如何展现金属与合金材料的微观结构特征？（一）

金相学是研究各类金属合金微观结构的一门学科，其可更准确地定义为观察和确定金属合金中化学和原子结构、构成部分的空间分布、夹杂物或相位的科学学科。广义来说，这些相同的原则可应用于任何材料的表征。

在显示金属的微观结构特征时，可使用不同的技术手段。在明视场模式下使用入射光显微技术进行大多数调查研究，而对于其他不太常见的反差技术，例如，暗场或微分干涉差 (DIC)，以及色彩（色调）蚀刻等技术，正在金相学应用领域扩大光学显微镜的使用范围。

金属材料许多重要的宏观性质对微观结构高度敏感。重要的机械性能，如抗拉强度或伸长率，以及其他热学或电气性质，与微观结构直接相关。对微观结构和宏观性质之间的关系理解，在材料的开发和制造方面起着关键作用，是金相学的最终目标。

正如迄今所知，金相学很大程度上要归功于 19 世纪科学家亨利·克利夫顿·索尔所做的贡献，他对谢菲尔德（英国）采用现代化技术制造的钢铁进行了开创性研究，突出了微观结构和宏观性质之间的密切联系。他在临终前表示：“早期时，若发生铁路事故，我会建议公司带走铁轨并使用显微镜检查，正因这项建议，我曾被认为是处理此类问题的最佳人选。然而，目前这种措施已经变得非常普遍了…”

久远却重要

随着显微技术的新发展，以及近来借助于计算机，在过去百年中，金相学已成为科学和工业进步的宝贵工具。

金相学中，利用光学显微镜最早确立的微观结构和宏观性质之间的相关性包括：

• 晶粒尺寸减少，屈服强度和硬度总体提高

• 各向异性的机械性能与伸长的晶粒及/或优选的晶粒取向

• 夹杂物含量增加，延展性总体下降

• 夹杂物含量和分布对疲劳裂纹扩展速率（金属）及断裂韧性参数（制陶业）的直接影响

• 故障起始位点与材料不均匀性或微观结构特征的关联，如第二相粒子

通过检查和确定材料微观结构的数量，可以更好地了解其性能。因此，在组件使用寿命内，金相学几乎可用于所有阶段：从最初的材料开发到检查、生产、制造过程控制，以及故障分析（如需）。金相学原理有助于确保产品的可靠性。

既定且直观的方法

材料微观结构的分析，有助于确定材料是否已正确处理，因而，在很多行业中，这通常是一个重要问题。适当的金相检验基本步骤包括：取样、样本制备（切片和切割、安装、平面研磨、粗加工及抛光、蚀刻）、显微观察、数码成像和记录，以及通过体视学和图像分析方法提取定量的数据。

金相分析的第一步：取样，这是任何后续研究成功的关键：待分析样本必须为被评估的代表性材料。第二步也同样重要，即正确制备金相样本，没有独特的方式可以达到期望的结果。

金相历来被描述为既是一门科学也是一门艺术，有此说法的原因是，用于显示材料真实结构的经验和直觉同样重要，且不得引起重大的改变和损坏，以显示并呈现可测量的特点。

蚀刻是最可能产生变化的步骤，所以仔细选择最佳的蚀刻成分，并控制蚀刻温度和蚀刻时间，是获取确定及可复验结果的必要条件。需要多次的尝试和错误的实验方法，以便为该步骤找出最佳的参数。

不只是金属

金属及其合金在多种技术发展中仍发挥着突出作用，因为相比任何其他材料组，其提供的性质范围更广。标准化金属材料的数量扩展至成千上万，并且不断增加，以满足新的要求。

然而，随着技术规范的演变，陶瓷、聚合物或天然材料已涵盖于更广泛的应用范围，且金相学已经扩大至纳入从电子产品到复合材料的新材料。术语“金相学”现已被更普遍的“材相学”所取代，用于处理陶瓷制品的“陶瓷相学”或聚合物的“塑性学”。

与金属相反，高性能或设计制造的陶瓷制品具有较高的硬度值，即使其为易碎性质。其他优秀的性能还包括，卓越的高温性能以及在恶劣环境下良好的耐磨损力、抗氧化或抗腐蚀性。但是，这些材料的所有优势都会受到化学成分、杂质以及微观结构的影响。

与金相制备相似，制备陶瓷样品用于微观结构研究需要多个步骤，但各步骤均要求精心挑选参数，并必须将其进行优化，确保其不仅适用于各类型陶瓷制品，同时也适用于特殊等级。这些材料固有的易碎性质使其在制备的各个步骤中，从切割刀最终的抛光，可以用金刚石取代传统的磨料。由于陶瓷制品的耐化学性，蚀刻是一项具有挑战性的步骤。

超越明场

几十年来，光学显微镜一直用于深入观察材料的微观结构。

明场 (BF) 照明是金相分析中最常用的照明技术。在入射明场中，光路来自于光源，穿过物镜透镜，反射在样本表面上，并通过物镜返回，且最终照射至目镜或照相机，实现观察的目的。由于大量入射光反射到物镜透镜上，导致平面上产生一个明亮的背景，而当入射光分散并以各种角度反射或甚至部分被吸收时，非平面上会显得较暗，如裂纹、细孔、腐蚀的晶界或以明显反射率为特征，再如表面上的沉淀物及第二相夹杂物等。

暗场 (DF) 是一项鲜为人知，但却有效的照明技术。暗视照明的光路通过物镜的外空心环，以高入射角照射在样本上，反射在表面上，再穿过物镜透镜内部，并最终照射到目镜或照像机。这种照明类型导致平面呈现黑暗的状况，因为绝大部分以高入射角反射的光并未通过物镜透镜内部。对偶尔呈现非平面特征的样品，例如，裂纹、细孔以及腐蚀的晶界等，暗视图像显示了比非平面特征更亮的黑暗背景，并发射更多的光至物镜上。