金相分析方法与流程【2025】

金相分析是金属及合金显微结构分析常用的方法之一，也是确定相图的关键工具之一，通过对样品进行切割、镶埋、研磨，在抛光的横截面透过选择性腐蚀晶界，通过显微镜观察材料的截面形貌、晶粒、相组成、缺陷等特徵，从而推断其三维成分结构。

金相分析随着创新材料发展与先进制程技术需求，特别是半导体奈米与埃米材料、复合材料的应用日益增加，金相分析方法也必须要持续进步。

金相分析方法在先进制程技术发展的应用，包括微观结构分析、制程参数优化、性能预测、故障分析等，让金相分析在先进制程技术发展上不仅是一项检测流程，更是优化先进制程不可或缺的工具。

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金相分析在全世界有多个国际组织和标准，以下是一些主要的国际组织和标准：

1.国际组织

(1)ASM International

ASM International这是全球最大的材料科学与工程师协会之一，专注於金相学及材料特性分析。

(2)International Metallographic Society (IMS)

IMS致力於推动金相学的艺术和科学，并促进材料及其结构的表徵。

(3)ASTM International

ASTM是一个国际标准组织，制定了许多与金相学相关的标准，如金相样品的准备和硬度测试。

2.国际标准

(1)ISO 643

ISO 643是一个国际标准，用於钢材的显微组织测定，特别是肥力铁(铁素体)或沃斯田铁(奥氏体)晶粒尺寸的测定。

(2)ISO 945

ISO 945这个标准涉及铸铁的显微组织分析。

(3)ISO/TR 20580

ISO/TR 20580是一个关於金相试样准备的国际标准，适用於光学和扫描电子显微镜的样品准备。

这些组织和标准在全球范围内被广泛应用，为金相分析提供了统一的指导和规范，确保分析结果的准确性和一致性。

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金相分析中的主流方法是定量金相学（Quantitative Metallography），它通过数量化测量和统计分析材料的微观结构，以定量描述材料的特性。这一方法的目的是将微观结构的观察结果转化为可量化的数据，用以预测或分析材料的性能和行为。相比於传统的定性观察，定量金相学提供了更精确、更一致的数据，对於材料研究和品质控制具有重要价值。 定量金相学包含了多种测量和计算方法，通常包括以下几个方面：

• ● 晶粒大小测量(Grain size measurement)
• ● 相含量测量(Phase content measurement)
• ● 孔隙率和夹杂物含量测量(Porosity and inclusion content measurement)
• ● 形态学测量(Morphological measurement)
• ● 晶界密度和分布测量(Grain boundary density and distribution measurement)

1. 晶粒大小测量

晶粒大小是影响材料性能的关键因素之一。定量金相学透过测量晶粒的大小、形状和分布情况来分析材料的力学性能。例如，小晶粒通常能够提高金属的强度，这种关系可以用霍尔-佩奇（Hall-Petch）方程表示。常见的晶粒尺寸测量方法包括线性截点法、截线法和面积法等，这些方法可以将晶粒分布转化为数据，进行统计和比较。

2. 相含量测量

在合金材料中，不同的相（如肥粒铁(铁素体)、波来铁(珠光体)、变韧铁(贝氏体)等）会对材料性能产生不同影响。定量金相学可以通过影像分析来测量各个相在材料中的体积或面积百分比。例如，在双相钢中，控制肥粒铁(铁素体)和麻田散铁(马氏体)的比例可以优化其延展性和强度，而定量金相学提供了精确测量这些相比例的方法。

3. 孔隙率和夹杂物含量测量

孔隙和夹杂物是材料中的缺陷，会降低材料的强度和耐疲劳性能。定量金相学可以测量孔隙率（即材料中孔隙的比例）和夹杂物含量（如氧化物、硫化物等的数量和分布）。这些数据能够帮助研究人员评估材料的纯度和均匀性，并提供材料制造过程中质量控制的依据。

4. 形态学测量

形态学（Morphology）分析是指对材料内部结构的形状和排列方式进行定量描述，包括晶粒的形状、相界的分布、纤维方向等。例如，通过分析晶粒的形状因子（如长宽比、圆度等）可以获得晶粒的延展性数据，而相界的形状和分布可以影响材料的裂纹扩展行为。

5. 晶界密度和分布测量

晶界是位於晶粒之间的区域，会影响材料的应变分布和裂纹扩展路径。定量金相学可以测量晶界的长度、密度及其分布，这些数据在评估材料的韧性和抗裂性方面尤为重要。晶界越密集，通常意味着材料的抗裂性越好，因此在一些需要高强度和耐用性的应用中，晶界密度是重要的分析指标。

 

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金相分析的前处理与检测流程不仅仅是物理操作，它还需要技术人员的经验和技巧，以确保样品的质量和分析结果的准确性。

正确的前处理与检测流程能够揭示材料的真实结构，并帮助预测其性能，这对於材料的质量控制、失效分析及新材料的研发都具有重要意义。

金相分析的前处理与检测流程主要步骤，包含透过需求评估 → 夹具选择 → 精密切割或精密钻石切割 → 镶嵌(热镶嵌或冷镶嵌) → 粗磨 → 细磨 → 一般抛光 → 最终抛光 → 腐蚀 → 显微分析。

金相分析的前处理与检测流程重要性，在於每一步的细致操作和对材料特性的深刻理解，这样才能确保最终的显微观察结果准确可靠。

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金相分析主要用於了解金属材料或非金属样品的内部结构、性能和潜在问题。不同材料的观察与检测目标随着应用领域的不同而有所差异，以下列出金相分析常见检验项目：

• ● 金相组织观察(Metallographic Structure Observation)
• ● 镀层观察(Coating Observation)
• ● 腐蚀後观察(Post-Corrosion Observation)
• ● 结构分析(Structural Analysis)
• ● R角角度分析(R-Angle Analysis)
• ● 表面污染测试(Surface Contamination Testing)
• ● Pin脚密合度分析(Pin Contact Tightness Analysis)
• ● 焊接接合处分析与焊点评估(Weld Joint Analysis and Solder Point Evaluation)
• ● 缺陷分析(Defect Analysis)
• ● 复合材料检测(Composite Material Inspection)
• ● 侵入物分析(Inclusion Analysis)
• ● 硬度测试(Hardness Testing)

1. 金相组织观察

金相组织的观察能揭示金属材料或非金属样品的内部结构，进而判断材料的性质。不同的材料会有不同的观察目的：

(1)石墨

观察石墨内部的形态与分布，有助於深入了解材料的性质，并为其在不同应用中的性能优化提供依据。

(2)岩石

分析其矿物成分与结构，这在地质学和建筑材料的应用中尤为重要。

(3)铝

铝的金相组织可揭示其金属内部的晶粒结构，这对於航空与汽车等高强度要求的行业尤其重要。

(4)铸铁

观察其内部组织的形态与分布，可以用来评估金属的韧性和强度。

2. 镀层观察

金相镀层是提升金属或非金属材料表面性能的重要手段。金相镀层的观察有助於评估镀层的厚度、均匀性及附着力，并了解镀层材料与基底材料的结合程度。

针对套筒这类手工具，金相镀层的品质直接影响其耐磨性和防腐性能。

3. 腐蚀後观察

金相腐蚀的主要目的是让样品的内部结构得以清晰呈现，因为在未经腐蚀的状态下，样品表面通常光滑而反光，难以分辨微观细节。腐蚀後的表面能够揭示材料的晶粒形态、相界、组织变化等，这对於材料的性能评估、制程优化和缺陷分析非常重要。

(1)套筒

腐蚀後可清晰观察到套筒材料的晶粒结构，这对於分析材料的强度和韧性具有重要意义。

(2)弹簧

金相腐蚀观察可以帮助我们深入了解弹簧材料的内部结构。

4. 结构分析

金相结构分析主要针对材料的内部与外部结构进行评估。金属材料或非金属样品结构分析包括：

(1) 被动元件与电感

这类电子元件的结构分析有助於确保其稳定性和耐久性。

(2)螺牙

螺纹结构分析能够确保连接件的强度与精确度，避免在高压下发生失效。

5. R角角度分析

R角，即圆角半径，R角角度分析常用於连接器等金属元件。金相R角分析有助於优化结构设计，确保连接器的接触面积与强度，进而提升其可靠性。

6. 表面污染测试

材料表面的洁净度是影响其性能的关键因素，尤其是像钛这样的高性能金属材料。金相表面污染测试能够评估材料表面是否受到环境或制程中的污染，从而确保材料的耐腐蚀性与生物相容性。

7. Pin脚密合度分析

对於电子零件来说，Pin脚的密合度而言。Pin脚密合度不良会导致电气性能下降，甚至发生短路等问题。通过金相Pin脚密合度分析，可以观察Pin脚与基板之间的接触面是否均匀、稳固。

8. 焊接接合处分析与焊点评估

电子产品的焊接接合质量会直接影响其使用寿命与稳定性。对於电子零件的金相接合处分析和电路板的金相焊点评估，可以检测焊点是否存在裂纹、空隙等缺陷，进而确保焊接质量，防止早期故障。

9. 缺陷分析

材料中的微小缺陷可能导致重大失效，尤其是在高精密应用中。对於如电阻等元件的金相缺陷分析，有助於确保其在长时间使用中的稳定性。

10. 复合材料检测

复合材料的检测技术日益重要，特别是对於碳纤维这类新型材料的应用。金相复合材料检测可以揭示复合材料中的层状结构与界面情况，确保其强度和耐久性。

11. 侵入物分析

侵入物是材料制程中的潜在污染源，对於像铜这类应用於高导电性要求的金属材料尤为重要。金相侵入物分析能够检测出制程中引入的异物，从而确保金属材料的纯度与性能。

12. 硬度测试

金相硬度测试是评估金属材料机械性能的重要手段之一。针对钢珠的硬度测试，有助於判断其耐磨性与承载能力，适用於高精密机械元件的性能评估。

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金相分析在先进技术产品研发过程中，通过金相分析的前处理与检测流程，可以实现深入的微观结构分析，帮助技术人员确保材料的完整性和产品的长期稳定性。这些金相分析前处理设备与检测流程能进行细致的结构观察，有助於提升制程控制和材料选择的精度，并增强产品的可靠性和性能。以下是金相分析在半导体、IC设计、封测、散热、网通、电动车、手机等产业应用：

1.晶圆切割和层间缺陷分析

在半导体晶圆金相分析中，需保持晶圆内部结构完整以进行金相失效分析。金相前处理使用精细刀具（如金刚石刀片），搭配低速切割，并在冷却系统辅助下进行切割，以避免热损伤。切割後经镶嵌处理，再进行多阶段研磨抛光，展现出层间的铜线、介电层和半导体材料界面，帮助检查是否存在分层、微裂纹或异常氧化层。

2.特徵尺寸与微观形貌解析

研磨和抛光後的样品在电子显微镜下可以显示细微的材料颗粒和晶粒边界，特别适合用於研究奈米级材料的微观特徵，帮助提高晶圆内IC导线的性能和稳定性。

3.金属导线键合检查

IC元件中的金属导线需要稳定的键合。切割後通过冷镶嵌固定，进行精细研磨以减少表面变形，抛光後可以清楚看到导线的键合强度、边界及金属疲劳现象，便於评估接点可靠性。

4.薄膜层和介电层的稳定性

IC设计制造中的薄膜层结构对信号稳定性非常要求。使用研磨抛光并控制压力和研磨速度，逐步去除表层材料，并通过抛光达到光滑无损的观察表面，揭示薄膜和介电层的连续性及厚度分布，避免信号干扰。

5.多层晶片间的界面键合

半导体封装测试中的多层晶片叠层需紧密键合，避免信号衰减。金相精密切割确保各层完整分割，镶嵌後在抛光下观察层间键合处，检测结构中的孔隙、分层或接触不良，特别是对不同材质界面的连接性分析。

6.散热材料颗粒结构检查

散热材料（如金属合金和陶瓷）内部结构的均匀性直接影响导热性能。切割後镶嵌稳固，研磨抛光後观察颗粒分布和粒度，判断其均匀性及颗粒间连接性是否足够，避免导热不均。

7.电流过载情况下的导体稳定性

电源中的导体材料需承受大电流过载。研磨抛光後能够观察导体结构中是否存在微小裂纹，避免材料在电流高负载时发生失效。

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