金屬材料損傷分析中的物理冶金分析技術

0 引言

在金屬材料的損傷分析中，分析人員最廣泛采用的分析技術即為物理冶金分析技術，該類分析技術可直接有效地給出材料的損傷行為、材料的組織結構特征參量和材料的工藝過程之間的緊密的關聯性，同時，可用于對損傷機理進行解釋，并對損傷的預防提供支撐［1-3］。通過合理選取不同的物理冶金分析技術手段，損傷分析人員可得到材料中不同組成相的晶體結構、形貌（尺寸、形狀和空間分布等）以及成分信息，還可得到材料的物理性能以及應力狀態等［4-7］。本文將損傷分析中常用的物理冶金分析技術分為五大類進行了綜述，包括組織結構分析技術、物理性能分析技術、化學成分分析技術、殘余應力分析技術以及原位分析技術。

1 組織結構分析技術

金屬材料的損傷、斷裂和失效的特征和模式與它的組織結構密不可分，金屬在不同載荷作用下，當沿它的特定原子面的原子結合被破壞時，不同的損傷、斷裂或失效就會發生，見圖1。通常情況下，金屬中的組織結構缺陷或不連續性在此過程中起著關鍵作用，這些缺陷通常被分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。圖2給出了金屬晶體中常見的組織結構缺陷，如原子固溶（置換型和間隙型）、空位、孔洞（點缺陷）以及位錯（線缺陷）等［圖2（a）］；另外，由于絕大多數工程金屬材料由多個晶?；蚨喾N物相組成，晶界、相界面或孿晶界等組織結構的不連續性（面缺陷）會不可避免地存在于材料中［圖2（b）］［8-9］，因此它所具有的這種多晶體（多相）屬性在此過程中所起的作用是不容忽視的，例如，在載荷作用下，會導致位錯沿特定滑移面運動，并在金屬材料中的晶界或相界處發生塞積，導致裂紋形核和擴展，如圖3所示［8］。

圖1 載荷作用下的金屬材料沿特定晶體學面開裂
Fig.1 Cracking along specific crystallographic plane in metallic materials subjected to load

圖2 金屬材料中常見的組織結構缺陷
Fig.2 Microstructural defects in metallic materials

圖3 載荷作用下發生位錯運動，遇到障礙（第二相）時在相界處出現位錯塞積，導致裂紋萌生
Fig.3 Dislocation motion under loadings leading to pile-up at phase boundaries and crack initiation

由此可見，只有對金屬材料的組織結構特征進行深入分析，才能對材料的損傷過程有深層次的透徹的理解，進而才可全面掌握材料及構件的斷裂和失效過程。這里將按照微觀結構分析和組織形貌分析展開論述。

對于金屬材料損傷過程的分析而言，常用的微觀結構分析技術主要有透射電子顯微術（TEM）、掃描隧道顯微術（STM）和掃描透射電子顯微術（STEM）等，這些技術手段已被廣泛應用于金屬材料在不同載荷條件下損傷過程的機理分析，如對損傷過程的結構特征和演變規律的分析等［10-17］。圖4給出了一種鎳基單晶高溫合金在1 100 ℃、137 MPa下，經歷了122 h 蠕變斷裂后，在斷口附近切取制備試樣后的TEM 分析結果，圖4（a）為TEM 明場像，觀察方向為［001］方向，可以看出，在蠕變斷裂過程中，位錯在γ/γ'界面處塞積形成了明顯的位錯網，同時，通過高分辨TEM 圖像分析γ/γ'界面結構特征［圖4（b）］，分析得出蠕變過程中位錯網絡與兩種相的共格關系和晶格應變的協同作用特征［16］。利用STEM 分析手段可進行類似的損傷特征的分析［14-15］，如圖5所示，一種含Ru 鎳基單晶高溫合金在1 150 ℃、100 MPa 條件下，分別在蠕變第二階段的前期［圖5（a）］和后期［圖5（b）］的STEM 圖像，從圖可見，在蠕變第二階段的前期，大量的位錯網絡在γ/γ'界面處的基體γ 內沉積，而在γ'相內未發現位錯；但是，在蠕變第二階段的后期，有一些位錯線出現在γ'相內，如圖5（b）中箭頭所示，作者由此認為，此時位錯切入γ'相為主要的蠕變模式［15］。

圖4 一種鎳基單晶高溫合金在1 100 ℃/122 h蠕變斷裂過程中，在γ/γ'界面處產生的位錯網絡
Fig.4 Dislocation network formed at the γ/γ'interface during creep of a nickel-based superalloy at 1 100 ℃for 122 h

圖5 一種含Ru鎳基單晶高溫合金在1 150 ℃、100 MPa條件下蠕變第二階段的前期和后期的位錯組態
Fig.5 Dislocation structure in the early phase and final phase of the second stage during creeping in a Ru-containing nickelbased superalloy at 1 150 ℃under 100 MPa

另外，在金屬材料的損傷分析過程中，有時還需要利用其他結構分析技術來獲取物相的晶體結構信息、晶粒取向和材料織構等方面的信息，來輔助分析和判斷損傷的特征和機理，這時，一般采用的技術包括X射線衍射技術（XRD）和電子背散射技術（EBSD）等［11，18-20］。一種商業純鈦經如圖6（a）所示的單向拉伸試驗后，在10%的塑性應變時，試樣表面產生大量垂直于拉伸應力方向的裂紋［圖6（b）］，經過EBSD進行晶粒取向分析后，作者將裂紋產生的位置（晶間或晶內）與晶粒取向和晶界角度關聯了起來，從晶界結構的角度揭示了該類金屬材料的損傷機理［21］。

如前所述，雖然目前比較常用的微觀結構分析技術可以揭示金屬材料損傷過程中的深層次的結構信息，更利于我們對材料的損傷特征和機理獲得更多的理解，另外，隨著相關技術的發展日益成熟，越來越多的相關設備和技術人員可供材料損傷分析人員使用。但是，此類分析需要分析人員具備很高的金屬物理學和晶體學等方面的技術水平，這在一定程度上限制了相關技術手段的使用；相關分析樣品的制備比較復雜，而且在樣品制備過程中比較容易帶來人為的假象，因此需要對樣品的制備過程需嚴格控制，對于某些特殊的金屬材料如金屬基復合材料，往往需要使用聚焦離子束（FIB）等比較昂貴的手段制備試樣；最后，由于所需的分析試樣較小，一般為直徑3 mm 的薄片甚至更小，這種情況下，所取試樣對于所研究材料的代表性需要謹慎考慮。

圖6 一種商業純鈦單向拉伸損傷裂紋
Fig.6 Cracking in a commercially pure titanium under monotonic tension

與微觀結構分析相比，組織形貌分析在工程應用方面顯得更為直接和重要。根據分析的總體目的、要求和分析過程不同階段的特點，可采用的分析技術手段的范圍非常廣泛，作者將根據自己的知識能力和工作經驗，結合不同技術手段在金屬材料損傷分析過程中的作用，討論常用分析技術的特點和能力。

首先，現場金相技術經常用于對大構件的金相形貌進行現場分析，這種情況下，由于構件過大或者由于服役的要求，不能進行破壞后的實驗室金相分析，所以，這類分析技術有時被稱為無損金相技術或者原位金相技術?，F場金相技術涉及多方面的工作，包括構件表面磨拋、金相腐蝕、觀察和金相復型等，應根據分析的目的和要求做適當的取舍，其中，對需分析的區域進行復型后，需要在利用其他實驗室分析技術對復型膜進行觀察分析。需要的裝置一般包括便攜式磨拋工具、金相腐蝕工具、便攜式金相顯微鏡和金相復型工具。該技術的優點在于它可以現場監測構件在整個服役期間的微觀組織變化和損傷過程，同時，無論是針對平面還是曲面，精確合理的復型可以保證后續很高分辨率的微觀組織分析；不足之處包括，該分析技術僅限于對表面特征的分析而無法獲得內部的信息，復型技術僅能顯示形貌信息而無法提供成分信息。作為損傷失效分析的一個重要技術手段，該技術已在全球范圍內獲得了廣泛應用［1，22-25］，有的國家已經發布了相關的檢測標準供檢測和分析技術人員參考和使用，如美國的ASTM E 1351（Standard Practice for Production and evaluation of Field metallographic Replicas）和德國的DIN 54-150（Nondestructive Testing Impression Methods for Surface Examination）。圖7和圖8給出了兩個典型的現場金相分析技術的應用實例［22］，一種在高溫下使用的蒸汽鋼管在使用一段時間后，發現在晶界處出現了蠕變空洞（圖7），在利用現場金相技術及早檢查發現這種損傷后，可以預防災難性的失效破壞。在圖8中，對一個軋輥的磨損表面進行分析，相比在實際表面上觀察［圖8（a）］，通過表面復型技術顯示出來的表面磨損痕跡更清晰［圖8（b）］。

圖7 蒸汽管線鋼服役一段時間后出現晶界蠕變空洞
Fig.7 Creep voids at the grain boundaries in a steam pipe after service

圖8 某軋輥的表面磨損痕跡
Fig.8 Abrasion traces on the surface of a rolling rod

其次，光學金相技術（OM）在損傷分析是最有效的技術手段之一。首先，宏觀照相術通常用來在1～50倍下，記錄原始斷口的信息，往往通過相機照相或者體式顯微鏡來實現，需要注意的是，在對斷口進行下一步分析之前，應該記錄盡可能全面的宏觀特征信息，以備后續的綜合分析。另外，光學金相分析技術是損傷失效分析中最常用的一種實驗觀測技術，目前已經發展得非常成熟，有各種各樣配置的光學顯微鏡模式可供分析技術人員選擇，包括明場模式、暗場模式、偏振光模式以及和其他樣品制備技術結合起來，比如，與前面所述的復型技術或試樣表面形膜/染色技術（即所謂的彩色金相技術）相結合進行組織分析。它能提供有關金屬材料的基體組織、晶粒度、第二相等參數的定性或定量的觀測結果，也能提供關于各種材料缺陷的信息。圖9給出了經蠕變實驗后的Ti-6Al-4V 合金的偏振光金相組織［22］，該金相試樣表面進行了染色處理，圖中清晰地顯示出了晶界處的蠕變裂紋。雖然光學金相分析技術在損傷失效相關的組織分析中占有重要地位，是一種普遍采用、不可缺少的實驗觀測方法，但它也存在一些局限性。這些局限性，主要同金相顯微鏡的景深小、分辨率不太高等特點有關，有時需要借助電子顯微分析技術進行進一步判斷。此外，光學顯微鏡不能用于斷口觀察，因此在損傷分析中，應該盡可能地把光學金相分析技術同其他實驗觀測技術結合起來，使各種實驗方法相輔相成、揚長避短。

圖9 Ti-6Al-4V合金經蠕變試驗后的晶間裂紋
Fig.9 Grain boundary crack in a Ti-6Al-4V alloy after creep test

電子顯微技術也被廣泛應用于材料損傷和失效分析的表面形貌分析中，最常用的包括掃描電子顯微術（SEM）和透射電子顯微術（TEM）。在掃描電子顯微術出現以前，TEM 就已經被應用于斷口表面的分析，這方面需要與斷口的表面復型相結合，復型膜會由斷口表面的不同特征帶來厚度的變化，當TEM的電子束穿透復型膜時，會因復型膜厚度的差異顯示不同的襯度，從而對應顯示出斷口表面的不同特征。圖10是用TEM 觀察一種馬氏體時效鋼斷口的復型膜的結果，圖中可觀察到明顯的晶界析出物的形貌特征。然而，由于利用TEM 進行斷口形貌分析時，需要進行斷口復型，給分析工作帶來了諸多不便，相比之下，掃描電鏡的試樣制備簡單，有的試樣可以不經制作直接放入電鏡內觀察。因而，更接近物質的自然狀態，并能迅速地得到結果。而且，隨著SEM 分辨率水平的不斷提高，SEM 逐漸成為應用最廣泛的斷裂損傷分析手段，而TEM 只在要求極高分辨率時（優于1 nm）才使用，如在進行極細的疲勞條帶分析時。圖11為一種鎳基沉淀硬化合金沿晶斷裂后的斷口形貌，圖中對SEM形貌像與OM形貌像進行了對比。與光學金相技術相比，電子顯微分析技術景深大，放大倍數范圍寬，對粗糙的表面，例如凹凸不平的金屬斷口顯示得很清楚，立體感很強［26］。另外，電子顯微鏡可以和能量/波長色散譜儀（EDS/WDS）等聯用，進行化學成分分析，使得這種分析手段更加強大。

圖10 TEM觀察一種馬氏體時效鋼斷口形貌
Fig.10 Fracture morphology of a martensite aged steel observed by TEM

圖11 一種鎳基沉淀硬化合金的沿晶斷裂特征
Fig.11 Intergranular fracture of a nickel-based precipitate hardening alloy

定量分析技術用于對組織形貌參量的定量描述，被廣泛應用于材料質量控制、性能評價和服役評估，就材料損傷而言，常用的分析技術包括定量金相技術（定量顯微分析術）和斷口定量分析技術。

（1）利用定量金相技術可獲得晶粒、空洞、析出相等的尺寸、含量及數量，以及材料的梯度結構的厚度或深度，如脫碳層、滲層、熱處理硬化層、表面污染層和涂層等，基于如前所述的對材料微觀組織形貌的分析，針對需要分析的組織形貌參量進行定量分析，這方面，為了保證分析結果的可靠性，大量的分析方法已被標準化，比如，ASTM E112、ASTM E 930和GB/T 6394 等規定了金屬晶粒尺寸的測量方法，ISO 4967 和GB/T 10561 規定了鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法，SAE AMS 4928 規定了鈦合金表面污染層厚度的測量方法，另外，隨著計算機水平的不斷提高，圖像分析方法也已經被廣泛應用于微觀組織形貌的定量分析，這種方法利用不同的算法和圖像軟件處理方法，對所需分析的微觀組織形貌特征突出顯示出來，從而對其進行定量分析，如ASTM E 1245 和ASTM E 1122 等規定了利用圖像分析技術進行金屬中夾雜物和第二相含量的測定方法，ASTM E 1382 規定了金屬平均晶粒度的圖像分析測定方法。這里僅列舉了一小部分的標準測量方法，分析人員應根據具體分析的思路和要求，檢索和利用相關的標準方法進行相應的分析和測量，圖12和圖13分別給出了鈦合金表面α層和晶粒度分析的例子。

圖12 鈦合金表面富氧α層
Fig.12 The α case at the surface of a titanium alloy

圖13 一種奧氏體不銹鋼的晶粒組織特征，經圖像分析方法處理后（二值化），圖像轉化為二值圖，突出顯示晶界特征［22］
Fig.13 Grain structure of a austenite stainless steel（left），processed using image analysis method to obtain a binary image（right），are clearly revealed grain boundaries

（2）斷口定量分析技術用于定量表述斷口表面的特征信息，如面積、長度、尺寸、間距、取向和位置及其分布特征等，如疲勞條帶間距、韌窩面積和體積等。定量分析一般基于斷口表面的投影圖像（如SEM圖像等）、體式學方法和輪廓法。

最后，三維表征技術在很多情況下也被金屬材料損傷分析人員所采用，該技術用于顯示材料內部的三維組織特征，如形狀、分布及各種特征的相互關聯性等，如相組成、晶體（晶粒）取向、化學成分以及裂紋分布等，可以給出大量二維平面成像方法無法顯示的特征，為材料損傷和失效分析帶來更全面真實的信息。常用的手段包括：

（1）逐層切片方法，通過機械拋光或聚焦離子束（FIB），逐層去除材料并對應逐層成像顯示所分析的特征（利用OM 或SEM 等），然后將所有成像切片重構，形成三維圖像，顯示所分析對象的三維特征，這種方法會對分析樣品造成損傷［27-29］，圖14（a）～（c）為一種鎳基高溫合金中γ'析出相的三維重構圖像，從不同視角顯示了γ'析出相的分布、形貌和方向特征，其中，基體設置為透明，析出相為金屬色，圖像顯示出了大量的二維圖像不能顯示的材料內部的固有特征（圖14中的嵌入圖片）；

（2）X射線斷層成像法，利用X射線穿透樣品，逐層掃描成像后，重構形成三維圖像，顯示分析對象的特征，對分析樣品不會造成損傷，特別適用于材料損傷過程的分析，如圖15，利用同步輻射X 射線斷層成像技術，分析了一種SiC 纖維增強鈦基復合材料經受不同階段的疲勞加載（FS1-FS7）后的裂紋擴展特征，其中的突出顯示為裂紋，材料被透明化，小洞為裂紋繞過纖維擴展的區域［30］。

圖14 一種鎳基高溫合金中γ'析出相的三維重構特征
Fig.14 Reconstructed 3D morphology of the γ'precipitates in a nickel-based superalloy

圖15 一種SiC纖維增強鈦基復合材料在不同疲勞加載階段（FS1-FS7）的裂紋擴展特征
Fig.15 Growth of a crack in a SiC fiber reinforced titanium matrix composite under progressive cyclic loadings（FS1-FS7）

2 物理性能分析技術

金屬材料在制造和服役過程中，不同的外界能量必然會施加于它，這些能量會來自于外力場、電磁輻射或高能粒子等，材料與之交互作用并產生不同的響應特征，這些響應特征稱之為材料的物理性能，它們是進行材料損傷分析的必要基礎，因此，選用適用的分析技術手段對其進行分析在很多情況下顯得尤為重要［31］。

2.1 密度分析

金屬材料的密度取決于原子的質量、尺寸及其排列方式，當金屬被合金化后，由于元素的固溶和第二相的析出等，其密度會發生不同程度的變化，一般采用浸入法和X 射線法進行分析，浸入法是通過測量金屬材料的質量和其體積而得到其密度的方法，而X 射線法通過測量材料的晶格參數，結合晶格類型，計算出單胞的體積和單位體積內晶胞的個數，并結合原子質量計算出單位體積內晶胞的總質量，從而得出材料的密度。材料密度是工程設計選材時必須考慮的因素之一，如圖16為一種“材料性能圖表”［9］，用于工程設計選材時的參考之用。

圖16 材料設計強度與其密度的關系圖
Fig.16 Relationship between the nominal strength and density of materials

2.2 熱性能分析

通常是指對熱膨脹性能（熱膨脹系數、熱導率等）進行分析，該系數與構件尺寸穩定性及不同構件之間的尺寸匹配性相關，在材料或構件的設計、生產制造和服役過程中，必須充分考慮其帶來的影響。均可以利用專用儀器進行分析和測量。

2.3 擴散過程分析

擴散過程分析是理解金屬材料在高溫下的行為特征的必要條件，特別在材料制備、熱處理、表面改性、氧化和蠕變過程中［32］。均勻金屬材料的自擴散過程中，其擴散過程可采用放射性示蹤法進行分析，對于異質材料，一般可采用化學分析方法，在金屬材料中不同組成物質（組成相）的界面處元素的分布特征進行分析，結合菲克定律，可得出不同擴散過程的擴散系數［33-34］。圖17為一種SiC 纖維增強的鈦基復合材料中帶碳涂層的SiC/基體界面的元素擴散特征。

圖17 一種SiC纖維增強鈦基復合材料中帶碳涂層的SiC/基體界面處的元素擴散特征
Fig17 Atom diffusion at the SiC/matrix interface in a carbon coated SiC fiber reinforced titanium matrix composite

2.4 相轉變溫度分析

一般包括對金屬材料液相線溫度（熔點）、固相線溫度（初熔點）以及各種組成相的形成（析出/回溶）溫度的分析?；镜姆治龇椒òú顭岱治觯―TA）和差示掃描量熱法（DSC），都是通過測量材料在加熱或冷卻過程中能量變化與溫度的關系曲線圖，在材料內部發生相轉變時出現劇烈的能量變化（放熱或吸熱）而形成能量變化峰值，該峰值的位置即為相轉變溫度見圖18。

圖18 差熱分析（DTA）和差示掃描量熱法（DSC）分析示意圖
Fig.18 Schematic explanation of DTA curve and DSC curve

但是，這些方法受對能量變化探測靈敏度的限制，只有當能量變化足夠大時，在曲線圖上才會表現出明顯的能量變化峰，因此，有時候并不能準確捕捉到相轉變溫度，尤其對某些含量較低的析出相，往往會埋沒在曲線中。

為彌補這方面不足，可以采用等溫相變淬火金相法，準確測量各類相轉變溫度，即使是含量非常低的析出相也可被識別出來，這種方法通過將材料在保護氣氛中、恒定同溫度下保溫足夠長的時間后淬火，磨制金相樣品后觀察和識別其金相組織，根據組織變化，可準確鎖定某種相剛開始出現時的溫度作為該相的轉變溫度［35-36］，但與前面所述的兩種方法相比，這種方法需要大量的等溫淬火實驗和金相試樣制備與分析，比較耗時耗力。如圖19所示，一種鎳基高溫合金的相轉變溫度的分析，利用等溫相變淬火金相法獲得的不同等溫溫度時的金相組織，可準確得出各種組成相的轉變溫度［36］。應用這類分析技術，可將金屬材料或構件在高溫服役時發生的相轉變特征和實際服役溫度關聯起來，為材料或構件的超溫損傷或失效的分析、評判和預防提供可靠的依據。

圖19 一種鎳基高溫合金不同溫度等溫相變后的金相組織和相轉變溫度柱狀圖
Fig.19 metallographic morphology of a nickel based superalloy isothermally solidified at various temperatures（a-e），and a summary of phase transformation temperatures（bottom right）

3 化學成分分析技術

在材料的損傷分析中，常常需要對材料成分、外來物（如濺射附著物）、表面沉積物、腐蝕產物及氧化物等進行定性或定量分析，以便為最終的失效分析結論提供依據。金屬材料的化學成分分析技術包括常規分析技術、表面及微區分析技術［7，37］。

3.1 常規化學分析技術

化學分析技術方法主要用于分析失效零件名義或宏觀區域的材料成分，其主要方法有：

（1）濕法化學分析可準確分析含量較大的金屬、陰離子的有無及其濃度；

（2）半定量發射光譜和原子吸收光譜用于分析合金成分；

（3）燃燒法用于測定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量；

（4）點滴法可簡單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產物、土壤等；

（5）各類光譜儀或X 射線譜儀，如紅外、紫外光譜儀、光發射譜儀、原子吸收譜儀和分子熒光譜儀等，用于分析不同種類、不同含量元素的化學成分，可根據分析對象的具體特點和分析要求，選擇合適的分析手段。

3.2 表面或微區化學分析技術

在失效分析中，相對于名義或宏觀區域的成分分析而言，失效零件的材料表面/界面成分、狀態及失效源區的微區成分和狀態分析更為重要，尤其是對表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有電子探針顯微分析儀（EPMA）、X 射線能譜儀（EDS）、X 射線波譜儀（WDS）、俄歇電子譜儀（AES）、電子能量損失譜儀（EELS）、X 射線光電子譜儀（XPS）、場離子顯微鏡

俄歇電子譜儀，也稱之為掃描俄歇顯微分析儀 （FIM）、原子探針顯微分析儀（AP）、低能離子散射譜儀（LEISS）以及二次離子質譜儀（SIMS）等。其中，配備X射線能譜儀、X射線波譜儀或電子能量損失譜儀（EELS）等，須配備在電子探針、掃描電鏡或透射電鏡上，以滿足微區元素成分、狀態分析的需要，下面就最常用的分析技術進行討論，其他技術在必要時可參考相關文獻（如文獻［1，9，38-39］等）。

電子探針顯微分析儀：它靠光學成像進行定位，廣泛應用于平坦表面微區1 μm 區域的成分定性或定量分析。利用電子探針可給出所分析元素的線分布、面分布和定點區域的元素含量，元素分析的檢出限可低至0.1%（w）左右。電子探針對表面無損傷作用，但缺點是對所分析的表面平整度有一定要求，無法分析粗糙的斷面。常配備X 射線波譜儀（WDS）和X 射線能譜儀（EDS）進行元素分析，首先，X 射線波譜儀：X 射線的波長決定于被激發物質的原子序數，該儀器是利用探測X 射線的特征波長來進行的成分分析。波長色譜儀可分析到鈹。一般來說，波譜儀的元素特征波長分辨率較高，這是它的突出優點。但是為了達到譜儀的精確聚焦，要求樣品上X 射線的發射源（分析點）的幾何位置嚴格的處于聚焦圓上；同時波譜儀難以在低速流和低激發強度的情況下使用，這是波譜儀的兩個缺陷。其次，X 射線能譜儀：X射線能譜儀的最大優點是不損傷表面以及可同時適用于粗糙的斷口表面和磨片表面的元素分析，因而是目前失效分析中最常用的微區成分分析儀器。X 射線能譜儀是測量特征X 射線能量來確定樣品中元素的方法。這兩種譜儀也可配置在掃描電鏡或透射電鏡上，將微觀組織結構分析與化學元素分析有效集成起來。圖20給出了采用電子探針WDS對一種鑄造高溫合金中元素偏析的微區成分面分布分析，可以直觀地看到，W、Re 等重元素傾向于分布于枝晶干上，而Al和Ni更多地分布于枝晶間。（SAM），可分析2～3 nm以內厚度的極薄表層上除氫、氦以外的所有元素，比如在進行表面氧化等表面現象分析時可發揮重要的作用。俄歇電子譜儀分析的直徑大于100 nm?？蛇M行表面薄膜、涂層或污染分析、深度方向成分分布、斷裂晶界或其他界面上的元素成分分析（如鋼的回火脆性現象的分析）等，圖21（a）為一種530 ℃回火空冷后的熱作模具鋼U 型缺口沖擊后的斷裂特征，斷裂以沿晶脆性斷裂為主，沿晶斷裂晶界處的俄歇電子能譜分析結果見圖21（b），發現沿晶界存在明顯的雜質P元素的偏聚［該材料中的P 元素含量為0.031%（w）］，說明該沿晶脆性斷裂與晶界P元素的偏聚直接相關［40］。

圖20 利用EPMA/WDS對一種鑄造鎳基高溫合金中元素分布進行分析的面分布圖
Fig.20 Element mapping of a cast nickel-based superalloy using EPMA/WDS

圖21 一種熱作模具鋼的脆性沿晶沖擊斷口特征及沿晶斷裂晶面處的俄歇電子能譜分析結果
Fig.21 Intergranular fracture morphology of a brittle hot work die steel under impact and measurements at the intergranular surface using AES

X 射線光電子譜儀（XPS）：可進行除氫以外的表面元素分析、化學狀態分析以及表層元素的深度分布特征的分析；不足之處在于較其他表面分析技術的數據采集時間長，一般情況下，定性分析需要5～10 min時間，定量分析根據須采集的信息需要1到好幾個小時之久；另外，其平面分辨率和定量分析的準確度都不高。對一種TA15 鈦合金進行了海洋平臺戶外大氣暴露實驗，并進行了斷裂韌度的對比分析，發現大氣暴露后的材料的斷裂韌度較原始材料大幅度下降，材料的脆性斷裂特征明顯加劇，經X 射線光電子譜儀刻蝕分析表明，大氣暴露試樣表面的雜質原子氧含量較原始試樣明顯富集并向試樣內部擴散（圖22），引起了一種近表面效應，導致材料表面變脆，斷裂韌度下降［41］。圖23為一個利用X 射線光電子譜儀進行表面元素化學存在狀態分析的例子，一種偏共晶Ni-Pb合金與鋼珠進行磨損實驗，磨損后利用X 射線光電子譜儀對Ni-Pb 合金表面進行元素狀態分析，見圖23（a）和（b），從Ni 和Pb 的結合能可以推斷出，磨損表面［圖23（c）］的Ni 和Pb 分別以Ni2O3和PbO 的形式存在，表明合金在接觸壓力和表面高溫的共同作用下發生表面氧化形成了氧化膜，對摩擦過程具有潤滑作用，改善了接觸磨損抗力［42］。

二次離子質譜儀：可進行包括H 元素在內的所有元素的分析，表面成分分析的深度分辨率可達5～10 nm；可進行微量元素含量分析，分析范圍為幾個10-9到幾個10-6；可進行元素沿深度方向或空間分布的特征的分析。但是，其分析過程是破壞性的，而且，其定性或定量分析結果會因元素或材料的不同而波動較大，分析的質量嚴格依賴于儀器設計的水平和分析操作的參數，分析時間一般在一到數小時范圍內。一種不銹鋼經不同能量激光表面處理后的表面H 元素的含量沿深度方向的分布特征見圖24，其中，采用 133Cs +主離子束提高了對H 元素的二次離子的探測靈敏度［39］。

圖22 一種TA15鈦合金進行了海洋平臺戶外大氣暴露實驗后，X射線光電子能譜儀刻蝕檢測結果（蝕刻速度3～5 nm/min）
Fig.22 Etching measurements using XPS on a TA15 alloy exposed to oceanic atmosphere with an etching rate of 3 to 5 nm/min

圖23 一種Ni-Pb偏共晶合金與鋼珠磨損后的表面化學元素（XPS）和形貌分析
Fig.23 Chemical element analysis using XPS and morphology by SEM for an off-eutectic Ni-Pb alloy worn by steel balls，during which
the contact force was 20 N and the sliding rate was 0.04 m/s

圖24 二次離子質譜儀分析一種不銹鋼經激光表面處理后的表面H元素沿深度方向的分布特征
Fig.24 Distribution of atom H along depth of a stainless steel after laser surface treatment measured using SIMS

4 殘余應力分析技術

殘余應力是固體內部自身存在的一類自平衡應力，它一般來源于材料或構件的制備過程、連接工藝、組裝過程、熱處理/表面處理或服役過程，會直接影響疲勞抗力和應力腐蝕抗力，也經常會在機械加工或熱處理過程中引起扭曲，因此，如果未對其進行有效的分析和控制，在構件的加工、制備、熱處理和服役過程中，會引起構件的意外失效；另一方面，在對殘余應力準確認知的前提下，可以在構件中有意引入殘余應力，從而延長構件的服役壽命。因此，對殘余應力進行分析是材料損傷和構件失效分析中須考慮的［43-47］。

有很多分析技術可用于殘余應力狀態的表征，一般而言，分為兩類分析技術。第一類是基于應力釋放測量內部殘余應力的技術，很明顯，該類技術是有損的技術，須對材料或構件進行破壞，常用的最具代表性的是輪廓法和鉆孔法，其中，輪廓法是利用線切割方法（EDM）剖切待測樣件將殘余應力釋放出來，通過剖切面的平整度變化解析出該處的殘余應力場和應力水平，其優點是測量裝置簡單，可得到剖切面法向的殘余應力場，最重要的是，可以通過一次切割，得到二維應力面分布圖，值得注意的是，在樣品切割時要保證樣件不發生移動，如圖25所示，一種12.5 mm 厚的鐵素體鋼板的縱向焊接殘余應力的分布特征［48］。鉆孔法用于測量近表面的殘余應力，在待測區域連接引申計并鉆小孔，開孔后導致孔附近的應力釋放，被釋放的應變量可用引申計記錄下來，從而解析出此處的原始的平面殘余應力狀態，ASTM E837 標準方法規定了該項技術的使用過程，該方法簡單、操作成本低、對樣品造成的損傷很小，不足之處主要有，打孔時孔壁會發生塑性變形，造成測量結果的偏離；只能得到近表面的殘余應力（深度接近于孔徑），通常為1 mm 左右；只能進行逐點測量，進行多點測量時，各點（孔）不能離得太近，間隔通常為5 mm。

圖25 輪廓法測量一種12.5 mm厚鐵素體鋼板的縱向焊接殘余應力
Fig.25 Longitudinal residual stress in a 12.5 mm thick ferrite steel plate weld measured by contour method

第二類殘余應力分析技術為衍射技術，屬于無損分析技術，通常包括常規X 射線衍射技術（實驗室級）、高能同步輻射X 射線衍射技術和中子衍射技術［44，48-49］。

常規X 射線衍射技術使用sin2ψ 方法進行殘余應力測量，由于X 射線在樣品中的穿透能力很弱，通常為20～30 μm，因此該方法假設待測表面法向的殘余應力為0，可進行無標樣的表面殘余應力和應力場的測量，結合剝層技術，可進行近表面的殘余應力分析，而且可利用便攜式衍射儀進行現場的殘余應力測量，但該技術對樣品的表面狀態非常敏感，相關的技術標準可參考ASTM E1426、ASTM E915 和HB 20116等。圖26中，可看到一種TC4合金經快速切削后表面的β 晶粒變形特征［圖26（a）］，晶粒沿著切削方向被拉拽扭曲，厚度為幾個微米；利用X 射線衍射法對不同切削速度引入的表面殘余應力狀態進行了分析，結果見圖26（b），發現低切削速度會引入壓應力，而當不斷提高切削速度時，殘余應力會逐漸變為拉應力［50］。同步輻射X 射線衍射技術和中子衍射技術均通過對比測量樣品的晶面間距和無應力參考樣品的晶面間距，得出樣品內部的殘余應變值和殘余應力狀態，須在專門的大科學分析裝置上進行分析。同步輻射X 射線衍射技術可進行二維應力場分布的快速測量，分辨率優于1 mm，但由于其使用較低的衍射角，一般適用于薄板類樣品的測量，另外三軸應力的測量也比較困難，圖27中，對一個12 mm 厚的疲勞裂紋Al-Li 合金試樣施加拉伸載荷，獲得6.6 MPa·m1/2的名義應力強度的條件下［見圖27（a）中的白色嵌入圖片，圖中的標記為測量位置，裂紋尖端位于零位置］，利用同步輻射X 射線衍射技術分析裂紋尖端處沿裂紋張開方向的彈性應變/應力場［49］；相比之下，中子衍射技術可進行三維應力場的測量，探測深度可達數厘米至數十厘米，檢測方法已有相關的技術標準供參考和使用（如ISO/TS 21432和GB/T 26140），但測量成本非常昂貴，檢測裝置也不易獲取。

圖26 一種TC4合金經快速切削后表面的變形晶粒特征和常規X射線衍射技術測得的殘余應力狀態
Fig.26 Deformed grain morphology of a TC4 alloy and the residual stress state measured by conventional X ray diffraction

圖27 利用同步輻射X射線衍射技術分析裂紋尖端處沿裂紋張開方向的彈性應變場和應力場
Fig.27 Elastic strain and stress along crack opening direction at crack tip measured using synchrotron X ray diffraction

5 原位分析技術

原位分析技術是指分析對象在被施以合適的外部載荷或環境條件（如溫度和氣氛等）下，對其損傷過程進行實時測量、監測和分析的一項技術，一般是在前面所提及的分析裝置上，設計和集成適當的加載或環境發生裝置后，設計合適的實驗方案后對材料的損傷過程進行實時原位的觀測和分析，因此，本質上講，原位分析技術所采用的基本分析測量技術和手段即是前面所討論的內容所覆蓋的，但是所不同的是，可利用這些技術手段對材料的損傷全過程進行動態實時檢測和分析，得到在非原位條件下進行的損傷、斷裂和失效分析所無法獲取的重要信息，因此，將其單獨提出來進行討論，主要討論三種常用的原位損傷分析技術。

首先，基于掃描電子顯微鏡的原位分析技術，通?？稍趻呙桦婄R設備上配備不同的載荷臺（如拉伸、疲勞等），分析材料的機械損傷過程；或者，可配備高溫/低溫臺，分析材料的高溫/低溫損傷/相變特征等，分析過程中可結合掃描電鏡的附屬設備如能譜儀和EBSD 等的分析，針對各類損傷過程獲取更多相關的信息［11，18，51-52］。例如，在配備有原位拉伸載荷臺的掃描電子顯微鏡中，對一種定向凝固Ni3Al 基高溫合金進行了動態拉伸過程的原位觀測，如圖28所示［52］。

圖28 針對一種定向凝固Ni3Al基高溫合金，進行基于掃描電子顯微鏡的原位拉伸損傷過程觀察
Fig.28 In situ observation of the tensile damage in a directionally solidified Ni3Al superalloy using SEM-based technique

所使用的樣品的幾何尺寸見圖28中左上角圖，為了便于觀察，在試樣中部切出一個V 型缺口；其它圖像是在原位拉伸過程中，在不同的原位載荷條件下的掃面電子顯微鏡觀察的顯微組織特征?？梢钥闯?，拉伸初期，在缺口處出現了滑移帶（1 362 N時）并逐漸出現交叉滑移（1 892 N 時），1 912 N 時出現裂紋，其后應力迅速松弛，裂紋向前擴展，裂紋周圍出現多條互相交織的滑移帶并出現碳化物顆粒開裂和碳化物/基體界面開裂（1 645 N 時），隨后裂紋穿過開裂的碳化物顆粒（A處）繼續向前擴展，而并未沿碳化物/基體界面的微裂紋向前擴展（1 574 N時）。

其次，基于X 射線衍射/斷層成像的原位分析技術，在X射線衍射/成像設備上配備不同的載荷臺（如拉伸、壓縮或疲勞等），分析材料的機械損傷過程；或者，可配備高溫/低溫臺，分析材料的高溫/低溫損傷/相變特征等，以及相關的應力應變分布和演化特征，并有效利用其三維表征功能，獲取更加全面的信息［53-56］。例如，在基于同步輻射X射線裝置的高溫疲勞原位加載臺上，對一種鑄造Al 合金進行250 ℃條件下的疲勞損傷機理分析，其疲勞最大載荷為屈服應力的1.4 倍，應力比為0.1，見圖29，所給出的三維形貌顯示了原始合金的組織形貌（左圖）和20次疲勞周次時的組織形貌（右圖），細小黃色粒子為合金中的二次相粒子，紫色、綠色和橙色區域為原始合金中的鑄造缺陷，水平箭頭所指為起源于橙色空洞的裂紋，垂直箭頭所指為二次相附近的小裂紋，分析得出了合金中的二次相粒子、鑄造缺陷以及小裂紋的萌生特征［56］。

圖29 基于同步輻射X射線技術對一種鑄造鋁合金進行高溫（250 ℃）原位疲勞損傷機理研究的三維形貌分析
Fig.29 An in situ observation of the damage in a cast aluminum alloy using a synchrotron X ray diffraction-based technique at the temperature of 250 ℃

最后，數字圖像關聯分析技術（DIC），該技術可基于普通照相技術、光學金相技術、掃描電子顯微分析技術或透射電子顯微分析技術獲得的圖像，參照在載荷作用下材料固有的或人工引入的表面特征的變化，利用專業軟件進行圖像數字化和關聯計算后，可進行從納米尺度到宏觀尺度的位移測量和應變特征分析，是進行損傷行為研究的強有力手段［57-62］。如圖30所示，針對一種不銹鋼，基于數字相機圖像［圖30（a）］中奧氏體基體上拉長的鐵素體相，分析了樣品在疲勞載荷作用下的表面位移和應變場面分布圖［圖30（b 和（c）］，圖中的亮點對應疲勞微裂紋，裂紋寬度為1 μm 左右，有效顯示了加載過程中的位移場特征、應變場分布和裂紋擴展特征［2］。

圖30 利用DIC技術原位分析一種不銹鋼在疲勞載荷作用下的應變場
Fig.30 An in situ measurement of the strain field of a stainless steel under fatigue loadings using DIC method

6 結語

綜述了金屬材料損傷分析中常用的物理冶金分析技術，不同的技術各有其特點和不足，能夠給分析人員提供不同種類和不同層面的信息，在分析工作中起到不同的作用和解釋不同方面的問題，因此，在實際的分析工作中，應根據分析的具體要求、技術手段的實用性和可用性以及分析人員的合理綜合判斷，有針對性地選取實用的分析技術，并將它們有效地結合起來，篩選合適的分析技術手段和裝備，為分析工作獲取有價值的綜合信息。

隨著物理冶金分析相關的硬件水平和技術水平的不斷提高，無論在組織結構分析方面、殘余應力分析方面，還是在化學成分分析方面，其分析技術的分辨能力（包括空間分辨率、探測極限等）都在顯著提升，但同時也對分析過程提出了更加苛刻的要求，在這種背景下，如何將這些分析技術有效應用于金屬材料的損傷分析中，并建立成熟穩定的分析技術，從而準確表征和探究其損傷行為特征和損傷機理等，是目前重要的研究方向之一；另外，在原位分析方面，近些年快速探測技術和原位環境的構建技術正在不斷進步，如何應用這些技術，對材料在不同使用或服役的模擬環境下的損傷過程進行更加實時精準的原位監測，從而更加真實地反映材料的實際損傷行為特征，也正發展成為一個重要的研究領域；最后，如何將各類分析技術有機結合起來，并互為補充，針對金屬材料的損傷行為，從原子尺度到宏觀尺度，實現多時空條件下的跨尺度研究，也是目前的研究焦點之一。