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(lèi)金屬合金微觀結(jié)構(gòu)的一門(mén)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(lái)說(shuō)，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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(lèi)問(wèn)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(lái)借助于計(jì)算機(jī)，在過(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)到檢查、生產(chǎn)、制造過(guò)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(wèn)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(guò)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(zhuān)業(yè)提供商。本公司注冊(cè)資金501萬(wàn)元，在北京、香港、鄭州等地均設(shè)有營(yíng)銷(xiāo)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(lèi)、Ⅲ類(lèi)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(méi)有*的方式可以達(dá)到期望的結(jié)果。

    金相歷來(lái)被描述為既是一門(mén)科學(xué)也是一門(mén)藝術(shù)，有此說(shuō)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(jué)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(wàn)，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(yǔ)“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(lèi)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(lái)，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(lái)自于光源，穿過(guò)物鏡透鏡，反射在樣本表面上，并通過(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)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。