总结：本文以透射电子显微镜TEM为分析工具，通过两个金属工程实践案例，详细介绍了TEM如何解决实际应用中的材料问题：案例1 针对铜镍锌合金（CuNi10Zn36Mn）热轧边缘开裂现象，通过观察不同温度下合金的位错结构、沉淀相变化，明确500-550℃时四方金属间θ相（Mn-Ni）析出阻碍晶界迁移导致延展性下降是开裂主因，并提出晶粒细化与热轧工艺优化方案；案例2 围绕沉淀硬化合金，分析凝固冷却速度、热机械处理对强化相分布的影响，揭示无沉淀区（PFZ）、粗大析出相对性能的危害，以及冷加工促进均匀析出的作用。
读者可学习到利用TEM观察金属微观结构（位错、沉淀相）分析工程问题的方法，了解温度、加工工艺对金属相变与性能的影响机制，为金属材料加工工艺优化、故障排查及性能提升提供实用的微观表征思路与技术参考。
透射电子显微镜(TEM)作为一种强大的研究方法已应用了70多年。如今，TEM也被认为是一种有用的技术，可用于研究工程实践中出现的问题，特别是开发新材料、实施新的材料加工方法以及识别加工或使用过程中出现的故障，例如：
1. 因温度、加热和冷却速度以及热处理持续时间的影响，在金属和合金中发生的相变和结构变化。
2. 合金老化过程中发生的结构变化：沉淀动力学以及强化相的类型、形状、尺寸、体积分数和分布；
3.位错结构的形成和变化后决定的变形行为和过程（取决于变形条件）。
4. 合金在应用应力、温度或环境影响下的微观结构变化。
案例1 铜镍锌合金（CuNi10Zn36Mn）在100°C至900°C范围内的边缘开裂现象
在热轧加工CuNi10Zn36Mn合金1的过程中发现了边缘开裂现象。为了找出产生边缘开裂的原因，并提出解决问题的方案，研究人员在高温条件下进行了金相、扫描电子显微镜（SEM）和 TEM 观察以及机械性能测试。研究发现，在100°C至900°C的温度范围内，合金变形行为的一个特征是在500°C至550°C时延展性急剧下降，该温度范围内的断裂具有脆性和韧性的混合特征。对位错结构和沉淀过程以及它们在100°C至900°C温度范围内的相关变化进行的TEM研究有助于澄清延展性降低的原因。
备注1：别名也叫镍银，是一种仿银合金，实际不含银，而是镍与铜、锌的合金，多用做货币，少数也用作首饰。
图1 100°C时的位错分布是低SFE金属的典型特征。被SF带分开的部分位错在铜的紧密堆积晶面上呈箭头状滑行。
堆垛层错能 (SFE) 是一种非常小尺度的材料特性。这表示为 γSFE，单位为单位面积能量。堆垛层错是密排晶体结构中原子平面正常堆垛顺序的破坏。这些中断带有特定的堆垛层错能量。堆垛层错宽度一方面是两个部分位错之间的排斥力，另一方面是堆垛层错的表面张力引起的吸引力之间平衡的结果。因此，平衡宽度部分地由堆垛层错能决定。
当SFE较高时，从能量上来说，完全位错解离为两个部分位错是不利的，并且材料可能会因位错滑移或交叉滑移而变形。SFE较低的材料显示出较宽的堆垛层错，使得横向滑移更加困难。SFE 改变了晶体中位错在相交滑移面上滑动的能力。低SFE会降低材料中位错的迁移率。
图2 位错的平面分布一直保持到500°C。在这一温度范围内，热辅助相互作用和位错重组导致在紧密堆积的滑移面上形成变形带。
图3 500℃的塑性变形伴随着加速的相析出。大量四方金属间θ相（Mn-Ni）颗粒析出，并在高角度晶粒边界以及相干和非相干孪晶边界上形成链状（复型样品所示）。沉淀物阻碍了晶界的迁移，从而降低了合金在此温度下的延展性。
图4 在 600℃至 700℃ 的温度下，合金的SFE增加，位错作为单位移动。由于热活化促进了位错的交叉滑动和相互作用，从而形成了亚边界和较低的位错密度。在这一温度范围内，扩散作用的增强使得边界和子边界具有较高的流动性，从而能够从沉淀物中分离出来。因此，合金的延展性得以恢复。
图5 800℃时，非常活跃的扩散过程伴随着变形。这种结构具有动态再结晶的特征：位错密度极低的晶粒被高角度的晶界分开。一些晶粒中存在孤立的θ粒子，但由于它们与晶界不相连，因此无法阻碍晶界的迁移。
结论：事实证明，延展性下降并导致边缘开裂的原因是：轧制结束时温度降到了延展性较低的温度范围。通过结合晶粒细化（改性处理）和优化热轧–温度–变形程序，消除了沉淀引起的晶界脆化的不利影响，并提高了合金的热加工性能。
案例2 强化相在沉淀硬化合金中的分布
热处理沉淀硬化合金的性能在很大程度上取决于强化相的分布。工业界之所以热衷于开发能在工程合金中产生均匀、细小分散沉淀的时效和热机械处理技术，是因为不仅要提高机械性能，还要改善耐腐蚀性、韧性和抗疲劳性等。
凝固条件对可热处理铸造合金的微观结构和性能非常重要。它们决定了主要金属间相的类型和形态，从而影响到适当加工参数（固溶处理和时效温度及时间）的选择，而时效反应和强化相的类型、分布和体积分数则取决于这些参数。
最佳热处理方案应与适当的变形条件相结合，为特定应用提供锻造产品的最佳微观结构和性能。例如，含有高密度均匀分布的相干或半相干细小析出物的结构可为时效合金提供高强度，而晶界上没有大析出物则可确保良好的抗晶间腐蚀能力、高延展性和断裂韧性。
为特定合金选择适当的热机械处理是获得更精细均匀分布的中间析出物的另一种有效方法，因为位错密度的增加为这些颗粒的异质成核提供了更多的位置。
对沉淀硬化合金结构的 TEM 研究，有助于开发并在实践中引入新的最佳时效和热机械处理机制，因为这些研究可以评估不同加工参数对微观结构的影响。
图1 时效处理经常无法产生理想的均匀强化相分布。例如，铝合金会出现无沉淀区 (PFZ)–在晶界附近未发生沉淀的区域。
合金Al-6%Cu-0.2%Ti-0.2%Zr，空冷铸造，然后在540°C下进行5小时固溶处理，并在160°C下进行 12 小时时效处理。
图 2 铸造铝合金的空气冷却会导致晶界析出粗大的金属间相，晶粒内部凝固出粗大的含铁针状化合物。粗大的针状相对所有铸造铝合金的机械性能尤为有害，因为它们是应力集中体，会导致二次强化析出物分布不均匀。时效后强化相的不均匀分布通常是由于不适当的淬火制度造成的不均匀饱和。
合金Al-6%Cu-0.2%Ti-0.2%Zr，空冷铸模，然后在540°C下进行5小时固溶处理，并在160°C下进行12小时时效处理。
图 3 初级金属间相的数量和分布可通过控制铸造方式的冷却速度来控制。从略低于凝固温度的温度开始快速冷却，可使初级析出物细化、饱和度更高，并使固溶体中保留的合金元素分布更均匀。
合金Al-6%Cu-0,2%Ti-0,2%Zr从540°C开始压铸并快速冷却，然后在540°C下进行5小时固溶处理，在160°C下进行12小时时效处理。
与相同合金的气冷铸造相比(图2)，晶界和晶粒内部二次析出物的均匀分布和相似大小确保了更好的机械性能。
图 4 这种典型的锻造铝合金的高机械强度是由棒状 β′相（Mg2Si）的分散沉淀和晶粒内部的带状沉淀提供的。原生晶间 Mg2Si 沉淀的尺寸相对较小，但在晶界周围可以看到宽约2µm的PFZ。析出区遍布整个晶粒，包括贫化的PFZ区域，这表明析出区主要由铜和铬原子组成。
合金6061（Al-1%Mg-0.6%Si-0.2%Cr-0.27%Cu），压铸后在510°C下进行2小时固溶处理，然后在 160°C下进行 12 小时时效处理。
图5 淬火合金的冷加工为中间相的后续均匀成核提供了大量位置。这种效应可用于热机械处理，即在时效前施加一定程度的受控变形，以改善合金的性能，加速时效过程，并最大限度地降低合金中 PFZ 可能产生的破坏作用。
合金 6061（Al-1%Mg-0.6%Si-0.2%Cr-0.27%Cu）冷锻后在 160°C 下时效 12 小时。
变形结构中 Mg2Si 的异质析出更加均匀，没有 PFZ。变形区尺寸的减小、棒状 Mg2Si 颗粒形状向圆形的转变以及时效结构中一些位错的存在都有助于改善热机械处理合金的性能。
图6在晶界上优先析出的相会大大降低合金的机械性能，并会促进晶间腐蚀。在 500 至 900°C 的 “敏化 “温度范围内，高铬奥氏体不锈钢会在晶界上析出富铬相（碳化物、氮化物、金属间化合物），这是一个严重的问题。
奥氏体氮钢 Fe-18Cr-14Mn-0,6N，从 1150°C 淬火，然后在 700°C 回火30分钟。
高氮奥氏体钢最危险的温度范围是550°C至850°C，此时，在氮过饱和的情况下，奥氏体以不连续的机制发生分解。这一过程始于晶界上Cr2N 颗粒的析出。
图7 时效前塑性变形引入的大量晶体结构缺陷是第二相成核的中心，可将析出机制从局部晶界析出转变为均匀连续析出。在有色金属合金（例如铜铍合金）中，也可以观察到时效前的剧烈冷塑性变形抑制了蜂窝状沉淀析出。
奥氏体氮钢 Fe-18Cr-14Mn-0,6N，从 1150°C 淬火，冷加工减薄 75%，然后在700°C 回火 10 分钟。剧烈的冷加工促使晶粒内部析出均匀分布的球状氮化物。大量的颗粒提供了大量的再结晶中心，从而阻止了晶粒的长大。超细晶粒和均匀分布的氮化物的最终结构为材料提供了优异的机械性能和良好的耐腐蚀性。
本文源自微信公众号：老千和他的朋友们
原文标题：《第1期 | 透射电子显微镜如何解决工程实践中的问题？——金属应用案例图解》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/KDjwT49P8m1koeikVHRzfg
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