材料分析测试技术

1、材 料 分 析 测 试 技 术1. 1. 材料的特点和应用现状材料的特点和应用现状2. 2. 材料的制备及改性方法现状材料的制备及改性方法现状3. 3. 做投射电镜分析的目的做投射电镜分析的目的4. 4. 透射电镜设备的选择及成像原理透射电镜设备的选择及成像原理5. 5. 测试试样的制备方法测试试样的制备方法6. 6. 实验数据的结果分析实验数据的结果分析7. 7. 综合分析综合分析 材 料 分 析 测 试 技 术材 料 分 析 测 试 技 术 1. 1. 材材 料料 的的 特特 点点 和和 应应 用用 现现 状状1.1 奥氏体奥氏体 - 铁素体双相合金的特点铁素体双相合金的特点 奥氏体和铁素

2、体组织各约占一半的合金。双相合金将奥氏体合金所具有的奥氏体和铁素体组织各约占一半的合金。双相合金将奥氏体合金所具有的良好耐蚀性、优良的塑韧性和焊接性与铁素体合金所具有的较高强度和耐氯良好耐蚀性、优良的塑韧性和焊接性与铁素体合金所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起化物应力腐蚀性能结合在一起 ，使之兼有铁素体合金和奥氏体合金的优点。，使之兼有铁素体合金和奥氏体合金的优点。在含在含C较低的情况下，较低的情况下，Cr含量在含量在18%28%，Ni含量在含量在3%10%。有些钢还含。有些钢还含有有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体合金的等合金元素。该类钢兼有

3、奥氏体和铁素体合金的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体合金的接性能均显著提高，同时还保持有铁素体合金的475脆性以及导热系数高，脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体合金相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应具有超塑性等特点。与奥氏体合金相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相合金具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍合金。力腐蚀有明显提高。双相合金具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍合金。组织特点组织特点： 铁素体相和奥氏体相约各占50%。

4、力学性能特点：力学性能特点： 综合力学性能好，不但有较高的屈服强度和疲劳强度，同时具有良好的韧性。其屈服强度0.2可达400550Mpa，是普通18-8型奥氏体合金（0.2205MPa）的两倍，这样可以节约材料，降低设备制造成本。 1. 1. 材材 料料 的的 特特 点点 和和 应应 用用 现现 状状耐蚀性能特点：耐蚀性能特点： 双相合金对晶间腐蚀不敏感，有较好的耐点蚀性能，具有优良的耐应力腐蚀性能，特别是在介质环境比较恶劣（如Cl-含量较高）的条件下，其抗点蚀、缝隙腐蚀及腐蚀疲劳性能、磨损腐蚀性能明显优于普通的Cr-Ni和Cr-Ni-Mo奥氏体合金。 物理性能特点：物理性能特点： 与奥氏体合

5、金相比，导热系数大，线膨胀系数小，冷加工时冷作加工硬化效应大。含低Cr（18%）的双相合金热加工温度范围比18-8型合金宽，而含高Cr（25%）的钢则比奥氏体钢热加工困难。由于仍有高Cr铁素体合金的各种加热脆性倾向，因此不宜在高于300的工作条件下使用。 1.21.2奥氏体奥氏体 - - 铁素体双相合金应用现状铁素体双相合金应用现状 主要应用在石化领域、海水处理设备中应用广泛.热交换器和锅炉 大型储藏罐 海面作业平台的防爆墙 纸浆和造纸工业使用的蒸煮器和其它设备 化学制品运输船中的货舱 海水淡化设备 烟气净化 海水处理设备铁素体-奥氏体 型不锈钢（双 相不锈钢）0Cr26Ni5Mo2， 00C

6、r18Ni5Mo3Si2属于这一类的不锈钢很多，如低碳的188铬镍钢，加钛、铌、钼的188铬镍钢，特别是在铸钢的组织中均可见到铁素体，此外含铬大于1415%而碳低于02%的铬锰不锈钢（如Cr17Mnll），以及目前研究的和已获得应用的大多数铬锰氮不锈钢等。主要品种：卷材、中厚板、棒材钢种牌号材 料 分 析 测 试 技 术1. 1. 材材 料料 的的 特特 点点 和和 应应 用用 现现 状状1.2奥氏体奥氏体 - 铁素体双相合金应用现状铁素体双相合金应用现状 主要应用在石化领域、海水处理设备中应用广泛.热交换器和锅炉 大型储藏罐 海面作业平台的防爆墙 纸浆和造纸工业使用的蒸煮器和其它设备 化学制

7、品运输船中的货舱 海水淡化设备 烟气净化 海水处理设备铁素体-奥氏体 型不锈钢（双 相不锈钢）0Cr26Ni5Mo2， 00Cr18Ni5Mo3Si2属于这一类的不锈钢很多，如低碳的188铬镍钢，加钛、铌、钼的188铬镍钢，特别是在铸钢的组织中均可见到铁素体，此外含铬大于1415%而碳低于02%的铬锰不锈钢（如Cr17Mnll），以及目前研究的和已获得应用的大多数铬锰氮不锈钢等。主要品种：卷材、中厚板、棒材钢种牌号 目前，随着化工工业在中国的发展,双相不锈钢管的应用越来越广泛，国内双相不锈钢管每年以10%的速度增长着，在石油，尿素等行业也有很大的发展前途。双相不锈钢管在性能上的突出表现是屈服强

8、度高和耐应力腐蚀，具有良好的焊接性,焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。在日本，奥氏体和铁素体不锈钢焊管在石化行业中的管道系统占54%的市场份额。而我国不锈钢焊管主要应用在装饰领域，在石化领域使用的耐蚀焊管基本尚属空白。 国产不锈钢在品种、规格、数量、质量等方面，无论从满足市场需求上，还是同先进工业国家技术水平的比较上，都具有一定的差距。材 料 分 析 测 试 技 术材 料 分 析 测 试 技 术2. 2. 材材 料料 的的 制制 备备 及及 改改 性性 方方 法法 现现 状状2.1镍基合金高温强化的改善镍基合金高温强化的改善 镍基合金中的Ni作为基体，其基本特征是面心立方(FCC)母相具有很高

9、的相稳定性和通过各种各样直接和间接方法使合金强化的可能性。Ni的表面稳定性，可通过Cr和A1的合金化来改善。基本上分为三类:固溶强化型、沉淀硬化型和氧化物弥散(即ODS)强化型。 镍基合金按制备工艺通常分为变形镍基高温合金、铸造镍基高温合金和粉末冶金高温合金三大类。变形镍基高温合金按强化方式又可分为固溶强化型合金和沉淀强化型合金。固溶强化型合金具有一定的高温强度、良好的塑性、热加工性和焊接性，用于制造工作温度较高、承受压力不大(约几十兆帕)的部件，如燃气涡轮的燃烧室。沉淀强化型合金实际上综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度和抗疲劳性能，用于制造高温下承受

10、应力较高(每平方米一百多兆帕)的部件，如燃气涡轮的叶片和涡轮盘等。根据近年来的发展，铸造镍基高温合金又可分为普通铸造合金、定向凝固合金、定向单晶合金.铁基和铁镍基合金中，Fe的相变点在1183K，低于1183K为BCC的a相(铁素体)，高于1183K为FCC的Y相(奥氏体)。Cr是稳定a相的元素，直到高温Fe-Cr合金中a相仍是稳定相。关于Fe-Cr合金，处在同一温度下对a相与Y相的扩散系数加以比较，那么在a相中比在Y相中的扩散系数大100倍。大的扩散系数有利于高温抗腐蚀，不利于高温强度。因而添加元素改善高温强材 料 分 析 测 试 技 术度的同时耐高温抗腐蚀性能会下降。A1和Cr一样也是稳定

11、a相的元素。 Ni是稳定Y相的元素。对于Fe-Cr, Fe-Cr-Al等合金中添加Ni，有利于高温强度。一般合金元素在丫相中的溶解度大，便于利用固溶强化原理，以及利用Y相Ni3(A1,Ti)和碳化物析出强化。所以以高温强度为主的合金组织均为奥氏体。对于Fe基或Fe-Ni基合金的组成，首先添加Cr改善合金抗高温腐蚀性能，添加Ni稳定Y相，加入Mo, W强化Y相，然后添加Al, Ti类等元素形成Y强化相。 镍基合金中，由于Y强化相析出、Mo和W的固溶强化、碳化物的析出强化等，它们具有足够高的高温强度，与此同时Y强化相的体积率越大，蠕变断裂强度越大。而提高耐高温腐蚀性能的Cr在Y相中的溶解量大，在Y

12、相中溶解量就很小，因而在该合金中如Y相体积率变大，那么Y相的体积率变小，最终能在合金中添加Cr量下降。同时在该合金中为使Y相固溶强化，又添加了Mo, W，这样使Cr的添加量进一步下降，意味着高温抗腐蚀性能会有所下降，并且由于Mo, W的存在也会使高温抗腐蚀性能有明显下降。 优化Ni-Cr合金形成抗氧化性介质合金;优化Ni-Mo合金形成抗还原性介质合金，两大成分结合形成通用抗腐蚀性材料Ni-Cr-Mo系。对某一合金，高温腐蚀环境下合金的使用温度极限随着Cr含量的减少而下降。因而根据使用环境一定要区分是以高温强度为主还是以耐高温腐蚀性能为主，才能确定上述各类元素的添加量。2. 2. 材材 料料 的

13、的 制制 备备 及及 改改 性性 方方 法法 现现 状状材 料 分 析 测 试 技 术3. 3. 做做 投投 射射 电电 镜镜 分分 析析 的的 目目 的的 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2nm的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力

14、可达0.2nm。透射电镜的总体工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。 材 料 分 析 测 试 技 术4.4.透射电镜设备的选择及成像原理透射电镜设备的选择及成像原理4.1 成像原理：成像原理： 透射电子显微

15、镜是利用透射电子成像，因而要求样品极薄（加速电压100kV时，样品厚度不能超过100nm）。其结构包括三大部分：电子学系统、真空系统和电子光学系统。电子光学系统提供电子束，在高真空条件下照射到样品上，经过成像系统中的物镜成像，再经过中间镜和投影镜的进一步放大，获得的图像记录在CCD上。TEM使用油扩散泵来实现高真空。TEM发射出的高能电子束轰击到光路元器件上以及样品上，会产生以X-ray为主的等等其他射线辐射。透射电子显微镜是一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器，被广泛应用于材料科学等研究领域。透射电镜以波长极短的电子束作为光源，电子束经由聚光镜系统的电磁透镜将其聚焦成一束近似平行的光线

16、穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，然后电子束投射到主镜简最下方的荧光屏上而形成所观察的图像。 4.2 电子光学系统 ： 电子光学系统通常又称为镜筒，是电镜的最基本组成部分，是用于提供照明、成像、显像和记录的装置。整个镜筒自上而下顺序排列着电子枪、双聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏及照相室等。通常又把电子光学系统分为照明、成像和观察记录部分。 材 料 分 析 测 试 技 术4.3 真空系统 ： 为保证电镜正常工作，要求电子光学系统应处于真空状态下。电镜的真空度一般应保持在10-5托，这需要机械泵和油扩散泵两级串联才能得到保证。目前的透射电镜增加一个离子泵以提高真空度

17、，真空度可高达13332210-8Pa或更高。如果电镜的真空度达不到要求会出现以下问题： (1) 电子与空气分子碰撞改变运动轨迹，影响成像质量。 (2) 栅极与阳极间空气分子电离，导致极间放电。 (3) 阴极炽热的灯丝迅速氧化烧损，缩短使用寿命甚至无法正常工作。 (4) 试样易于氧化污染，产生假象。 3供电控制系统 供电系统主要提供两部分电源，一是用于电子枪加速电子的小电流高压电二是用于各透镜激磁的大电流低压电源。目前先进的透射电镜多已采用自动控制系统，其中包括真空系统操作的自动控制，从低真空到高真空的自动转换、真空与高压启闭的连锁控制，以及用微机控制参数选择和镜筒合轴对中等。4.4.透射电镜

18、设备的选择及成像原理透射电镜设备的选择及成像原理材 料 分 析 测 试 技 术 5. 5. 测测 试试 试试 样样 的的 制制 备备 方方 法法5.1基本要求： 电子束对薄膜样品的的穿透能力和加速电压和样品物质原子序数有关。样品的厚度较大时，往往会使膜内不同深度层上的结构细节彼此重叠而相互干扰，得到的图像过于复杂；但是若样品太薄则表面效应将起十分重要的作用，以至于造成薄膜样品的相变和塑性变形进行的方式有别于大块样品。故对一般金属材料而言，样品的厚度都在500nm以下。薄膜样品应具备的条件：薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，这些组织结构不发生变化。样品相对于电子束必须有足够的透

19、明度，因为只有样品能被电子束透过，才有能进行观察分析。薄膜样品应有一定的强度和刚度，在制备、夹持和操作过程中，在一定的机械力作用下不会引起变形和损坏。5.2 制备过程： 从实物或大块试样上用电火花切割法切割厚度为0.30.5mm的薄片。电火花切割法是目前用的最广泛的方法，它可以切割下厚度小于0.5mm的薄片，切割时损伤层很薄，可通过后续的磨制或减薄过程除去。电火花切割只能切割导电样品，对于陶瓷等不到电样品可用金刚石刃内圆切割机切片。样品预先减薄： 预先减薄的方法有两种，即机械法和化学法。机械减薄法是通过材 料 分 析 测 试 技 术5. 5. 测测 试试 试试 样样 的的 制制 备备 方方 法

20、法手工研磨来完成的，把切割好的薄片一面用粘接剂粘在样品座表面，然后在水砂纸磨盘上进行研磨减薄。应注意把样品放平，不要用力太大，并使它充分冷却。如果材料较硬，可减薄至70m左右；若材料较软，则减薄的最终厚度不能小于100m。化学减薄法则是把切割好的金属薄片放入配制好的化学试剂中，使它表面受腐蚀而继续减薄。化学减薄的最大优点是表面没有机械硬化层，薄化后样品的厚度可以控制在2050m，这样可以为最终减薄提供有利的条件，经化学减薄的样品最终抛光穿孔后，可供观察的薄区面积明显增大。但是，化学减薄时必须事先把薄片表面充分清洗，去除油污和其他不洁物，否则将得不到满意的结果。 最终减薄： 目前效率最高和操作最

21、简单的方法是双喷电解抛光法。将预先减薄的样品剪成直径为3mm的圆片，装入样品夹持器中。进行减薄时，针对样品两个表面的中心部位各有一个电解液喷嘴。从喷嘴中喷出的液柱和阴极相接，样品和阳极相接。电解液是通过一个耐酸泵来进行循环的。在两个喷嘴的轴线上还装有一对光导纤维，其中一个光导纤维和光源相接，另一个则和光敏元件相联。如果样品经抛光后中心出现小孔，光敏元件输出的电讯号就可以将抛光线路的电源切断。5.3 制备方法分类: (1)粉末法 (2)化学减薄法 (3)离子减薄法 (4)复型法 材 料 分 析 测 试 技 术6 . 6 . 实实 验验 数数 据据 的的 结结 果果 分分 析析 6.1 透镜衍射斑

22、点组织结构分析 由图一， -和相符合同一衍射斑点的结构规律（均由规则的平行四边形组成），其属于同一种点阵类型。经衍射花样的标定分析可知，此点阵类型为面心立方点阵。沿基体的面析出，并与基体共格。图1-相的衍射斑点 由图2：可看到相在基体上的形貌，大致上是方形的相，大小只有零点几纳米左右。图2 合金的相形貌（暗场像）材 料 分 析 测 试 技 术 固溶处理是为了溶解基体内碳化物、相等以得到均匀的过饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和等强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约

23、在9801250之间，主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。高温固溶处理时，各种析出相都逐步溶解，同时晶粒长大；低温固溶处理时，不仅有主要强化相的溶解，而且可能有某些相的析出。对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常为空气中冷却。对于镍基高温合金，热处理主要包括固溶处理、一次时效处理和二次时

24、效处理三个阶段，以控制合金中析出相的分布、大小以及合金的晶粒尺寸等，消除合金中的偏析，使合金的组织和性能得到提高。合金热处理的重要参数包6 . 6 . 实实 验验 数数 据据 的的 结结 果果 分析分析 括升温速度、保温时间、保温温度和冷却速度等，这些参数的改变都将影响合金的组织。通过固溶处理，可以使大部分 相固溶，但由于固溶处理时，相并未完溶解，未溶解的 相可以钉扎晶界，防止晶粒长大。同时，固溶处理还可以进一步消除或降低合金中的偏析，增加合金组织均匀性。一次时效的处理温度为 650，保温时间为 24 小时，空冷。此过程析出大量细小的弥散分布的 相，强化合金。二次时效是热处理过程的最后一步，其

25、处理温度接近合金的最终使用温度760，时效时间为 16 小时，空冷至室温。通过二次时效，合金中进一步析出细小的相，增加合金的析出强化效果。同时，接近使用温度的时效过程可以使合金的组织得到稳定，减少使用过程中合金析出相 的尺寸，数量和分布的变化，增加合金的组织稳定性。由以往镍基高温合金长期时效过程第二相研究资料可以知道：相在固溶处理时就已经有所析出，但数量不足，不材 料 分 析 测 试 技 术6 . 6 . 实实 验验 数数 据据 的的 结结 果果 分分 析析 能有效的强化。在不同的时效制度之下，相大小差异很大且生长的速度差异也很大。当时效温度800时，相颗粒的长大较快，形貌有圆形趋于方形，时效

26、200h相颗粒已经生长得较大，形貌为方形，呈有序排列，颗粒的大小及分布呈现出不均匀性。而时效1000h时相的形貌清晰地表现出不均匀长大，有些相颗粒长大较快，直径甚至达到其他颗粒的两倍。时效温度为900时，相长大迅速且不均匀长大的趋势也更为显著。对各时效温度，作相平均半径于时间t的曲线如图可以看出，在长期时效制度下，合金中相的粒子平均半径的负三次方与时效时间成正比的关系很好地符合了里夫希茨瓦格纳的第二相粒子成熟理论。材 料 分 析 测 试 技 术6. 6. 实实 验验 数数 据据 的的 结结 果果 分分 析析7.1 第二相的存在形态对合金性能的影响 在纯金属或合金中,具有相同成份、相同结构,并与

27、其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。工业中大量使用的金属材料是合金,按其组元间相互作用不同,在固态下的基本相结构分为两大类:一类是固溶体,其晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同;另一类是中间相,也叫第二相,其晶体结构与组元的结构不同,第二相包括任何结晶的化学化合物。值得注意的是:工业合金中其组织仅由第二相单相组成的情况是不存在的,这是因为它虽然有很高的硬度,但脆性很大,无法使用。反之,仅由一种固溶体组成的合金,往往又由于强度不够高,使用起来也常常受到限制。因此,绝大多数的工业合金,其组织均为以固溶体为基体与第二相(一种或几种)所构成的机械混合物。此时合金的性能不仅决定于基体的性能,也

28、决定于第二相的结构、数量、形状、大小和分布。工业合金中的第二相大多是硬而脆的金属化合物,这些化合物的存在形态对合金的性能有着举足轻重的影响。 7.2 第二相强化（一）概念第二相强化是指弥散分布的合金基体组织中第二相粒子可成为阻碍位错运动的主要障碍，是一种用于强化金属材料的有效方法之一。按照第二相特性不同，又常材 料 分 析 测 试 技 术7 . 7 . 综综 合合 分分 析析将第二相强化分为沉淀强化和弥散强化两种。沉淀强化像粒子系经固溶和时效处理后获得的弥散分布的第二相粒子；弥散强化相粒子是金属中加入或形成的较稳定的第二相粒子，常指通过内氧化及粉末冶金等方法人为加入到基体的第二相粒子。（二）作用机理影响位错的运动。1、