金相學(xué) —— 導(dǎo)論

如何展現(xiàn)金屬與合金材料的微觀結(jié)構(gòu)特征

   金相學(xué)是研究各類金屬合金微觀結(jié)構(gòu)的一門學(xué)科，其可更準(zhǔn)確地定義為觀察和確定金屬合金中化學(xué)和原子結(jié)構(gòu),、構(gòu)成部分的空間分布,、夾雜物或相位的科學(xué)學(xué)科,。廣義來說,，這些相同的原則可應(yīng)用于任何材料的表征。

     在顯示金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征時(shí),，可使用不同的技術(shù)手段,。在明視場(chǎng)模式下使用入射光顯微技術(shù)進(jìn)行大多數(shù)調(diào)查研究，而對(duì)于其他不太常見的反差技術(shù),，例如,，暗場(chǎng)或微分干涉差 (DIC)，以及色彩（色調(diào)）蝕刻等技術(shù),，正在金相學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大光學(xué)顯微鏡的使用范圍,。

    金屬材料許多重要的宏觀性質(zhì)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)高度敏感。重要的機(jī)械性能,，如抗拉強(qiáng)度或伸長(zhǎng)率,，以及其他熱學(xué)或電氣性質(zhì),，與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān),。對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系理解，在材料的開發(fā)和制造方面起著關(guān)鍵作用,，是金相學(xué)的zui終目標(biāo),。

     正如迄今所知，金相學(xué)很大程度上要?dú)w功于 19 世紀(jì)科學(xué)家亨利·克利夫頓·索爾所做的貢獻(xiàn),，他對(duì)謝菲爾德（英國(guó)）采用現(xiàn)代化技術(shù)制造的鋼鐵進(jìn)行了開創(chuàng)性研究,，突出了微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的密切。他在臨終前表示：“早期時(shí),，若發(fā)生鐵路事故,，我會(huì)建議公司帶走鐵軌并使用顯微鏡檢查，正因這項(xiàng)建議,，我曾被認(rèn)為是處理此類問題的*人選,。然而，目前這種措施已經(jīng)變得非常普遍了…”

久遠(yuǎn)卻重要

    隨著顯微技術(shù)的新發(fā)展,，以及近來借助于計(jì)算機(jī),，在過去百年中，金相學(xué)已成為科學(xué)和工業(yè)進(jìn)步的寶貴工具。

金相學(xué)中,，利用光學(xué)顯微鏡zui早確立的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的相關(guān)性包括：

• 晶粒尺寸減少,，屈服強(qiáng)度和硬度總體提高
• 各向異性的機(jī)械性能與伸長(zhǎng)的晶粒及/或優(yōu)選的晶粒取向
• 夾雜物含量增加，延展性總體下降
• 夾雜物含量和分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率（金屬）及斷裂韌性參數(shù)（制陶業(yè)）的直接影響
• 故障起始位點(diǎn)與材料不均勻性或微觀結(jié)構(gòu)特征的關(guān)聯(lián),，如第二相粒子

    通過檢查和確定材料微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)量,，可以更好地了解其性能。因此,，在組件使用壽命內(nèi),，金相學(xué)幾乎可用于所有階段：從zui初的材料開發(fā)到檢查、生產(chǎn),、制造過程控制,，以及故障分析（如需）。金相學(xué)原理有助于確保產(chǎn)品的可靠性,。

既定且直觀的方法

    材料微觀結(jié)構(gòu)的分析,，有助于確定材料是否已正確處理，因而,，在很多行業(yè)中,，這通常是一個(gè)重要問題。適當(dāng)?shù)慕鹣鄼z驗(yàn)基本步驟包括：取樣,、樣本制備（切片和切割,、安裝、平面研磨,、粗加工及拋光,、蝕刻）、顯微觀察,、數(shù)碼成像和記錄,，以及通過體視學(xué)和圖像分析方法提取定量的數(shù)據(jù)。中顯恒業(yè)（香港)有限公司/北京中顯恒業(yè)儀器儀表有限公司是光學(xué)顯微鏡的專業(yè)提供商,。本公司注冊(cè)資金501萬元,，在北京、香港,、鄭州等地均設(shè)有營(yíng)銷服務(wù)中心,，具有醫(yī)療器械經(jīng)營(yíng)企業(yè)資質(zhì)，依法可經(jīng)營(yíng)Ⅱ類,、Ⅲ類醫(yī)療器械產(chǎn)品,，2013年公司又取得進(jìn)出口權(quán)?？蛻艉w農(nóng)林,、醫(yī)療,、航天、航空,、船舶,、軍工、機(jī)械,、冶金,、電力、石化,、地質(zhì)等行業(yè),，在高等院校、科研院所,、生命科學(xué),、工業(yè)材料、醫(yī)療衛(wèi)生,、農(nóng)業(yè)系統(tǒng),、畜牧系統(tǒng)、軍工系統(tǒng)等領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)亩扰c影響力,。中顯恒業(yè)是光學(xué)廠家德國(guó)Leica光學(xué)顯微鏡的一級(jí)代理商,。

    金相分析的*步：取樣，這是任何后續(xù)研究成功的關(guān)鍵：待分析樣本必須為被評(píng)估的代表性材料,。第二步也同樣重要,，即正確制備金相樣本，沒有*的方式可以達(dá)到期望的結(jié)果,。

    金相歷來被描述為既是一門科學(xué)也是一門藝術(shù),，有此說法的原因是，用于顯示材料真實(shí)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)和直覺同樣重要,，且不得引起重大的改變和損壞,，以顯示并呈現(xiàn)可測(cè)量的特點(diǎn),。

    蝕刻是zui可能產(chǎn)生變化的步驟,，所以仔細(xì)選擇*的蝕刻成分，并控制蝕刻溫度和蝕刻時(shí)間,，是獲取確定及可復(fù)驗(yàn)結(jié)果的必要條件,。需要多次的嘗試和錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)方法，以便為該步驟找出*的參數(shù),。

不只是金屬

    金屬及其合金在多種技術(shù)發(fā)展中仍發(fā)揮著突出作用,，因?yàn)橄啾热魏纹渌牧辖M，其提供的性質(zhì)范圍更廣,。標(biāo)準(zhǔn)化金屬材料的數(shù)量擴(kuò)展至成千上萬,，并且不斷增加,，以滿足新的要求。

    然而,，隨著技術(shù)規(guī)范的演變,，陶瓷、聚合物或天然材料已涵蓋于更廣泛的應(yīng)用范圍,，且金相學(xué)已經(jīng)擴(kuò)大至納入從電子產(chǎn)品到復(fù)合材料的新材料,。術(shù)語“金相學(xué)”現(xiàn)已被更普遍的“材相學(xué)”所取代，用于處理陶瓷制品的“陶瓷相學(xué)”或聚合物的“塑性學(xué)”,。

    與金屬相反,，高性能或設(shè)計(jì)制造的陶瓷制品具有較高的硬度值，即使其為易碎性質(zhì),。其他的性能還包括,，的高溫性能以及在惡劣環(huán)境下良好的耐磨損力、抗氧化或抗腐蝕性,。但是,，這些材料的所有優(yōu)勢(shì)都會(huì)受到化學(xué)成分、雜質(zhì)以及微觀結(jié)構(gòu)的影響,。

    與金相制備相似,，制備陶瓷樣品用于微觀結(jié)構(gòu)研究需要多個(gè)步驟，但各步驟均要求精心挑選參數(shù),，并必須將其進(jìn)行優(yōu)化,，確保其不僅適用于各類型陶瓷制品，同時(shí)也適用于特殊等級(jí),。這些材料固有的易碎性質(zhì)使其在制備的各個(gè)步驟中,，從切割刀zui終的拋光，可以用金剛石取代傳統(tǒng)的磨料,。由于陶瓷制品的耐化學(xué)性,，蝕刻是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的步驟。

超越明場(chǎng)

    幾十年來,，光學(xué)顯微鏡一直用于深入觀察材料的微觀結(jié)構(gòu),。

明場(chǎng) (BF) 照明是金相分析中zui常用的照明技術(shù)。在入射明場(chǎng)中,，光路來自于光源,，穿過物鏡透鏡，反射在樣本表面上,，并通過物鏡返回,，且zui終照射至目鏡或照相機(jī)，實(shí)現(xiàn)觀察的目的,。由于大量入射光反射到物鏡透鏡上,，導(dǎo)致平面上產(chǎn)生一個(gè)明亮的背景,，而當(dāng)入射光分散并以各種角度反射或甚至部分被吸收時(shí)，非平面上會(huì)顯得較暗,，如裂紋,、細(xì)孔、腐蝕的晶界或以明顯反射率為特征,，再如表面上的沉淀物及第二相夾雜物等,。

暗場(chǎng) (DF) 是一項(xiàng)鮮為人知，但卻有效的照明技術(shù),。暗視照明的光路通過物鏡的外空心環(huán),，以高入射角照射在樣本上，反射在表面上,，再穿過物鏡透鏡內(nèi)部,，并zui終照射到目鏡或照像機(jī)。這種照明類型導(dǎo)致平面呈現(xiàn)黑暗的狀況,，因?yàn)榻^大部分以高入射角反射的光并未通過物鏡透鏡內(nèi)部,。對(duì)偶爾呈現(xiàn)非平面特征的樣品，例如,，裂紋,、細(xì)孔以及腐蝕的晶界等，暗視圖像顯示了比非平面特征更亮的黑暗背景,，并發(fā)射更多的光至物鏡上,。