金相學——簡介
如何揭示金屬和合金的微觀結(jié)構(gòu)特征
本文概述了金相學和金屬合金的表征。不同的顯微鏡技術(shù)用于研究合金微觀結(jié)構(gòu)，即晶粒、相、夾雜物等的微觀結(jié)構(gòu)。 金相學是從了解合金微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能影響的需要發(fā)展而來的。所獲得的知識可用于合金材料的設計、開發(fā)和制造。
什么是金相學？
金相學是研究所有類型金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)。它可以更準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(jié)構(gòu)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。
不同的技術(shù)被用來揭示金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征。大多數(shù)研究都是在明場模式下使用入射光顯微鏡進行的，但其他不太常見的對比技術(shù)，如暗場或微分干涉對比 (DIC)，以及顏色（色調(diào)）蝕刻的使用正在擴大光學顯微鏡在金相應用中的范圍。
金屬材料的許多重要的宏觀特性對微觀結(jié)構(gòu)高度敏感。關(guān)鍵的機械性能，如拉伸強度或伸長率，以及其他熱或電性能，與微觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系在材料的開發(fā)和制造中起著關(guān)鍵作用，是金相學的最終目標。
正如我們今天所知，金相學在很大程度上歸功于 19 世紀科學家 Henry Clifton Sorby 的貢獻。他在謝菲爾德（英國）的現(xiàn)代鋼鐵制造方面的開創(chuàng)性工作突出了微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的這種密切聯(lián)系。正如他在生命的最后階段所說：“早期，如果發(fā)生鐵路事故，我建議公司拿起一條鐵路并用顯微鏡檢查，我會被視為適合送去精神病院的人。但這就是現(xiàn)在正在做的……”
傳統(tǒng)而重要
連同顯微鏡技術(shù)的新發(fā)展，以及最近在計算的幫助下，金相學已成為過去一百年來科學和工業(yè)進步的寶貴工具。
使用光學顯微鏡在金相學中建立的一些微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間最早的相關(guān)性包括：
隨著晶粒尺寸的減小，屈服強度和硬度普遍增加
具有細長晶粒和/或優(yōu)選晶粒取向的各向異性機械性能
隨著夾雜物含量的增加，延展性降低的總體趨勢
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(shù)（陶瓷）的直接影響
失效起始點與材料不連續(xù)性或微觀結(jié)構(gòu)特征（如第二相顆粒）的關(guān)聯(lián)
通過檢查和量化材料的微觀結(jié)構(gòu)，可以更好地了解其性能。因此，金相學幾乎用于部件生命周期的所有階段：從最初的材料開發(fā)到檢查、生產(chǎn)、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(chǎn)品的可靠性。
珠光體灰色鑄鐵形貌圖
一種既定直觀的方法
分析材料的微觀結(jié)構(gòu)有助于確定材料是否已正確加工，因此通常是許多行業(yè)的關(guān)鍵問題。正確的金相檢驗的基本步驟包括：取樣、試樣制備（切片和切割、鑲嵌、平面磨削、粗拋光和最終拋光、蝕刻）、顯微觀察、數(shù)字成像和記錄，以及通過立體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——對于任何后續(xù)研究的成功都至關(guān)重要：要分析的樣品必須能夠代表被評估的材料。第二個同樣重要的步驟是正確制備金相試樣，這里沒有獨特的方法來獲得所需的結(jié)果。 金相學在傳統(tǒng)上被描述為一門科學和一門藝術(shù)，這種說法的原因在于經(jīng)驗和直覺對于暴露材料的真實結(jié)構(gòu)而不造成重大變化或損壞同等重要，以便揭示和使感興趣的特征變得可測量。 蝕刻可能是變化最大的步驟，因此必須仔細選擇最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(jié)果。通常需要反復試驗的實驗方法來找到該步驟的最佳參數(shù)。
不僅僅是金屬：金相學
金屬及其合金在許多形式的技術(shù)發(fā)展中仍然發(fā)揮著重要作用，因為它們提供的性能范圍比任何其他材料組都要廣泛。標準化金屬材料的數(shù)量已擴展到數(shù)千種，并且還在不斷增加以滿足新的要求。
然而，隨著規(guī)格的發(fā)展，陶瓷、聚合物或天然材料已被添加以涵蓋更廣泛的應用，并且金相學已擴展到包含從電子到復合材料的新材料。術(shù)語“金相學”現(xiàn)在被更通用的“材料學”所取代，以處理陶瓷“陶瓷學”或聚合物“塑性學”。
與金屬相比，高性能或工程陶瓷具有更高的硬度值，盡管它們本質(zhì)上很脆。其他突出的特性包括出色的高溫性能和在侵蝕性環(huán)境中良好的抗磨損、抗氧化或抗腐蝕能力。然而，這些材料所能提供的全部優(yōu)勢受到化學成分（雜質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)）的強烈影響。<
與金相制備類似，必須執(zhí)行連續(xù)步驟來制備用于微觀結(jié)構(gòu)研究的陶瓷樣品，但每一步都需要仔細選擇參數(shù)，并且必須優(yōu)化，不僅針對每種類型的陶瓷，而且針對特定等級.它們固有的脆性使得建議在從切片到最終拋光的每個準備步驟中用金剛石代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨料。由于陶瓷的耐化學性，蝕刻可能是一個挑戰(zhàn)。
超越明場
幾十年來，光學顯微鏡一直被用于深入了解材料的微觀結(jié)構(gòu)。 明場 (BF) 照明是金相分析中最常用的照明技術(shù)。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，最后到達目鏡或相機進行觀察。由于大量入射光反射到物鏡中，平坦的表面會產(chǎn)生明亮的背景，而非平坦的特征，例如裂紋、孔隙、蝕刻的晶界或具有明顯反射率的特征，例如沉淀物和第二相夾雜物由于入射光以各種角度散射和反射，甚至部分吸收，因此表面看起來更暗。 暗場 (DF) 是一種鮮為人知但功能強大的照明技術(shù)。 DF 照明的光路穿過物鏡的外空心環(huán)，以高入射角落在樣品上，從表面反射，然后穿過物鏡內(nèi)部，最后到達目鏡或相機。這種類型的照明會導致平面看起來很暗，因為絕大多數(shù)以高入射角反射的光會錯過物鏡的內(nèi)部。對于具有平坦表面的樣品，偶爾會出現(xiàn)非平坦特征（裂縫、孔隙、蝕刻晶界等），DF 圖像顯示暗背景，具有與非平坦特征相對應的較亮區(qū)域，這會將更多光散射到物鏡中。