哈工大《AFM》：超精密切削微光栅结构实现多晶金属微尺度表征！

摘要：近日，哈工大机电工程学院精密工程研究所宗文俊教授团队提出一种基于金属材料表面各向异性的结构光效应实现多晶金属材料微观组织表征的新技术。相关研究成果以《基于金属晶体取向激发V形微光栅各向异性结构色效应实现金相组织表征》（Spatial grain orienta

近日，哈工大机电工程学院精密工程研究所宗文俊教授团队提出一种基于金属材料表面各向异性的结构光效应实现多晶金属材料微观组织表征的新技术。相关研究成果以《基于金属晶体取向激发V形微光栅各向异性结构色效应实现金相组织表征》（Spatial grain orientation induced structural coloration anisotropy of the micro V-shaped metal arrays for metallurgical structure characterizing）为题发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。该工作是一项涉及机械、光学、材料科学的交叉学科研究，为金属材料金相组织的高效表征提供了新的手段。

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金相组织分析是材料科学研究的重要手段。由于金相组织是影响金属材料物理性能的重要因素，金相组织分析被广泛应用于材料质量控制和失效分析等领域。传统金相组织分析方法通常使用研磨和抛光技术对金属样品进行处理使其达到镜面状态，并进一步通过腐蚀处理使金相组织暴露。然而，软金属材料的机械抛光是行业难题。由于材料表面很容易被抛光颗粒划伤，对其进行机械抛光需要保证严格的工艺条件，且通常会耗费大量人力。采用电解抛光技术虽然可以将样品表面处理为高质量镜面，但该方法耗时较长，成本较高。因此，面向软金属材料开发高效的金相组织表征方法对材料科学研究具有重要意义。

针对上述问题，团队提出了基于V形槽微光栅切削加工的结构光着色法（Grating-based structural coloration，GBSC）实现多晶金属晶粒尺寸和形状表征的新设想，针对金属材料表面采用超精密切削方法加工V形槽微结构激发与晶体取向相关的各向异性结构色效应，基于光学仿真及实验研究详细阐释了各向异性结构光的形成机制。研究发现，在不同晶体取向的金属微晶粒上加工V形槽微结构时，晶粒的各向异性力学性能将导致微结构发生各向异性的微变形，即导致不同晶粒表面微结构的微观轮廓不同。因此，不同晶粒表面的微结构具有截然不同的远场衍射光谱，从而在加工表面形成可通过光学显微镜直接观测的结构色。团队进一步针对V形槽微结构超精密切削中的主要工艺参数，包括切削深度、刀具夹角和光栅周期，详细研究了多晶铝表面结构色的较优激励条件，并在多晶锡和多晶铜样品表面进行了V形槽微结构的着色加工。实验结果表明，GBSC方法成功实现了不同软质金属材料表面微观晶粒组织的高效标定。值得关注的是，利用上述金相组织表征新方法进行材料组织观测时，材料晶粒被自然着色，因此无需化学腐蚀处理，仅采用光学显微镜即可直接对材料微观晶粒尺寸和形状进行表征。目前，对于毫米级大尺寸样品，GBSC方法的制样时间仅需数分钟，晶粒尺寸观测分辨率优于5微米（μm），有望发展成为金属材料金相组织表征的流行方法。