力学显微镜

高铬铸铁

高铬铸铁，又称白口铸铁，因其卓越的耐磨性和耐腐蚀性，在采矿、磨矿、土方工程及制造业等领域得到广泛应用。这些优异性能源于其材料中球墨铸铁基体与高含量硬质碳化物相的混合结构。

在此例中，力学显微镜被用于研究不同热处理对硬质相微观结构演变的影响。牛津仪器纳米压痕系统的本征位移控制即使在相硬度相差 5 倍的情况下也能提供均匀的表征结果！

核材料

核材料面临着独特的严苛环境。锆包壳中氢化物沉淀引起的脆化是影响乏核燃料棒完整性的重要风险因素。 力学显微镜技术可实现对氢化物形成引起的局部力学性能变化的高分辨率表征。

本案例中，研究人员与保罗・谢勒研究所（Paul Scherrer Institut）合作，对Zircaloy-2中的氢化物展开研究。高分辨率中子射线照相术和机械显微镜被用于识别和定量测定包壳壁沿线氢/氢化物的局部浓度。更多详情请见《核材料杂志》584期（2023年）154574页。

多相微观结构

从微观结构中提取各相的特性是确定其行为的关键步骤。当压痕数量较少时，确保这些结果真正代表相的行为具有挑战性。力学显微镜通过分析包含数千个数据点的谱图，能够统计确定相级特性。

在此示例中，通过力学显微镜对一种由铝与铜合金化形成的两相共晶合金及其Al₂Cu金属间相进行了表征。尽管该材料具有细小的微观结构，但两种相的性质在二维直方图中清晰可辨。  

严重变形的微观结构

严重变形的材料可能具有较高的内部塑性应变。这会提高其强度，但同时也使其难以通过电子背散射衍射（EBSD）等技术进行表征。力学显微镜为表征此类材料提供了高分辨率的解决方案。

在此示例中，力学显微镜揭示了冷轧316L不锈钢晶粒内沿优选滑移面局部位错密度增加。这种变形导致局部无序度增加，除了引起硬化外，还导致显著的局部模量变化。这为应变硬化行为提供了宝贵信息。

增材制造

增材制造技术正通过实现复杂3D零件几何结构的轻松制备及新型微观结构的形成，彻底变革现代制造业。力学显微镜技术揭示了这些新工艺对微观结构局部力学行为的影响，从而实现加工参数的优化。

在此示例中，通过激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，简称 L-PBF）工艺制备的316L钢样品在截面下观察。这揭示了在构建方向上由相邻熔池形成的柱状鱼鳞状微观结构，以及熔池边界处的缺陷，如气孔和硬化区。

涂层与表面处理特性分析

纳米压痕是分析涂层和表面处理的关键技术，利用自上而下的压痕对薄膜进行分析，对较厚的涂层进行横截面压痕分析。力学显微镜将简单的线图转换为涂层厚度力学性能变化的高分辨率谱图。

在此示例中，力学显微镜揭示了5052铝合金表面硬阳极氧化涂层的局部特性。力学性能分布图显示了涂层的孔隙率、裂纹、铝界面处更致密的粘结层，以及向涂层表面方向硬度和模量梯度变化。

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高分辨率测绘

力学显微镜技术可应用于广泛的尺度范围，包括极小的深度，从而实现对微观结构的高分辨率表征。这使得即使是亚微米级别的微观结构特征也能被准确表征。

在此示例中，以 250 nm 的横向分辨率检查了中碳钢的珠光体微观结构。这种卓越的分辨率可实现珠光体颗粒内单个碳化物片状物的可视化。这些片状物间距非常狭窄，会衍射光，从而赋予相以“珠光”之名。借助牛津仪器纳米压痕系统行业领先的灵敏度，甚至这些特征也能得到分辨。

冷喷涂材料

冷喷涂形成的材料由于单个喷粒在堆积形成涂层过程中经历的严重塑性变形，内部存在较高的塑性应变。这提高了材料的强度，但使其难以通过电子背散射衍射（EBSD）等技术进行表征。力学显微镜为表征此类材料提供了高分辨率的解决方案。

在此示例中，力学显微镜揭示了冷喷涂316L不锈钢样品中的喷滴间界限、局部孔隙率及缺陷。这些信息对于优化加工参数具有重要价值。

层压材料

累积轧制（ARB）是一种在批量生产金属纳米层压材料方面极具吸引力的方法。通过反复轧制、切割、堆叠和再次轧制，ARB工艺可制备出具有纳米级层压层的大型片材。这类材料可展现出惊人的高强度和可定制的性能。

在此应用实例中，由FAU埃尔朗根的M. Ghanem和B. Merle教授在M. Goeken教授研究组中制备的铁-青铜层状材料，通过力学显微镜进行了研究。

大面积测绘

力学显微镜技术可应用于广泛的尺度范围，包括在大面积上施加较高力。这使得能够快速表征从制造工艺到热处理过程中产生的毫米级至厘米级的力学性能变化。

在此应用中，与Seita研究组（原属NTU，现属剑桥大学）合作，采用一种新型粘结剂喷射增材制造技术将设计好的力学性能变化打印到材料中，随后进行烧结。设计好的变化以及金属粉末层密度变化引起的波纹均可清晰观察。更多详情请见《Materials & Design》235 (2023) 112384。