如何展現金屬與合金材料的微觀結構特征？（一）

金相學是研究各類金屬合金微觀結構的一門學科，其可更準確地定義為觀察和確定金屬合金中化學和原子結構、構成部分的空間分布、夾雜物或相位的科學學科。廣義來說，這些相同的原則可應用于任何材料的表征。

在顯示金屬的微觀結構特征時，可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，而對于其他不太常見的反差技術，例如，暗場或微分干涉差 (DIC)，以及色彩（色調）蝕刻等技術，正在金相學應用領域擴大光學顯微鏡的使用范圍。

金屬材料許多重要的宏觀性質對微觀結構高度敏感。重要的機械性能，如抗拉強度或伸長率，以及其他熱學或電氣性質，與微觀結構直接相關。對微觀結構和宏觀性質之間的關系理解，在材料的開發和制造方面起著關鍵作用，是金相學的最終目標。

正如迄今所知，金相學很大程度上要歸功于 19 世紀科學家亨利·克利夫頓·索爾所做的貢獻，他對謝菲爾德（英國）采用現代化技術制造的鋼鐵進行了開創性研究，突出了微觀結構和宏觀性質之間的密切聯系。他在臨終前表示：“早期時，若發生鐵路事故，我會建議公司帶走鐵軌并使用顯微鏡檢查，正因這項建議，我曾被認為是處理此類問題的最佳人選。然而，目前這種措施已經變得非常普遍了…”

久遠卻重要

隨著顯微技術的新發展，以及近來借助于計算機，在過去百年中，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關性包括：

• 晶粒尺寸減少，屈服強度和硬度總體提高

• 各向異性的機械性能與伸長的晶粒及/或優選的晶粒取向

• 夾雜物含量增加，延展性總體下降

• 夾雜物含量和分布對疲勞裂紋擴展速率（金屬）及斷裂韌性參數（制陶業）的直接影響

• 故障起始位點與材料不均勻性或微觀結構特征的關聯，如第二相粒子

通過檢查和確定材料微觀結構的數量，可以更好地了解其性能。因此，在組件使用壽命內，金相學幾乎可用于所有階段：從最初的材料開發到檢查、生產、制造過程控制，以及故障分析（如需）。金相學原理有助于確保產品的可靠性。

既定且直觀的方法

材料微觀結構的分析，有助于確定材料是否已正確處理，因而，在很多行業中，這通常是一個重要問題。適當的金相檢驗基本步驟包括：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、數碼成像和記錄，以及通過體視學和圖像分析方法提取定量的數據。

金相分析的第一步：取樣，這是任何后續研究成功的關鍵：待分析樣本必須為被評估的代表性材料。第二步也同樣重要，即正確制備金相樣本，沒有獨特的方式可以達到期望的結果。

金相歷來被描述為既是一門科學也是一門藝術，有此說法的原因是，用于顯示材料真實結構的經驗和直覺同樣重要，且不得引起重大的改變和損壞，以顯示并呈現可測量的特點。

蝕刻是最可能產生變化的步驟，所以仔細選擇最佳的蝕刻成分，并控制蝕刻溫度和蝕刻時間，是獲取確定及可復驗結果的必要條件。需要多次的嘗試和錯誤的實驗方法，以便為該步驟找出最佳的參數。

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，因為相比任何其他材料組，其提供的性質范圍更廣。標準化金屬材料的數量擴展至成千上萬，并且不斷增加，以滿足新的要求。

然而，隨著技術規范的演變，陶瓷、聚合物或天然材料已涵蓋于更廣泛的應用范圍，且金相學已經擴大至納入從電子產品到復合材料的新材料。術語“金相學”現已被更普遍的“材相學”所取代，用于處理陶瓷制品的“陶瓷相學”或聚合物的“塑性學”。

與金屬相反，高性能或設計制造的陶瓷制品具有較高的硬度值，即使其為易碎性質。其他優秀的性能還包括，卓越的高溫性能以及在惡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受到化學成分、雜質以及微觀結構的影響。

與金相制備相似，制備陶瓷樣品用于微觀結構研究需要多個步驟，但各步驟均要求精心挑選參數，并必須將其進行優化，確保其不僅適用于各類型陶瓷制品，同時也適用于特殊等級。這些材料固有的易碎性質使其在制備的各個步驟中，從切割刀最終的拋光，可以用金剛石取代傳統的磨料。由于陶瓷制品的耐化學性，蝕刻是一項具有挑戰性的步驟。

超越明場

幾十年來，光學顯微鏡一直用于深入觀察材料的微觀結構。

明場 (BF) 照明是金相分析中最常用的照明技術。在入射明場中，光路來自于光源，穿過物鏡透鏡，反射在樣本表面上，并通過物鏡返回，且最終照射至目鏡或照相機，實現觀察的目的。由于大量入射光反射到物鏡透鏡上，導致平面上產生一個明亮的背景，而當入射光分散并以各種角度反射或甚至部分被吸收時，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征，再如表面上的沉淀物及第二相夾雜物等。

暗場 (DF) 是一項鮮為人知，但卻有效的照明技術。暗視照明的光路通過物鏡的外空心環，以高入射角照射在樣本上，反射在表面上，再穿過物鏡透鏡內部，并最終照射到目鏡或照像機。這種照明類型導致平面呈現黑暗的狀況，因為絕大部分以高入射角反射的光并未通過物鏡透鏡內部。對偶爾呈現非平面特征的樣品，例如，裂紋、細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，并發射更多的光至物鏡上。