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什么是金相學(xué)？

金相學(xué)是研究各種金屬合金微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。它可以更精確地定義為觀察和判斷金屬合金中晶粒、成分、夾雜物或相的化學(xué)和原子結(jié)構(gòu)以及空間分布的學(xué)科。推而廣之，這些相同的原理可以應(yīng)用于任何材料的特征分析。

不同的技術(shù)被用來(lái)揭示金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征。大多數(shù)研究是在明場(chǎng)模式下使用反射光顯微鏡進(jìn)行的，但其他不為大家所熟知的觀察方式，如暗場(chǎng)或微分干涉（DIC）和染色蝕刻的使用正在擴(kuò)大光學(xué)顯微鏡在金相學(xué)中的應(yīng)用范圍。

金屬材料的許多重要宏觀性能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)高度敏感。一些重要的機(jī)械性能，如抗拉強(qiáng)度或伸長(zhǎng)率，以及其他熱性能或電性能，與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。了解顯微組織與宏觀性能之間的關(guān)系對(duì)材料的開發(fā)和制造起著關(guān)鍵作用，這些都是金相學(xué)的目標(biāo)。

我們今天所了解的金相學(xué)在很大程度上歸功于19世紀(jì)科學(xué)家Henry Clifton Sorby的貢獻(xiàn)。他在謝菲爾德（英國(guó)）對(duì)鋼鐵現(xiàn)代制造工藝進(jìn)行的開創(chuàng)性研究突顯出了微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的緊密聯(lián)系。他在臨終前曾說(shuō)過(guò)：“早年間如果發(fā)生了鐵路事故，而我又建議公司把一根鐵軌拿出來(lái)用顯微鏡進(jìn)行檢查，大家也許會(huì)認(rèn)為我該去精神病院。但現(xiàn)在人們就是這樣做調(diào)查的…”
 
古老但重要

近百年來(lái)，隨著顯微鏡技術(shù)的新發(fā)展以及最近計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，金相學(xué)已經(jīng)成為推動(dòng)科學(xué)和工業(yè)進(jìn)步的一個(gè)非常寶貴的工具。

利用光學(xué)顯微鏡在金相學(xué)中建立的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的一些早期關(guān)聯(lián)包括：

通過(guò)檢查并量化材料的微觀結(jié)構(gòu)可以更好地了解材料的性能。因此，金相學(xué)幾乎涉及零部件壽命的所有階段內(nèi)均有使用：從初期材料研發(fā)到檢驗(yàn)、生產(chǎn)、制造工藝甚至所需的缺陷分析。金相學(xué)的原則就是要確保產(chǎn)品可靠性。

 

成熟且直觀的方法

對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的分析有助于確定材料是否正確加工，因此在許多行業(yè)中是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。正確的金相檢驗(yàn)基本步驟包括：取樣、試樣制備（切片和切割、裝配、平面研磨、粗拋光、細(xì)拋光，蝕刻）、顯微觀察、數(shù)字成像和記錄，以及通過(guò)體視學(xué)或圖像分析方法提取定量數(shù)據(jù)。

金相分析的第一步 - 取樣 – 是任何后續(xù)研究的成功都至關(guān)重要：待分析的試樣必須代表被評(píng)估的材料。第二個(gè)同樣重要的步驟是正確制備金相試樣，這里沒(méi)有方法來(lái)獲取預(yù)期的結(jié)果。

金相學(xué)是科學(xué)也是藝術(shù)，原因就在于其揭示材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)而不造成重大變化或損壞，從而展現(xiàn)和測(cè)量那些感興趣的特征。

蝕刻是可變性很大的步驟，因此必須仔細(xì)選擇好的蝕刻劑，并控制蝕刻溫度和蝕刻時(shí)間，確保獲得可靠且可再現(xiàn)的結(jié)果。通常需要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定該刻蝕的參數(shù)。
 
不僅僅是金屬：材料學(xué)

金屬及其合金在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展中仍然發(fā)揮著突出作用，因?yàn)樗鼈兒腿魏纹渌牧舷啾染哂懈鼜V泛的性能。標(biāo)準(zhǔn)化金屬材料的數(shù)量已經(jīng)擴(kuò)展到了幾千種，并仍在不斷增加以滿足新的要求。

但隨著技術(shù)規(guī)格的演進(jìn)發(fā)展，陶瓷、聚合物或天然材料已被添加到更廣泛的應(yīng)用中，金相學(xué)已擴(kuò)展到包括從電子到復(fù)合材料的新材料。“金相學(xué)”正在被更普遍的“材料學(xué)”所取代，也涉及陶瓷“陶瓷學(xué)”或聚合物“塑性學(xué)”。

與金屬不同，高性能或工程設(shè)計(jì)的陶瓷硬度更高，即便本質(zhì)上更易碎。其性能更突出，包括優(yōu)良的高溫性能、良好的耐磨性、抗氧化性及在腐蝕環(huán)境中的蝕刻性。然而，這些材料的化學(xué)成分（雜質(zhì)）和微觀結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響其這些性能優(yōu)勢(shì)。

與金相制品類似，陶瓷樣本制備進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究時(shí)必須進(jìn)行連續(xù)步驟，但每個(gè)步驟都需要仔細(xì)選擇參數(shù)，并且必須進(jìn)行優(yōu)化，不僅針對(duì)每種類型的陶瓷，而且針對(duì)特定等級(jí)。由于其固有的脆性，建議在從切片到拋光的每一個(gè)準(zhǔn)備步驟中用金剛石代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨料?？紤]到陶瓷的耐化學(xué)性，其蝕刻處理會(huì)是一大挑戰(zhàn)。

超越明場(chǎng)

光學(xué)顯微鏡在觀察材料微觀結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用已有數(shù)十年。

明場(chǎng)（BF）照明是金相學(xué)分析當(dāng)中很常見的觀察方式。在反射明場(chǎng)中，來(lái)自光源的光路會(huì)穿過(guò)物鏡并在樣本表面上反射再返回經(jīng)過(guò)物鏡，最終抵達(dá)目鏡或攝像頭進(jìn)行觀察。由于反射光進(jìn)入物鏡后產(chǎn)生了大量的光反射，光滑平坦的表面就會(huì)形成一個(gè)非常明亮的背景，那些不平整的表面特征，如裂紋，氣孔，蝕刻晶界，或具有高反射性的特征物質(zhì)，如沉淀物，二相夾雜物等，反射光會(huì)有不同角度的反射和散射甚至被部分吸收，這些特征就會(huì)顯得更暗。

暗場(chǎng)（DF）則是人們鮮少了解但相當(dāng)強(qiáng)大的照明技術(shù)。暗場(chǎng)照明的光路通過(guò)物鏡的外空心環(huán)（暗場(chǎng)環(huán)），以高角度入射到樣本上，從表面反射，然后通過(guò)物鏡的內(nèi)部，然后到達(dá)目鏡或照相機(jī)。這種類型的照明會(huì)使平面看起來(lái)很暗，因?yàn)樵诟呷肷浣欠瓷涞慕^大多數(shù)光都無(wú)法通過(guò)物鏡內(nèi)的鏡片。對(duì)于表面平整且偶爾出現(xiàn)非平整特征（裂紋、氣孔、蝕刻晶界等）的樣本，暗場(chǎng)像顯示的背景較暗，而與非平整特征相對(duì)應(yīng)的區(qū)域較亮形成對(duì)比。

 

 

暗場(chǎng)：僅折射、衍射或反射光會(huì)落在樣本表面。暗場(chǎng)適合于所有具有結(jié)構(gòu)化表面的樣本，并且還可以用于對(duì)分辨率限值以下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化觀察。在暗背景下表面結(jié)構(gòu)會(huì)變得明亮。
 

差分干涉對(duì)比度（DIC）又稱為Nomarski對(duì)比，可幫助看清樣本表面上較小的高度差，因此可增強(qiáng)特征對(duì)比。DIC使用渥拉斯登棱鏡以及起偏器和驗(yàn)偏器，其透射軸相互垂直（以90°交叉）。棱鏡分裂的兩個(gè)光波在樣本表面反射后發(fā)生干涉，使高度差成為可見的顏色和紋理變化。

通常情況下，反射光路顯微鏡提供了大部分?jǐn)?shù)所需觀察的信息，但在某些情況下，尤其是聚合物和復(fù)合材料，那些用標(biāo)準(zhǔn)樣品制備方法和反射光路顯微鏡可能無(wú)法獲得全部所需要的信息，這時(shí)使用透射光路顯微鏡（用于透明材料）和色素或染料，能夠幫助獲得那些被隱藏的微觀結(jié)構(gòu)。

由于很多熱固性材料對(duì)常用的金相蝕刻劑無(wú)反應(yīng)，因此能夠增強(qiáng)離散特性中折射率差異的透射偏振光通常能夠很好地觀察樣本的微觀結(jié)構(gòu)。

偏光：自然光由具有任意多個(gè)振動(dòng)方向的光波組成。偏振光濾片只能讓光波平行于傳輸方向振動(dòng)。兩個(gè)偏鏡以90°交叉產(chǎn)生大消光（變暗）。如果偏振器之間的樣本改變了光的振動(dòng)方向，就會(huì)出現(xiàn)特征性的雙折射顏色。