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本文概述了金相學(xué)和金屬合金的特征分析。合金微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究使用到不同的顯微觀(guān)察技術(shù)，即晶粒、相、夾雜物等的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。金相學(xué)是從了解合金微觀(guān)組織對(duì)宏觀(guān)性能影響發(fā)展而來(lái)的一門(mén)學(xué)科。所獲得的知識(shí)可用于合金材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造。
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(guān)結(jié)構(gòu)和宏觀(guān)性能之間的一些早期關(guān)聯(lián)包括：
粒度下降普遍伴隨屈服強(qiáng)度的提高
具有延伸晶粒和/或擇優(yōu)晶粒取向的各向異性力學(xué)性能
夾雜物含量提高時(shí)存在著塑性普遍降低的趨勢(shì)
夾雜物含量和分布對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率（金屬）和斷裂韌性參數(shù)（陶瓷）有直接影響
失效起始部位與材料不連續(xù)或微觀(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之間存在著關(guān)聯(lián)，例如第二相晶粒。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。
[Translate to chinese:] 圖1：珠光體灰鑄鐵
對(duì)材料微觀(guān)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(guān)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。
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。
蝕刻是可變性最大的步驟，因此必須仔細(xì)選擇最佳蝕刻劑，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)確定該刻蝕的最佳參數(shù)。
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(mǎn)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(guān)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(lèi)似，陶瓷樣本制備進(jìn)行微觀(guān)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(lèi)型的陶瓷，而且針對(duì)特定等級(jí)。由于其固有的脆性，建議在從切片到最終拋光的每一個(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)。
光學(xué)顯微鏡在觀(guān)察材料微觀(guān)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)中最為常見(jiàn)的觀(guān)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(guān)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，最后到達(dá)目鏡或照相機(jī)。這種類(lèi)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。
明場(chǎng)：只直接落在樣本表面并在表面吸收或反射的光線(xiàn)。圖像質(zhì)量參數(shù)由亮度、分辨率、對(duì)比度和景深。
差分干涉對(duì)比度（DIC）又稱(chēng)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(jiàn)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(guān)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(guān)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(guān)察樣本的微觀(guān)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)生最大消光（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。
微分干涉對(duì)比度（DIC）：DIC可觀(guān)察到高度差和相差。渥拉斯登棱鏡將偏振光分為普通波和特殊波。這些波彼此成直角振動(dòng)，以不同的速率傳播，在物理上是分離的。這將生成樣本曲面的三維圖像，盡管無(wú)法從中獲得真實(shí)的形貌信息。
微觀(guān)結(jié)構(gòu)的本色在金相學(xué)中的應(yīng)用通常非常有限，但是當(dāng)利用某些光學(xué)方法（如偏振光或DIC）或樣品制備方法（如彩色蝕刻）時(shí)，顏色可以顯示有用的信息。
偏振光顯微術(shù)對(duì)于檢查非立方晶體結(jié)構(gòu)與金屬（如Ti、Be、U和Zr）非常有幫助。遺憾的是，主要的商用合金（Fe、Cu、Al）對(duì)偏振光不敏感，因此彩色或著色蝕刻提供了一種額外的方法來(lái)揭示和辨別微觀(guān)結(jié)構(gòu)中的特征。
圖2：樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的彩色晶粒
顏色（色調(diào)）蝕刻劑通常采用化學(xué)方法（浸泡在溶液中）或電化學(xué)方法（浸泡在帶有電極和外加電位的溶液中），在樣品表面產(chǎn)生薄膜，這通常取決于特征。薄膜與反射光相互作用并通過(guò)干涉產(chǎn)生顏色，這在正常明場(chǎng)照明下可以觀(guān)察到，但是通過(guò)偏振光和相位延遲（λ或波片）可以顯著增強(qiáng)。另外，熱著色或氣相沉積是產(chǎn)生干涉膜的替代方法。
在鋼合金中，所謂的“第二相"成分可以通過(guò)蝕刻選擇性地著色，這提供了一種分別識(shí)別和量化它們的方法。用彩色蝕刻法鑒別鋼中的鐵素體和碳化物是一種常用的方法。
干涉膜的生長(zhǎng)可以是樣品表面特征（如晶粒）晶體取向的函數(shù)。對(duì)于用標(biāo)準(zhǔn)試劑蝕刻（侵蝕晶界）產(chǎn)生不完整網(wǎng)絡(luò)（晶界）從而阻止數(shù)字圖像重建的合金，由于不同晶粒取向?qū)е碌奈⒂^(guān)結(jié)構(gòu)顏色編碼允許進(jìn)行粒度分析。
定量金相學(xué)的起源在于應(yīng)用光學(xué)顯微鏡研究金屬合金的顯微組織。材料科學(xué)家必須解決的第一個(gè)基本問(wèn)題是：
合金中某些特征性尺寸是多少，總共有多少這種類(lèi)型的特征？
合金當(dāng)中存在多少特定成分？
顏色（色調(diào)）蝕刻劑通常采用化學(xué)方法（浸泡在溶液中）或電化學(xué)方法（浸泡在帶有電極和外加電位的溶液中），在樣品表面產(chǎn)生薄膜，這通常取決于特征。薄膜與反射光相互作用并通過(guò)干涉產(chǎn)生顏色，這在正常明場(chǎng)照明下可以觀(guān)察到，但是通過(guò)偏振光和相位延遲（λ或波片）可以顯著增強(qiáng)。另外，熱著色或氣相沉積是產(chǎn)生干涉膜的替代方法。
在鋼合金中，所謂的“第二相"成分可以通過(guò)蝕刻選擇性地著色，這提供了一種分別識(shí)別和量化它們的方法。用彩色蝕刻法鑒別鋼中的鐵素體和碳化物是一種常用的方法。
干涉膜的生長(zhǎng)可以是樣品表面特征（如晶粒）晶體取向的函數(shù)。對(duì)于用標(biāo)準(zhǔn)試劑蝕刻（侵蝕晶界）產(chǎn)生不完整網(wǎng)絡(luò)（晶界）從而阻止數(shù)字圖像重建的合金，由于不同晶粒取向?qū)е碌奈⒂^(guān)結(jié)構(gòu)顏色編碼允許進(jìn)行粒度分析。
圖3：含有球狀石墨的球墨鑄鐵（HC PL Fluotar 10倍物鏡，明場(chǎng)）
多年來(lái)，使用圖表評(píng)級(jí)和視覺(jué)比較是能夠用半定量描述回答這些問(wèn)題的方法。如今，現(xiàn)代的電動(dòng)化和計(jì)算機(jī)化顯微鏡和圖像分析系統(tǒng)為自動(dòng)化國(guó)際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的大多數(shù)評(píng)價(jià)和評(píng)估方法提供了快速和準(zhǔn)確的手段。
測(cè)量通常在一系列二維圖像上進(jìn)行，可分為兩大類(lèi)：用于量化離散晶粒的大小、形狀和分布的測(cè)量（特征測(cè)量）和與基體微觀(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)的測(cè)量（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量）。
第一組的幾個(gè)例子是鋼中夾雜物含量的測(cè)定、鑄鐵中石墨的分類(lèi)以及熱噴涂涂層或燒結(jié)零件中孔隙度的評(píng)估。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的常見(jiàn)應(yīng)用是通過(guò)截取法或平面法確定平均晶粒尺寸，以及通過(guò)相分析估計(jì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)成分的體積分?jǐn)?shù)。使用圖像分析軟件，多個(gè)相位狀態(tài)都可以在單一的視野中進(jìn)行檢測(cè)、量化并以圖形表示。
宏觀(guān)檢驗(yàn)技術(shù)經(jīng)常用于常規(guī)質(zhì)量控制以及失效分析或研究。這些技術(shù)通常是顯微觀(guān)察的前奏，但有時(shí)也可以單獨(dú)用作接受或拒絕的標(biāo)準(zhǔn)。
圖4：鋼的表面硬化。
宏觀(guān)蝕刻試驗(yàn)可能是該組內(nèi)信息量最大的工具并且廣泛用于材料加工或成形的許多階段的質(zhì)量檢驗(yàn)。借助于體視顯微鏡和各種各樣的照明模式，而宏觀(guān)刻蝕通過(guò)揭示材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)中缺乏均勻性來(lái)提供組件均勻度的整體視圖。其中部分舉例如下：
凝固或加工產(chǎn)生的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)模式（生長(zhǎng)模式、流線(xiàn)、帶狀等）
焊縫熔深和熱影響區(qū)
由于凝固或工作引起的物理不連續(xù)性（孔隙、裂紋）
化學(xué)和電化學(xué)表面改性（脫碳、氧化、腐蝕、污染）
由于淬火不規(guī)則，鋼合金或鋼型的表面硬化深度（表面硬化）
磨削或加工不當(dāng)造成的損壞
過(guò)熱或疲勞引起的熱效應(yīng)
金屬合金由于其廣泛的性能，在許多技術(shù)和應(yīng)用中發(fā)揮著突出的作用。目前有幾千種標(biāo)準(zhǔn)化合金可供選擇，隨著新需求的發(fā)展可能需要新的合金，這一數(shù)字還在持續(xù)增長(zhǎng)。
金相學(xué)是對(duì)合金微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究，合金微觀(guān)結(jié)構(gòu)包括：相態(tài)、夾雜物和其他成分的微觀(guān)空間分布。人們使用了各種技術(shù)（通常采用顯微鏡技術(shù)）來(lái)揭示合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。
合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)其許多重要的宏觀(guān)性能有重要影響，如抗拉強(qiáng)度、延伸率和熱導(dǎo)率或?qū)щ娐?。?duì)微觀(guān)組織和合金性能之間關(guān)系的透徹理解是金相學(xué)領(lǐng)域的根本原因。金相學(xué)知識(shí)用于冶金（合金設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)）和合金生產(chǎn)。
但同時(shí)，人們也開(kāi)發(fā)出了多種多樣的陶瓷和聚合物材料來(lái)滿(mǎn)足諸多不同的應(yīng)用。金相學(xué)的基本原理可以應(yīng)用到所有材料的特征分析當(dāng)中。因此，更通用的術(shù)語(yǔ)“材料學(xué)"開(kāi)始取代金相學(xué)。
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