高性能金属及合金常常需要耐高温和苛刻的环境，从而在航空航天及核工业中发挥作用。这些材料，如铝、锆、镍和钛合金，需要在使用中发挥稳定的性能，并具有抗冲击性和耐腐蚀性。因此，工程师和科学家需要不断优化材料性能，扩充材料的使用场景。
图片来源：Aulia1/Shutterstock.com
生产厂家依靠先进的生产技术监测和控制各种材料的特性，以满足严苛的使用条件。材料中存在的夹杂物、析出物和晶粒，对于高性能金属及合金的力学性能和表现有显而易见的影响，因此监测材料中的夹杂物、析出物和晶粒有助于理解在特定使用条件下材料的力学性能和表现。
本文将诠释在高性能金属和合金生产中监测夹杂物、析出物和晶粒的重要性，以及探讨这些材料特征的意义，如它们的尺寸、形状和分布，表征它们所遇到的困难，以及用于监测和控制它们的先进技术。
夹杂物
夹杂物是自然产生或金属制造过程中产生的杂质，会显著改变材料的结构完整性和性能。
非金属夹杂物(如氧化物和硫化物)的形成通常通过这几种可能的途径，包括化学反应、物理效应或加工过程中的污染。
夹杂物干扰了材料组织的均匀性，会显著影响强度和硬度等力学性能，导致成品出现缺陷、裂纹和疲劳破坏。1 同时也会影响铸造和工艺流程操作。2 然而，有一些方法可以调控夹杂物，最终改善材料的性能和特性。例如，在某些条件下，钢材料中的氧化物和硫化物可以增加硬度和耐磨性，而其他夹杂物可以促进结晶，改善材料的整体结构。3夹杂物的研究对于精炼和优化材料至关重要。
研究夹杂物的一个方面是确定夹杂物与金属或合金之间发生什么反应，然后控制它们。例如，在炼钢过程中，钢渣和钢液之间的反应会影响夹杂物的形状和性能，而这些又会对成品产生重大影响。
研究夹杂物可以采用各种先进的分析技术，如扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)。某研究小组结合X射线计算机断层扫描(XCT)，高温共聚焦扫描激光显微镜(HT-CSLM)和先进的电子显微镜技术来分析他们的样品。4
研究人员将这些先进的技术与图像处理软件结合使用，帮助他们提取、测量和分析感兴趣的特征。
通过这种方式分割数据，研究团队可以分析夹杂物的大小、形状和组成，并了解材料中的界面信息。分析过程产生的中间数据（如三维四面体网格）也可以在计算流体动力学软件和其他模拟器中重复使用。
图中显示了来自XCT数据的样本的三维重建(a)，包含区域的SEM图像(b)，以及显示视图中区域元素组成的地图扫描(c)。图片来源：Raviraj, a. et al. https://doi.org/10.1007/s11663-021-02091-z
析出物
自上世纪初以来，析出物已强化了各种合金材料。例如，在钢中添加少量的钒、铌和钛可以增加强度和韧性。这些微合金(含量小于0.1%的合金元素)与碳和氮反应形成纳米级碳氮化物沉淀，这些沉淀在材料中表现为非常细的分散。5研究人员仍在查找沉淀如何形成和扩大的原因，它们如何与固体溶质和晶界相互作用，以及如何影响机械性能的科学。6,7
设计优异的微观结构需要控制涉及复杂化学和与结构缺陷相互作用的固态相变。实验表征和建模的进展有助于提高对这些过程的理解和描述。
诸如透射电子显微镜(TEM)等技术可以提供关于沉淀类型及其对材料影响的高分辨率纳米级信息。结合EDS和TEM可以确定单个析出物的组成。然而，这一过程非常
实验人员必须手动收集化学成分的数据，每天只能收集几十个颗粒，或者使用不包含化学成分的单一颗粒成像。
解决方案就是使用自动化软件自动分析数百个颗粒，而不浪费实验人员的时间。通过自动化过程，统计相关的数据集(多达数千个数据点)可以在短时间内或在某些情况下更快地确定目标分析材料的特征。
图片来源：赛默飞世尔科技
颗粒
当熔化的金属或合金凝固时，分离的晶体结构结合起来形成晶粒。它们的结构、大小和分布取决于材料的组成和合成方法。因此，控制金属和合金的晶粒结构是至关重要的，因为它们可以大大影响力学性能，如强度、硬度和延展性。
许多金属和合金的失效与晶界周围的析出有关，如蠕变、腐蚀和脆性。例如，细晶粒可以减少热撕裂，热撕裂是金属凝固时形成的断裂;或者它们会导致热点的缺陷。8 研究细晶和粗晶材料的不同反应，有助于了解在晶界或内部区域如何发生断裂，以及变形过程中微观组织的变化。9研究人员在开发增强力学性能的新型合金过程中分析了各种复杂反应的晶粒。
调整材料的微观结构以获取最佳产品是至关重要的。扫描电镜是观察晶粒和晶界的有效工具。扫描电镜可以提供样品的表面和横断面图像，而EDX分析可以提供样品中元素分布的信息。10
软件能够快速、准确地分割和分析数据集也可以显著加快分析速度。同时，聚焦离子束扫描电镜可以产生三维数据集，这些数据集可以使用自动化软件进行重建。9对这些数据集的分析使研究人员能够在特定的感兴趣区域可视化金属间相的三维分布。通过EDS mapscan分析特定相的化学成分。
图中显示在空气中700℃KCl-NaCl中腐蚀16 h的Ni-20Cr箔:(a)用于深度分析的斜切片。(b)沿深度方向的伪二维截面，间距约为0.4 μm。红色和蓝色箭头表示较大的孔隙和晶间裂纹。(c)近地表区域显示孔隙的三维体绘制。在Thermo Fisher Scientific的Avizo软件中进行了二维伪截面图像和三维体积的可视化。图片来源: Yu L-C。等https://doi.org/10.1038/s41598-022-20286-5
Conclusion
结论
三种主要因素(夹杂物、析出物和晶粒结构)影响高性能金属和合金的力学性能和表现。因此，确定这些因素的大小、形状、分布和化学成分有助于研究人员克服缺陷并开发出高性能的材料。
先进的成像和光谱技术，如SEM, TEM和EDS，提供了必要的数据来测量材料的性能。然而，解释这些数据需要很高的专业知识，软件在自动化分析感兴趣的特征和生成通俗易懂的报告方面起着至关重要的作用。
赛默飞世尔科技设计的系统能够收集图像和光谱数据，同时软件可以高精度和高效地提取和分析数据集。Thermo Scientific™ Avizo™软件可以通过手动或自动的方式提供精确的图像处理，帮助研究人员研究夹杂物、沉淀物和颗粒，包括先进的分割、定量和报告工具，提高研究团队的工作效率。11
赛默飞为寻找自动化系统分析金属和合金中的析出物的材料科学家们，提供了Thermo Scientific™ Automated Particle Workflow (APW) ，12它将独特的硬件和软件结合到一个TEM上的纳米粒子表征工作流。这种显微镜在无人看管的情况下自动运行，每天可以收集和表征成千上万的颗粒。
这些自动化解决方案为研究和量化高性能钢和金属的基本性能提供了一个全面的解决方案，使材料科学家能够自信地开发高端新材料。
参考资料
向上滑动阅览
1、Wang, J. et al. Effects of aluminum and titanium additions on the formation of non-metallic inclusions in nickel-based superalloys. Journal of Alloys and Compounds, Volume 906, 2022, 164281.
2、Yang, S. et al. Inclusions in wrought superalloys: a review. Journal of Iron and Steel Research International volume 28, pages921–937 (2021).
3、Costa da Silva, ALV. Non-metallic inclusions in steels – origin and control. Journal of Materials Research and Technology, Volume 7, Issue 3, 2018, Pages 283-299.
4、Raviraj, A. et al. The Spontaneous Emulsification of Entrained Inclusions During Casting of High Aluminum Steels. Metallurgical and Materials Transactions B volume 52, pages1154–1163 (2021).
5、Precipitate analysis in metals with the Automated Particle Workflow (thermofisher.com).
6、Ma, K. Precipitation in nanostructured alloys: A brief review. MRS Bulletin volume 46, pages 250–257 (2021).
7、Wu, H. Thermal Stability of the Precipitates in Dilute Al-Er-Zr/Hf Alloys at Elevated Temperature. Metals 2022, 12(8), 1242.
8、Stanic, D. et al. Influence of Copper Addition in AlSi7MgCu Alloy on Microstructure Development and Tensile Strength Improvement. Metals 2020, 10(12), 1623.
9、Wang, Y. et al. Cryogenic toughness in a low-cost austenitic steelCommun Mater 2, 44 (2021).
10、Yu L-C. et al. Evolution of micro-pores in Ni–Cr alloys via molten salt dealloying. Scientific Reports volume 12, Article number: 20785 (2022).
11、Avizo Software for alloy and metal analysis (thermofisher.com).
12、Nanoparticle analysis (thermofisher.com).