过程后的锻造、轧制、弯曲等）

微观结构

图 1： 经过蚀刻的纯铜，DIC

微观结构只能通过显微镜（体视显微镜、使用反射光的光学显微镜、数码显微镜或扫描和透射电子显微镜）进行评估。 通常，观测到的特征尺寸范围从几毫米到微米，甚至纳米。 显微结构观测广泛用于各种研究，例如，测定晶粒尺寸、检查缺陷、微电子目标制备、各种焊接和失效分析。

宏观结构

图 2： 蚀刻铸铁块的纯铜宏观断面部分

宏观结构可通过肉眼、放大镜或体视显微镜观察。 这些观察不如微观结构研究普遍。 观察到宏观结构的应用通常有焊接、某些有色金属的铸造件，或者铸造件或锻造件上的变形和分离。 涂层或几何形状的粗略评估也可以是宏观结构研究的主题。

了解合金

如今实际应用中用到的材料是各种化学元素的混合物，通常也称为“合金”。 例如，钢和铸铁本质上是以铁 (Fe) 和碳 (C) 为基础的合金，它们决定了有色材料的硬度。 微观结构分析让我们能够得出有关合金性能的结论，包括其强度、硬度和韧性

图 3： 含片状石墨的珠光体铸铁，经硝酸乙醇蚀刻。 碳主要以片状石墨的形式存在，结果导致强度降低。 珠光体基体本身具有足够高的硬度。ZEISS Axio Imager 成像，50x 物镜，明场照明

图 4： 含球形石墨的铁素体铸铁，经硝酸乙醇蚀刻。 碳主要以球形石墨的形式存在。 与片状石墨铸铁相比，球形石墨铸铁的强度有所提高，但由于纯铁素体基体中缺少渗碳体，其硬度较低。ZEISS Smartzoom 5 成像，约 500x 放大

图 5： 约含 0.1% C 的铁素体钢，经硝酸乙醇蚀刻。 碳主要以渗碳体的形式存在，在铁素体晶粒之间有少量的珠光体。 因此，基体几乎完全是铁素体，硬度较低，但韧性很好。ZEISS Smartzoom 5 成像，约 500x 放大，同轴光照明，环形光比例较低

图 6： 约含 0.2 % C 的铁素体-珠光体钢，要硝酸乙醇蚀刻。 碳主要以片状渗碳体的形式，存在于铁素体晶粒旁边较硬的珠光体部分。 这导致渗碳体出现条纹。 珠光体晶粒反射的光比铁素体晶粒少，因此看起来更暗。 这种基体硬度较高，但韧性较低。ZEISS Axiolab 成像，50x 物镜，明场照明

用于晶粒结构分析的光学显微镜设备

微观结构分析是金相学中极为有用的工具，因为它可以揭示大量有关金属结构特性及其特点的信息。 它可以用于评估金属设计和加工阶段，也可用于质量控制和失效分析。 但是，观察金属的结构特性时，必须使用特殊的光学设备，因为激发和物体照明都是通过相同的光学系统进行的。 相机还必须能够处理高对比度的值。

反射光显微镜用于显示几毫米到大约 1 μm 范围的结构（材料显微镜的典型物镜为 10x / 20x / 50x / 100x）。 这种显微镜可以直立或倒置。 但是，对于大型试样，或在观察试样夹具座夹持的试样时，倒置比较有利。

高分辨率体视显微镜较少用于解释结构。 显微镜生成的图像必须如实呈现，并适合集成到当前文档系统中。

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