透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）凭借其亚埃级（Å）的高空间分辨率和对电子信号的多样化分析能力，成为金属材料研究中揭示微观结构与宏观性能关联的核心工具。金属材料的强度、塑性、耐腐蚀性等宏观性能，本质上是由其微观结构（如晶粒、相、缺陷等）决定的。
晶粒与晶界表征
晶粒尺寸及形态分析：通过明场像（BF）或暗场（DF）可直接观察金属的晶粒形貌（如等轴晶、柱状晶、纤维晶），并通过图像分析精确测量晶粒尺寸（如平均晶粒直径、晶粒尺寸分布），为调控金属性能提供依据。
图1 Ni合金经过不同热处理方式后的B2纳米析出相的形貌观察及平均尺寸统计图（DOI：10.1016/j.jmst.2025.06.039）
晶界结构解析：TEM 可区分晶界类型（如小角度晶界、大角度晶界、孪晶界），并通过高分辨 TEM（HRTEM）观察晶界处的原子排列。
图2 多元合金高密度的纳米孪晶及位错的观察（BF+SAED）（DOI：10.1016/j.jmrt.2023.08.003）
多相金属的相识别及分布分析
许多金属材料（如合金钢、钛合金、复合材料）为多相体系，TEM可结合选区电子衍射实现“形貌观察+物相鉴定”的同步观察：
相形貌与分布：例如在淬火回火钢中，TEM可清晰观察到基体（马氏体/贝氏体）上析出的细小碳化物（如Fe₃C、NbC）的形态（片状、颗粒状）、尺寸及空间分布。
图3 Ti-Cu合金的的析出相形貌及相应的EDS结果
（DOI：10.1016/j.matchar.2022.112217）
物相精准鉴定：通过选区电子衍射（SAED），根据衍射斑点的排列规律（对应晶体的点阵类型、晶面间距），确定析出相的物相种类。
图4 挤压镁合金的相形貌观察（BF）及物相鉴定（SAED）。A区为18R LPSO相；B区为具有HCP结构的14H LPSO相；C区为四方结构的Mg2Cu相（DOI：10.1016/j.jre.2022.01.011）
金属材料中的晶体缺陷分析
晶体缺陷（位错、空位、堆垛层错、位错环等）是金属塑性变形、强化、疲劳失效的核心原因，TEM是直接观察原子级缺陷的唯一常规手段。
位错结构观察：通过明场像可以直接观察位错的形态、密度及分布。TEM还可以观察到堆垛层错的存在（明暗交替的条纹），其会阻碍位错运动，反映金属材料性能。
图5 挤压稀土镁合金在不同g矢量下的明场像与暗场像。观察到大量的与位错
（DOI：10.12442/j.issn.1002-185X.20240205）
总结
TEM 在金属材料中的应用，本质是“将宏观性能归因于微观结构”——从原子级的缺陷、相结构，再到微米级的晶粒、界面，为金属材料的 “结构调控-性能优化”提供了微观视角，是金属材料发展的核心表征技术。
本文源自微信公众号：中材新材料
原文标题：《从晶粒到缺陷，TEM——解锁金属材料宏观性能的微观密码》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/dwwRvR5xi279Q2dEIEusGw
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