金相學——導論│·：如何展現金屬與合金材料的微觀結構特徵

金相學——導論│·：如何展現金屬與合金材料的微觀結構特徵 金相學——導論│·：如何展現金屬與合金材料的微觀結構特徵 金相學——導論如何展現金屬與合金材料的微觀結構特點金相學是研究各類金屬合金微觀結構的1門學科✘₪，其可更準確地定義為視察和肯定金屬合金中化學和原子結構▩▩₪··、構成部份的空間散佈▩▩₪··、夾雜物或相位的科學學科↟╃╃☁✘。廣義來講✘₪，這些相同的原則可利用於任何材料的表徵↟╃╃☁✘。在顯示金屬的微觀結構特點時✘₪，可以使用不同的技術手段↟╃╃☁✘。在明視場模式下使用入射光顯微技術進行大多數調查研究✘₪，而對其他不太常見的反差技術✘₪，例如✘₪，暗場或微分干涉差 (DIC)✘₪，和色採（色調）蝕刻等技術✘₪，正在金相學利用領域擴大光學顯微鏡的使用範圍↟╃╃☁✘。金屬材料許多重要的宏觀性質對微觀結構高度敏感↟╃╃☁✘。重要的機械效能✘₪，如抗拉強度或伸長率✘₪，和其他熱學或電氣性質✘₪，與微觀結構直接相干↟╃╃☁✘。對微觀結構和宏觀性質之間的關係理解✘₪，在材料的開發和製造方面起著關鍵作用✘₪，是金相學的終究目標↟╃╃☁✘。正

金相學——導論

如何展現金屬與合金材料的微觀結構特點

金相學是研究各類金屬合金微觀結構的1門學科✘₪，其可更準確地定義為視察和肯定金屬合金中化學和原子結構▩▩₪··、構成部份的空間散佈▩▩₪··、夾雜物或相位的科耐臭氧老化試驗機學學科↟╃╃☁✘。廣義來講✘₪，這些相同的原則可利用於任何材料的表徵↟╃╃☁✘。

在顯示金屬的微觀滅火器爆破試驗機結構特點時✘₪，可以使用不同的技術手段↟╃╃☁✘。在明視場模式下使用入射光顯微技術進行大多數調查研究✘₪，而對其他不太常見的反差技術✘₪，例如✘₪，暗場或微分干涉差 (DIC)✘₪，和色採（色調）蝕刻等技術✘₪，正在金相學利用領域擴大光學顯微鏡的使用範圍↟╃╃☁✘。

金屬材料許多重要的宏觀性質對微觀結構高度敏感↟╃╃☁✘。重要的機械效能✘₪，如抗拉強度或伸長率✘₪，和其他熱學或電氣性質✘₪，與微觀結構直接相干↟╃╃☁✘。對微觀結手機螢幕摩擦試驗機構和宏觀性質之間的關係理解✘₪，在材料的開發和製造方面起著關鍵作用✘₪，是金相學的終究目標↟╃╃☁✘。

正如迄今所知✘₪，金相學很大程度上要歸功於 19 世紀科學家亨利·克利夫頓·索爾所做的貢獻✘₪，他橡膠疲勞試驗機對謝菲爾德（英國）採取現代化技術製造的鋼鐵進耐破度試驗機行了首創性研究擊穿電壓試驗機✘₪，突出了微觀結構和宏觀性質之間的密切聯絡↟╃╃☁✘。他在臨終前表示│·：“初期時✘₪，若產生鐵路事故✘₪，我會建議公司帶走鐵軌並使用顯微鏡檢查✘₪，正因這項建議✘₪，我曾被認為是處理此類問題的最好人選↟╃╃☁✘。但是✘₪，目前這類措施已變得非常普遍了…”

久遠卻重要

隨著顯微技術的新發展✘₪，和近來藉助於計算機✘₪，在過數控剝離試驗機去百年中✘₪，金相學已成為科學和工業進步的寶貴工具↟╃╃☁✘。

金相學中✘₪，利用光學顯微鏡最早確立的微觀結構和宏觀性質之間的相干性包括│·：
晶粒尺寸減少✘₪，屈服強度和硬度整體提高各向異性的機械效能與伸長的晶粒及/或優選的晶粒取向夾雜物含量增加✘₪，延展性整體降落夾雜物含量和散佈對疲勞裂焊縫拉伸萬能試驗機紋擴大速率（金屬）及斷裂韌性引數（製陶業）的直接影響故障起始位點與材料不均勻性或微觀結構特點的關聯✘₪，如第2相粒子

透過檢查和肯定材料微觀結構的數量✘₪，可以更好地瞭解其效能↟╃╃☁✘。因此✘₪，在元件使用壽命內✘₪，金相學幾近可用於所有階段│·：從最初的材料開發到檢查▩▩₪··、生產▩▩₪··、製造程序控制✘₪，和故障分析（如需）↟╃╃☁✘。金相學原理有助於確保產品的可靠性↟╃╃☁✘。

圖 1汽車電線刮磨試驗機│·：珠光體灰口鑄鐵

既定且直觀的方法

材料微觀結構的分析✘₪，有助於肯定材料是不是已正確處理✘₪，因此✘₪，在很多行業中✘₪，這通常是1個重要問題↟╃╃☁✘。適當的金相檢驗基本步驟包括│·：取樣▩▩₪··、樣本製備（切片和切割▩▩₪··、安裝▩▩₪··、平面研磨▩▩₪··、粗加工及拋光▩▩₪··、蝕刻）▩▩₪··、顯微視察▩▩₪··、數碼成像和記錄✘₪，和透過體視學和圖象分析方法提取定量的資料↟╃╃☁✘。中顯恆業（香港)有限公司/北京中顯恆業儀器儀表有限公司是光學顯微鏡的專業提供商↟╃╃☁✘。本公司註冊資金501萬元✘₪，在北京▩▩₪··、香港▩▩₪··、鄭州等地均設有營銷服務中心✘₪，具有醫療器械經營企業資質✘₪，依法可經營Ⅱ類▩▩₪··、Ⅲ類醫療器械產品✘₪，2013年公司又獲得進出口權↟╃╃☁✘。客戶涵蓋農林▩▩₪··、醫療▩▩₪··、航天▩▩₪··、航空▩▩₪··、軸承壓力試驗機船舶▩▩₪··、兵工▩▩₪··、機械▩▩₪··、冶金▩▩₪··、電力▩▩₪··、石化▩▩₪··、地質等行業✘₪，在高等院校▩▩₪··、科研院所▩▩₪··、生命科學▩▩₪··、工業材料▩▩₪··、醫療衛生▩▩₪··、農業系統▩▩₪··、畜牧系統▩▩₪··、兵工系統等領域具有相當的知名度與影響力↟╃╃☁✘。中顯恆業是國際知名光學廠家德國Leica光學顯微鏡的1級代理商↟╃╃☁✘。

金相分析的第1步│·：取樣✘₪，這是任何後續研究成功的關鍵│·：待分析樣本必須為被評估的代表性材料↟╃╃☁✘。第2步也一樣重要✘₪，即正確製備金相樣本✘₪，沒有獨特的方式可以到達期望的結果↟╃╃☁✘。

金相歷來被描寫為既是1門科學也是1門藝術✘₪，有此說法的緣由是✘₪，用於顯示材料真實結構的經驗和直覺一樣重要✘₪，且不得引發重大的改變和破壞✘₪，以顯示並顯現可丈量的特點↟╃╃☁✘。

蝕刻是最可能產生變化的步驟✘₪，所以仔細選擇最好的蝕刻成份✘₪，並控制蝕刻溫度和蝕刻時間✘₪，是獲得肯定及可複驗結果的必要條件↟╃╃☁✘。需要屢次的嘗試和毛病的實驗方法✘₪，以便為該步驟找出最好的引數↟╃╃☁✘。

不只是金屬

金屬及其合金在多種技術發展中仍發揮著突出作用✘₪，由於相比任何其他材料組✘₪，其提供的性質範圍更廣↟╃╃☁✘。標準化金屬材料的數量擴大至不計其數✘₪，並且不斷增加✘₪，以滿足新的要求↟╃╃☁✘。

但是✘₪，隨著技術規範的演化✘₪，陶瓷▩▩₪··、聚合物或天然材料已涵蓋於更廣泛的利用範圍✘₪，且金相學已擴大至納入從電子產品到複合材料的新材料↟╃╃☁✘。術語“金相學”現已被更普遍的“材相學”所取代✘₪，用於處理陶瓷製品的“陶瓷相學”或聚合物的“塑性學”↟╃╃☁✘。

與金屬相反✘₪，高性大電池針刺試驗機能或設計製造的陶瓷製品具有較高的硬度值✘₪，即便其為易碎性質↟╃╃☁✘。其他優秀的效能還包括✘₪，出色的高溫效能和在卑劣環境下良好的耐磨損力▩▩₪··、抗氧化或抗腐蝕性↟╃╃☁✘。但是✘₪，這些材料的所有優勢都會遭到化學成份▩▩₪··、雜質和微觀結ht1000摩擦磨損試驗機構的影響↟╃╃☁✘。
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與金相製備類似✘₪，製備陶瓷樣品用於微觀結構研究需要多個步驟✘₪，但各步驟均要求精心挑選引數✘₪，並必須將其進行最佳化✘₪，確保其不但適用於各型別陶瓷製品✘₪，同時也適用於撕裂強度試驗機特殊等級↟╃╃☁✘。這些材料固有的易碎性質使其在製備的各個步驟中✘₪，從切割刀終究的拋光✘₪，可可程式鹽霧試驗機以用金剛石取代傳統的磨料↟╃╃☁✘。由於陶瓷製品的耐化學性✘₪，蝕刻是1項具有挑戰性的步驟錨鏈拉力試驗機↟╃╃☁✘。

超出明場

幾10年來✘₪，光學顯微鏡1直用於深入視察材料的微觀pct試驗機結構↟╃╃☁✘。

明場(BF)照明是金相分析中最經常使用的照明技術↟╃╃☁✘。在入射明場中✘₪，光路來自於光源✘₪，穿過物鏡透鏡✘₪，反射在樣本表面上✘₪，並透過物鏡返回✘₪，且終究照耀至目鏡或照相機✘₪，實現視察的目的↟╃╃☁✘。由於大量入射光反扭矩係數檢測高強螺栓試驗機射到物鏡透鏡上✘₪，致使平面上產生1個明亮的背景✘₪，而當入射光分散並以各種角度反射或乃至部份被吸收時✘₪，非平面上會顯得較暗✘₪，如裂紋▩▩₪··、細孔▩▩₪··、腐蝕的晶界或以明顯反射率為特點✘₪，再如表面上的沉澱物及第2相夾雜物等↟╃╃☁✘。

暗場(DF)是1項不為人知✘₪，但卻有效的照明技術↟╃╃☁✘。暗視照明的光路透過物鏡的外空心環✘₪，以高入射角照耀在樣本上✘₪，反射在表面上✘₪，再穿過物鏡透鏡內部✘₪，並終究照耀不乾膠試拉力試驗機到目鏡或照相機↟╃╃☁✘。這類照明型別致使平面顯現黑暗的狀態✘₪，由於絕大部份以高入射角反射的光並未透過物鏡透鏡內部↟╃╃☁✘。對偶爾顯現非平面特點的樣品✘₪，例如✘₪，裂紋▩▩₪··、細孔安全工器具拉力試驗機和腐蝕的晶界等✘₪，暗檢視象顯示了比非平面特點更亮的黑暗背景✘₪，併發射更多的光至物鏡上↟╃╃☁✘。


明場│·：只有直射光照耀在樣品表面✘₪，而光線在此處被吸收或反射↟╃╃☁✘。圖象的質量引數為亮度▩▩₪··、解析度▩▩₪··、反差和景深↟╃╃☁✘。


暗場│·：僅折射▩▩₪··、衍射或反射的光照耀在樣品表面上↟╃╃☁✘。暗場適用於具有結構表面的所有樣品✘₪，並且還可以在解析度極限以下視察結構↟╃╃☁✘。表面結構可在黑暗背景螺栓拉力試驗機下顯得明亮↟╃╃☁✘。
微分干涉差(電子萬能拉力試驗機DIC)✘₪，亦稱作Nomarski反差✘₪，有助於視察樣本表面的微小高度差✘₪，從而增強反差特點↟╃╃☁✘。DIC 採取 Wollaston 稜鏡✘₪，配合起偏鏡和檢偏鏡✘₪，其傳動軸相互垂直（相交成 90°）↟╃╃☁✘。由稜鏡分割的兩條光波✘₪，經樣本表面反射以後進行干涉✘₪，顯現可見的高度差✘₪，和色彩和紋理產生變化的現象↟╃╃☁✘。
在大多數情況下✘₪，入射光顯微鏡能夠提供最多的所需資訊✘₪，但在有些情況下✘₪，對特定的聚合物和複合材料✘₪，透射光顯微鏡（用於透明材料）及染色劑或染料的使用✘₪，可以實現對微觀結構的深入視察✘₪，而當使用標準的3幢樣品製備及正常的入射照明時✘₪，則沒法視察該樣品的微觀結構↟╃╃☁✘。
由於很多熱固性材料對常見的金相蝕刻劑產生惰性✘₪，因此✘₪，樣品的微觀結構通常可利用傳輸的偏振光進行視察✘₪，以增強離散特點的折射率差異↟╃╃☁✘。
偏振│·：由光波及任何數量的振動方向構成的自然光↟╃╃☁✘。偏振濾光片僅允許與傳輸方向平行的振動光動靜萬能疲勞試驗機波進入↟╃╃☁✘。兩塊起偏鏡相交成 90°✘₪，產生最大消光（變黑）↟╃╃☁✘。如果起偏鏡之間的樣品改變光的振動方向✘₪，則會出現具有雙折射特性的色彩↟╃╃☁✘。


微分干涉差 (DIC)│·：DIC 方法可以視察高度和相位差↟╃╃☁✘。Wollaston 稜鏡將偏振光分化成普通和特別的光波↟╃╃☁✘。這些振動光波呈直角相交✘₪，以不同的速率傳播並相互分開✘₪，這樣能夠取得油封旋轉效能試驗機樣品表面的3維圖象✘₪，雖然沒法從圖象中獲得真實的形貌資訊↟╃╃☁✘。
生活是多姿多彩的
微觀結構的自然色採使用通常在數顯式壓力試驗機金相利用領域中是非常有限的✘₪，但當利用某些光學方法時✘₪，色採卻能夠反應出有用的資訊✘₪，如偏振光或微分干涉差✘₪，或樣品製備方法✘₪，如色採蝕刻↟╃╃☁✘。
偏光顯微鏡對檢查鈦▩▩₪··、鈹▩▩₪··、鈾和鋯等非立方晶體結構金屬非常有用↟╃╃☁✘。遺憾的是✘₪，主要的商用合金（鐵▩▩₪··、銅和鋁）對偏振光其實不敏感✘₪，所以色採或色調蝕刻提供了額外的方法✘₪，以便顯示並辨別微觀結構的特點↟╃╃☁✘。


圖 2│·：枝晶組織有色顆粒



色採（色調）蝕刻劑1般使用化學（浸泡在溶液中）或電化學的方式（浸泡在帶電極的溶液中並施加電）進行✘₪，並在樣本表面產生薄膜✘₪，這通常取決於物體的特點↟╃╃☁✘。薄膜與入射光相互作用並透過干涉產生色採✘₪，其可透過正常的明場照明進行視察✘₪，但利用偏振光和相位延遲（λ片或波片）可以極大地增強上述色採↟╃╃☁✘。另外✘₪，熱著色或氣相沉積是創造干涉膜的另外一種方法↟╃╃☁✘。
在鋼合金中✘₪，被稱為“第2相”的構成部份可以透過蝕刻進行選擇性著色✘₪，從而為辨別和量化上述構成部份提供了方法↟╃╃☁✘。採取色採蝕刻的方法✘₪，辨別鋼中的鐵素體和碳化物✘₪，這是1種常見的方法↟╃╃☁✘。
干涉膜的增長可以在樣品表面產生晶體方向特點✘₪，如顆粒↟╃╃☁✘。對使用標準試劑（以干擾臥式萬能試驗機晶界）進行蝕刻的合金產生了不完全的網路（晶界）✘₪，並且因此可避免數字圖象重建✘₪，由於不同的顆粒方向✘₪，微觀結構的色彩編碼可以確保對待履行的顆粒大小進行分析↟╃╃☁✘。
定量優於定性
定量金相的本源在於光學顯微鏡的利用✘₪，以實現研究金屬合金微觀結構的目的↟╃╃☁✘。材料科學家們必須解決的第1個基本問題是│·：
合金中某些特點的尺寸是多少和存在多少型別的特點₪╃•？合金中存在多少特殊構成部份₪╃•？
圖 3│·：球狀石墨鑄鐵（HC PL Fluotar 10x 物鏡✘₪，明場）↟╃╃☁✘。

多年來✘₪，圖表評級和視覺比較的使用是能夠以半定量陳說的方式來解釋此類問題的唯1途徑↟╃╃☁✘。如今✘₪，現代電動及電腦顯微鏡和圖象分析系統✘₪，為國際或行業標準涵蓋的大多數自動化評價和評估方法✘₪，提供了快速而準確的方法↟╃╃☁✘。
通常在1系列2維圖象上進行丈量✘₪，並且✘₪，可以將丈量分成兩大組│·：1組用於量化離散微粒的尺寸▩▩₪··、形狀及散佈（特點丈量）✘₪，另外1組則與基體組織相干（場丈量）↟╃╃☁✘。
第1組的部份示例包括✘₪，鋼夾雜物含量▩▩₪··、鑄鐵中的石墨分類✘₪，和熱噴塗層或燒結零件中的孔隙度評估↟╃╃☁✘。
視場丈量的常見利用領域包括✘₪，透過擷取或平面丈量的方法測定平均晶粒尺寸✘₪，和透過相位分析評估微觀結構構成部份的體積分數↟╃╃☁✘。利用圖象分析軟體✘₪，可以對單場中的多個相位進行檢測✘₪，並予以量化✘₪，終究以圖形的方式顯現分析結果↟╃╃☁✘。
既微觀又宏觀
在常規質量控制和故障分析或研究中✘₪，通常採取宏觀檢查技術↟╃╃☁✘。1般情況下✘₪，這些技術的準備工作是利用顯微鏡進行視察✘₪，但有時✘₪，也會單獨將其視為驗收或謝絕的標準↟╃╃☁✘。

圖 4│·：鋼的表面硬化↟╃╃☁✘。
宏觀浸蝕檢驗也許是能夠提供最豐富資訊的工具✘₪，這項工具廣泛利用於材料加工或成型諸多階段的質量檢驗工作當中↟╃╃☁✘。隨著體視顯微鏡和多種照明技術的利用✘₪，宏觀浸蝕可以顯示材料微觀結構散佈不均勻✘₪，從而提供針對元件均勻度的整體檢視↟╃╃☁✘。舉幾個例子│·：
因固化或作業（生長模式▩▩₪··、流線和顯帶等）產生的宏觀結構模式焊透深度和熱影響區因固化或作業產生的物理中斷（孔隙和裂縫）化學和電化學表面改性（脫碳▩▩₪··、氧化▩▩₪··、腐蝕和汙染）因淬火的不合規行動致使鋼合金產生表面淬硬（表面硬化）因不當研磨或加工緻使的侵害因過熱或疲勞致使的熱效應
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