文概述了金相學和金屬合金的表征。不同的顯微鏡技術被用于研究合金的微觀結構，即晶粒，相，夾雜物等的微觀結構。金相學的發展是為了理解合金微觀結構對宏觀性能的影響。所獲得的知識可用于合金材料的設計，開發和制造。

    金相顯微鏡的應用-什么是金相學？

    金相學是對所有類型的金屬合金的微觀結構的研究。它可以更精確地定義為觀察和確定金屬合金中晶粒，成分，夾雜物或相的化學和原子結構以及空間分布的科學學科。通過擴展，這些相同的原理可以應用于任何材料的表征。

    使用不同的技術來揭示金屬的微觀結構特征。大多數研究都是在明場模式下用入射光顯微鏡進行的，但是其他較不常見的對比技術，例如暗場或微分干涉對比（DIC），以及彩色（淡色）蝕刻的使用，正在擴大金相應用的光學顯微鏡的范圍。

    金屬材料的許多重要的宏觀特性對微觀結構高度敏感。關鍵的機械性能，如抗張強度或伸長率，以及其他熱或電性能，與微結構直接相關。對微觀結構和宏觀性能之間關系的理解在材料的開發和制造中起著關鍵作用，并且是金相學的最終目標。

    金相，正如我們今天所知道的，很多欠到19的貢獻個世紀的科學家亨利·克里夫頓·索比。他在英國謝菲爾德（Sheffield）（英國）用現代鋼鐵制造的開拓性作品強調了微觀結構和宏觀性能之間的緊密聯系。正如他在臨終時所說的那樣：“在那些早期，發生了鐵路事故，我曾建議該公司搭起一條鐵路，并用顯微鏡對其進行檢查，我會被視為適合男人送往庇護。但這就是現在正在做的……”

    金相顯微鏡的應用-古老但至關重要

    伴隨著顯微鏡技術的新發展，以及最近在計算機的幫助下，金相學已成為近百年來科學和工業發展的寶貴工具。

    使用光學顯微鏡在金相學中建立的微觀結構和宏觀性能之間的更早關聯包括：

    隨著晶粒尺寸的減小，屈服強度和硬度普遍提高

    具有細長晶粒和/或優選晶粒取向的各向異性機械性能

    隨著夾雜物含量的增加，延展性總體下降

    夾雜物含量和分布對疲勞裂紋擴展速率（金屬）和斷裂韌性參數（陶瓷）的直接影響

    失效起始點與材料間斷或微觀結構特征（例如第二相顆粒）的關聯

    通過檢查和量化材料的微觀結構，可以更好地了解其性能。因此，金相學幾乎在組件的整個生命周期的所有階段都使用：從最初的材料開發到檢查，生產，制造過程控制，甚至在需要時進行故障分析。金相學原理有助于確保產品的可靠性。

    珠光灰鑄鐵

    圖1：珠光灰鑄鐵

    金相顯微鏡的應用-建立但直觀的方法

    對材料微觀結構的分析有助于確定材料是否已正確加工，因此通常在許多行業中都是至關重要的問題。適當的金相檢查的基本步驟包括：采樣，樣品制備（切片和切割，安裝，平面研磨，粗磨和最終拋光，蝕刻），顯微鏡觀察，數字成像和記錄，以及通過立體或圖像分析方法提取定量數據。

    金相分析的第一步-采樣-對于任何后續研究的成功都是至關重要的：要分析的樣品必須代表所評估的材料。同樣重要的第二個步驟是正確制備金相試樣，這里沒有獲得所需結果的獨特方法。

    傳統上將金相學描述為一門科學和一門藝術，之所以如此陳述，是因為經驗和直覺對于揭示材料的真實結構而不會造成重大變化或損壞，以揭示并揭示其實質同樣重要。使感興趣的特征可測量。

    蝕刻可能是變化更大的步驟，因此必須謹慎選擇更佳蝕刻成分，并控制蝕刻劑溫度和蝕刻時間，才能獲得可靠且可重復的結果。通常，需要反復試驗的方法才能找到此步驟的更佳參數。

    金相顯微鏡的應用-不僅僅是金屬：材料學

    金屬及其合金在許多形式的技術開發中仍然發揮著重要作用，因為它們提供的性能比任何其他材料組都要廣泛。標準化金屬材料的數量已擴展到數千種，并且不斷增加以滿足新的要求。

    但是，隨著規格的發展，增加了陶瓷，聚合物或天然材料以覆蓋更廣泛的應用范圍，金相學也得到了擴展，以結合從電子到復合材料的新材料?，F在，術語“金相學”被更通用的“金相學”所取代，以處理陶瓷“陶瓷照相術”或聚合物“Plastography”。

    與金屬相反，高性能或工程陶瓷具有較高的硬度值，即使它們本質上是脆性的。其他杰出的性能是出色的高溫性能以及在侵蝕性環境中具有良好的抗磨損，抗氧化或抗腐蝕性能。但是，這些材料可提供的全部優勢在很大程度上受到化學成分（雜質和微觀結構）的影響。

    與金相制備相似，必須進行連續步驟來制備用于顯微組織研究的陶瓷樣品，但是在每個步驟中都需要仔細選擇參數，并且不僅針對每種類型的陶瓷，而且針對特定等級的陶瓷，都必須對其進行優化。。由于其固有的脆性，建議在從切片到后面拋光的每個制備步驟中，用金剛石代替傳統的磨料。由于陶瓷的耐化學性，蝕刻可能是一個挑戰。

    金相顯微鏡的應用-超越明場

    光學顯微鏡已經使用了數十年，以深入了解材料的微觀結構。

    明場（BF）照明是金相分析中常用的照明技術。在入射BF中，光路來自光源，穿過物鏡，從樣品表面反射，通過物鏡返回，到達目鏡或照相機進行觀察。由于大量入射光反射到物鏡中，平坦的表面會產生明亮的背景，而非平坦的特征（例如裂縫，氣孔，蝕刻的晶界或具有明顯反射率的特征（例如沉淀和第二相夾雜物））當入射光以各種角度散射并反射甚至被部分吸收時，表面上的暗色會變暗。

    暗場（DF）是一種鮮為人知但功能強大的照明技術。DF照明的光路穿過物鏡的外部空心環，以高入射角落在樣品上，從表面反射，然后穿過物鏡的內部，到達目鏡或照相機。這種類型的照明會導致平坦的表面看起來很暗，因為在高入射角處反射的絕大多數光都無法到達物鏡的內部。對于具有平坦表面且偶爾具有非平坦特征（例如裂縫，氣孔，蝕刻的晶界等）的樣品，DF圖像顯示深色背景，對應于非平坦特征的區域更亮，從而將更多的光散射到物鏡中。

    明場

    明場：只有直射光會落在樣品表面上，在此表面上會被吸收或反射。圖像的質量參數是亮度，分辨率，對比度和景深。

    暗場

    暗場：只有折射，衍射或反射的光落在樣品表面上。暗場適用于所有具有結構化表面的樣本，也可以用于可視化分辨率低于極限的結構。表面結構在深色背景上顯得明亮。

    微分干涉對比度（DIC），也稱為Nomarski對比度，有助于可視化標本表面的微小高度差異，從而增強特征對比度。DIC將Wollaston棱鏡與偏振器和檢偏器一起使用，其透射軸彼此垂直（相交90°）。由棱鏡分開的兩個光波在從樣品表面反射后會發生干涉，從而使高度差可見為顏色和紋理的變化。

    在大多數情況下，入射光顯微鏡提供了大多數必需的信息，但在某些情況下，特別是聚合物和復合材料，透射光顯微鏡（對于透明材料）以及使用染色劑或染料可以提供對微觀結構的深入了解使用標準的大量樣品制備和法線入射照明時，將保持隱藏狀態。

    由于許多熱固性材料對常見的金相蝕刻劑呈惰性，因此通常在透射偏振光下觀察樣品的微觀結構，以增強離散特征的折射率差異。

    偏振：自然光由具有任意數量振動方向的光波組成。偏振濾光片僅讓穿過其中的光波平行于透射方向振動。兩個以90°交叉的偏振器會產生最大的消光（變暗）。如果偏振器之間的樣品改變了光的振動方向，則會出現特征性雙折射顏色。

    偏光

    微分干涉（DIC）：DIC可以顯示高度和相位差。沃拉斯頓棱鏡將偏振光分成尋常波和異常波。這些波彼此成直角振動，以不同的速率傳播，并且在物理上是分開的。盡管無法從中得出真實的地形信息，但仍可得到樣品表面的3D圖像。

    微分干涉

    金相顯微鏡的應用-生活多姿多彩

    微觀結構的自然顏色通常在金相學應用中用途非常有限，但是當使用某些光學方法（例如偏振光或DIC）或樣品制備方法（例如顏色蝕刻）時，顏色可以顯示有用的信息。

    偏振光顯微鏡對于檢查具有非立方晶體結構的金屬（例如Ti，Be，U和Zr）非常有用。不幸的是，主要的商用合金（Fe，Cu，Al）對偏振光不敏感，因此彩色或淺色蝕刻提供了一種額外的方法，可以揭示和區分微觀結構中的特征。

    具有樹枝狀結構的有色晶粒

    圖2：具有樹枝狀結構的有色晶粒

    彩色（淺色）蝕刻劑通常通過化學方法（通過浸入溶液中）或電化學方法（通過電極浸入溶液中并施加電勢）來施加，從而在樣品表面上產生薄膜，通常取決于其特性。薄膜與入射光相互作用，并通過干涉產生顏色，這可以在正常的明場照明中觀察到，但是使用偏振光和相位延遲（λ[λ]或波片）會大大增強。另外，熱著色或氣相沉積是產生干涉膜的替代方法。

    在鋼合金中，可以通過蝕刻選擇性地對所謂的“第二相”成分進行著色，從而提供了一種分別識別和量化它們的方法。通過彩色蝕刻來區分鋼中的鐵素體和碳化物是一種常見過程。

    干涉膜的生長可能是樣品表面上特征（例如晶粒）的晶體取向的函數。對于用標準試劑蝕刻（侵蝕晶粒邊界）會產生不完整的（邊界）網絡并因此阻止數字圖像重建的合金，由于晶粒取向不同而產生的顯微組織顏色編碼可進行晶粒尺寸分析。

    金相顯微鏡的應用-定量勝于定性

    定量金相學的起源在于光學顯微鏡在金屬合金顯微組織研究中的應用。材料科學家必須解決的第一個基本問題是：

    合金中某些特征的尺寸是多少，這些特征中有多少種？

    合金中存在多少特定成分？

    球墨鑄鐵

    圖3：球墨鑄鐵具有球狀石墨（HCPLFluotar10x物鏡，明場）。

    多年來，使用圖表等級和視覺比較一直是能夠用半定量陳述回答這些問題的方法。如今，現代的電動和計算機化顯微鏡以及圖像分析系統提供了一種快速，準確的手段來自動化國際或行業標準所涵蓋的大多數評估和評估方法。

    測量通常是在一系列二維圖像上進行的，可以分為兩個主要組：用于量化離散顆粒的大小，形狀和分布的測量（特征測量）以及與基質微觀結構相關的測量（場測量）。。

    第一組的一些示例是確定鋼中的夾雜物含量，鑄鐵中石墨的分類以及評估熱噴涂層或燒結零件中的孔隙率。

    現場測量的常見應用是通過截距法或平面法確定平均晶粒尺寸，并通過相分析估算微結構成分的體積分數。使用圖像分析軟件，可以在單個字段中檢測多個相位，進行量化并以圖形方式表示。

    不僅微觀而且宏觀

    宏觀檢查技術經常用于常規質量控制以及故障分析或研究中。這些技術通常是顯微觀察的序幕，但有時有時單獨用作接受或拒絕的標準。

    鋼的表面硬化

    圖4：鋼的表面硬化。

    宏蝕刻測試可能是該組中更有用的工具，它廣泛用于材料加工或成型的許多階段的質量檢查。借助立體顯微鏡和多種照明模式，通過揭示材料的微觀結構缺乏均一性，宏觀蝕刻可提供組件均勻度的整體視圖。一些例子是：

    凝固或加工產生的宏觀結構圖案（生長圖案，流線，條帶等）

    焊縫熔深和熱影響區

    凝固或加工引起的物理不連續（孔隙，裂紋）

    化學和電化學表面改性（脫碳，氧化，腐蝕，污染）

    由于淬火不規則而造成的鋼合金或圖案的表面硬化深度（表面硬化）

    磨削或加工不當造成的損壞

    過熱或疲勞引起的熱效應

    總結

    金屬合金由于其廣泛的性能，在許多技術和應用中起著重要作用。今天有數千種標準化合金可用，并且隨著新需求可能需要新合金的數量在不斷增加。

    金相學是對合金微觀結構的研究：相，夾雜物和其他成分的微觀尺度空間分布。各種技術（通常是顯微技術）可用于揭示合金的微觀結構。

    合金的微觀結構對其許多重要的宏觀性能（例如抗張強度，伸長率以及熱導率或電導率）產生重大影響。對金相組織和合金性能之間關系的透徹了解是金相學領域的根本原因。金相學的知識可用于冶金（合金設計和開發）和合金生產。

    然而，與此同時，已經開發出種類更多的陶瓷和聚合物，它們也用于許多不同的應用。金相學的基本原理可以應用于任何材料的表征。結果，更通用的術語“金相學”開始取代金相學。