材料微观结构与性能分析

完成时间：2016年XX月XX日

摘要

材料分析检测技术，是关于材料成分、结构、微观形貌的检测技术及相关理论基础的研究，在众多领域的研究和生产中被广泛应用。本报告以Mg/Al扩散焊接接头的检测分析为例，分别介绍了扫描电镜（SEM）、X光衍射技术（XRD）、电子探针（EPMA）等材料微结构表征手段和显微硬度、断裂强度测试等材料力学性能测试手段的具体应用。

关键词：材料分析；微观形貌；力学性能

Abstract

Material analysis and testing technologyare detection technologies and theoretical foundations about material composition, structure, microstructure. They are widely used in many fields of research and production. This report introduce the detection of Mg/Al diffusion bonding joint as an example,and discusses the application progress of X-ray diffraction technology in materialanalysis, such as SEM, XRD, EPMA which are used for material microstructure analysis and microhardness, breaking strength which are used for mechanical properties testing.

Keywords:materials analysis; microstructure; mechanical properties

1 前言

在汽车行业推广轻质材料，有利于结构重量的优化，从而降低能源消耗与尾气排放。铝和镁都具有密度低、比强度和比刚度高的特性，因此常用于结构轻量化的研究。铝在地壳中含量居第三，仅次于氧和硅，具有低密度（2.70 g/cm3）、较高的比强度和比刚度、良好的耐腐蚀性、良好的导电性等优良性能,其合金在航空航天、汽车、电力行业等已经有广泛应用。镁在地壳中含量居第八，在宇宙中含量居第九，其密度比铝更低，仅为1.738g/cm3，是目前工业化应用中最轻的结构金属材料；比强度和比刚度均高于铝合金和钢，在不影响强度和刚度的情况下有助于减轻材料的质量；具有良好的减震性和电磁屏蔽能力，在航空航天、汽车、仪表、通讯等行业有很大潜力[1-2]。

随着铝、镁在研究中的深入发展，单一的铝和镁性能已经难以满足实际应用，因此越来越多研究者关注镁铝异种金属焊接。铝镁焊接连接可以在原有的领域充分发挥两种金属各自的优异性能，还可以集多功能于一身的结构材料、功能材料，将运用于更多的科学领域。铝镁异种金属焊接的主要问题在于母材材料表面易氧化，电阻率、热导率、线膨胀系数较大，易产生脆性的金属间化合物。铝镁异种材料焊接的研究已经成为焊接领域研究的热点和难点[3-4]。

扩散焊接是在一定的压力和温度下，母材待焊面发生塑性变形紧密贴合，经过原子扩散以达到冶金结合的焊接方法[5]。相比熔焊，扩散焊接由于对温度和压力的要求不高，不会产生凝固裂纹及高的变形应力等焊接缺陷，在材料的焊接方面具有极大的优势。但经过原子的扩散迁移，在接头界面附近形成冶金结合的扩散层。这种扩散层的组织结构将决定接头的连接性能，所以采用材料微结构分析方法研究Al/Mg接头界面微观组织。采用金相显微镜、扫描电镜观察扩散连接接头的结构；采用X射线衍射分析、电子探针显微分析表征接头成分；采用力学测试、硬度测试接头性能。探究不同连接温度、压力、时间对接头界面组织结构与连接性能的影响，确定最佳的扩散连接工艺参数。本研究对Al/Mg金属扩散连接在实际生产中的应用推广有重大意义。

1.1材料微观组织分析方法

材料性能的本质影响因素是其微观结构，所以材料微结构分析原理与方法是进行材料学研究的最基本工具。针对Mg/Al扩散焊接接头界面微组织的检测分析，主要用到扫面电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）[6]。

1.1.1 扫描电子显微镜

扫描电镜（SEM）是一种利用高能电子束轰击样品表面激发出各种物理信息，通过对这些有效信息的搜集、放大、成像，研究材料的微观组织形貌。扫描电镜是一个复杂的系统，浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术，能直接利用样品表面的物质特性进行微观成像[7]。

扫描电子显微镜的出现和不断完善弥补光学显微镜和透射电子显微镜的某些不足，它具备的优点是：

1）有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；

2）景深大，视野广，可立体成像，直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；

3）试样制备简单。

目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，可同时进行微观组织性貌的观察和微区成分分析，具有极高的应用价值。

扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X 射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射（见图1）。常用的物理信号有：

图1 扫描电镜激发的物理信号

1）二次电子：指被入射电子轰击出来的核外电子。当入射电子轰击原子后，能量传递给核外电子使其脱离原子核的束缚成为自由电子。如果这种散射过程发生在样品表层附近，那些能量大于材料逸出功的自由电子会从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。

2）背散射电子：指高能入射电子撞击样品后反射回来的部分电子。背散射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当），其产额随原子序数的增加而增加。利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。

3）俄歇电子：指由原子内层电子跃迁释放出来的能量不是以X射线形式释放而是传递给核外另一电子，使其脱离核的束缚变为俄歇电子。因为每种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500ev范围内。因此，试样表层发出的俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。

4）特征X射线：指原子的内层电子受到激发后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。X射线一般在试样的500nm-5mm深处发出。结合配备的X射线能谱仪，可分析材料的微区成分。

扫描电子显微镜的原理结构由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后的电光源，在高电压加速下经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，在试样

表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品表面作用激发的物理信息分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显像管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显像管荧光屏上相应的亮点对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。再利用光栅扫描成像，获得完整形貌图片。整个原理结构图，如图2所示。

图2 扫描电镜的原理结构示意图

1.1.2 X射线衍射

每一种结晶物质，都有其特定的晶体结构，包括点阵类型、晶面间距等参数。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射[8]。衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律，相应的原理示意图如图3所示。

图3 X射线衍射原理图

1）物相分析：每种晶体由于其独特的结构都具有与之相对应的X射线衍射特征谱，这是X射线衍射物相分析的依据。将待测样品的衍射图谱和各种已知单相标准物质的衍射图谱对比,从而确定物质的相组成。确定相组成后,根据各相衍射峰的强度正比于该组分含量(需要做吸收校正者除外)，就可对各种组分进行定量分析。

2）点阵参数的测定：测定点阵参数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。通过X射线衍射线位置的测定而获得的，通过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。

3）微观应力的测定：材料的微观残余应力是引起衍射线线形宽化的主要原因，因此衍射线的半高宽即衍射线最大强度一半处的宽度是描述微观残余应力的基本参数。当一束X射线入射到具有微观应力的样品上时，由于微观区域应力取向不同，各晶粒的晶面间距产生了不同的应变，即在某些晶粒中晶面间距扩张,而在另一些晶粒中晶面间距压缩，结果使其衍射线并不像宏观内应力所影响的那样单一地向某一方向位移，而是在各方向上都平均地作了一些位移，总的效应是导致衍射线漫散宽化。

X射线衍射仪以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍射信息的衍射实验装置，其结构示意图见图4。衍射仪法以其方便、快捷、准确和

可以自动进行数据处理等特点在许多领域中取代了照相法，现在已成为晶体结构分析等工作的主要方法。

图4 X射线衍射仪结构示意图

1.1.3 电子探针

电子探针（见图5）是一种现代微区化学成分分析手段，利用经过加速和聚焦的极窄电子束为探针，激发试样中某一微小区域，使其发出特征X射线，测定该X射线的波长和强度，即可对该微区的元素作定性或定量分析[9]。电子探针有三种基本工作方式：点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对其中所含元素进行定量分析；线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；面分析用于观察元素在选定微区内浓度分布。

图5 电子探针

由于电子探针技术具有操作迅速简便（相对复杂的化学分析方法而言）、实

验结果的解释直截了当、分析过程不损坏样品、测量准确度较高等优点，故在冶金、地质、电子材料、生物、医学、考古以及其它领域中得到日益广泛地应用，是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。

1.2 材料力学性能分析

1.2.1 材料硬度测试

硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力[10]。材料的硬度分析主要有3类：1）划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。2）压入硬度：主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。3）回跳硬度：主要用于金属材料，方法是使一个特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。

其中，显微硬度是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力。测量的仪器是显微硬度计（见图6），它实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜[11]。测定之前，先要将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上会产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线的长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值。

图6 显微硬度计

1.2.2 材料断裂强度测试

材料强度研究的是结构内部力的分布，包括组织结构、结构在载荷下如何变形和如何失效等。根据外力作用方式不同，材料会受到抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、屈服强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、蠕变强度等[12-13]。

拉伸强度：在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉伸应力即为拉伸强度，用于表征材料的强度和韧性。

抗弯强度：抗弯强度是指材料抵抗弯曲不断裂的能力，一般采用三点抗弯测，试其值与承受的最大压力成正比。

剪切强度：剪切强度是指材料承受剪切力的能力，指外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的强度极限。

材料力学性能测试需要通过万能力学测试机（见图7）完成实验，主要适用于橡胶、塑料板材、管材、异型材，塑料薄膜、电线电缆、防水卷材、金属丝等材料的各种物理机械性能测试。仪器采用机电一体化设计，主要由测力传感器、变送器、微处理器、负荷驱动机构、计算机。为材料开发、物性试验、教学研究、质量控制、进料检验、生产线的随机检验等不可缺少的检测设备。

图7 万能力学测试机

2 Mg/Al接头界面微观组织研究

2.1 界面微观组织形貌

MojtabaJafarian等人[14]采用真空扩散连接技术分别在430-450℃温度范围内对6061铝合金/AZ31镁合金进行连接。如图1-9为接头的界面形貌，由于温度430℃时较低，未能实现连接；温度升高至440-450℃，原子发生充分互扩散，在接头界面处形成厚度约为23-27μm的Mg-Al金属间化合物层。

图8 Al6061/MgAZ31接头SEM-BSE图: (a)430℃; (b)440℃; (c)450℃

2.2 接头界面XRD衍射分析

刘蒙恩等人[15]采用脉冲加压扩散连接工艺连接AZ31镁合金与5083铝合金，连接温度450℃，保温5-20min，施加5-10MPa的轴向脉冲压力。扩散时间为15 min时接头横剖面的X射线衍射分析，接头界面处形成了金属间化合物Mg2Al3，AlMg和Al0.56Mg0.44。

图9 450℃, 15 min接头的XRD分析

2.3 接头界面区域电子探针分析

武汉理工大学的张建等人[16]采用扩散焊接工艺，通过添加Ni箔中间层对镁铝异种金属进行焊接。采用电子探针观察焊接接头界面主要元素浓度分布，结果如图10所示。图10（a）为焊接温度450℃，保温时间90min时Mg/Ni/Al焊接

接头界面显微结构。可以看出，添加Ni箔中间层成功实现了对Mg，Al的焊接，界面无明显裂纹、孔洞等缺陷。焊接界面由Al侧到Mg侧依次为Al母材、Al-Ni 过渡区、Ni中间层、Mg-Ni过渡区、Mg母材。由图10（b）界面元素线扫描图可以看出，Mg/Ni/Al焊接接头界面Mg，Ni，Ａl元素浓度均从母材向界面扩散区减小Mg过渡区主要由Mg元素和Ni元素互扩散形成，Al-Ni过渡区主要由Al元素和Ni元素互扩散形成，没有Al-Mg的相互扩散区域，表明Ni箔的加入阻止了Mg-Al的相互扩散。

图10 Mg/Ni/Al焊接接头界面显微结构(a)和元素线扫描(b)

3 Mg/Al扩散接头力学性能

3.1 接头界面附近显微硬度测定

MojtabaJafarian等人[17]采用维氏显微硬度计对440℃，保温90min的Mg/Al 接头界面附近的显微硬度进行测定，结果如图9所示。由图可知，界面扩散区的硬度值最高，并沿两侧基体方向降低。其中Al6061-T6/MgAZ31接头的显微硬度值最高达155HV。

图11 接头显微硬度分布

3.2 接头断裂强度

刘蒙恩等人[15]对扩散焊接获得的Mg/Al接头进行抗拉强度测试由图12可以看出，随着保温扩散时间的延长，接头抗拉强度出现先升高后降低的现象。接头的抗拉强度随保温扩散时间的变化规律与接头的界面组织及物相成分密切相关。当保温扩散时间为5min时，接头抗拉强度只有16MPa，主要是由于反应时间较短，原子扩散不充分，扩散层厚度太薄，导致接头强度较低。当保温扩散时间为15 min时，接头强度最高至46MPa，这主要是由于随着保温扩散时间的延长，原子扩散更加充分，接头组织越来越致密。随着保温扩散时间增至20 min，金属间化合物层厚度增大，导致接头强度反而降低至35MPa。

图12保温时间对接头抗拉强度的影响

Mg、Al 合金具有一系列优异性能被广泛应用到航空、航天、交通工具等不同领域。Mg、Al 作为重要的结构件材料，交叉应用趋势越发突出，Mg/Al 异种金属连接加工技术要求越来越高，焊接技术仍将是该领域的研究重点。因此，采用扩散焊接方法，调整焊接工艺，阻止金属间化合物、控制其形态及分布仍将是今后研究的热点。

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