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本(ben)文概述了(le)金相(xiang)學和(he)金屬合金的(de)特征分(fen)析。合金微(wei)觀結構的(de)研究使用(yong)(yong)到(dao)不同(tong)的(de)顯微(wei)觀察技術，即晶粒、相(xiang)、夾雜物等的(de)微(wei)觀結構。金相(xiang)學是從了(le)解合金微(wei)觀組織(zhi)對宏觀性能影響發展而來的(de)一(yi)門學科。所(suo)獲(huo)得的(de)知識可用(yong)(yong)于(yu)合金材料的(de)設計、開發和(he)制造。
近(jin)百年來，隨著顯微(wei)鏡技(ji)術(shu)的新發(fa)展(zhan)以及最(zui)近(jin)計(ji)算(suan)機技(ji)術(shu)的發(fa)展(zhan)，金(jin)相學(xue)已經成為推動科學(xue)和(he)工業進步(bu)的一個(ge)非常寶貴的工具。
利用光學顯微鏡在金相學中(zhong)建立的微觀結構(gou)和宏觀性能之間的一些(xie)早期關聯包(bao)括：
粒(li)度下降普遍伴隨屈(qu)服強(qiang)度的提高
具有延伸(shen)晶粒和/或擇優(you)晶粒取(qu)向的各(ge)向異性(xing)力學(xue)性(xing)能
夾雜物含(han)量提高時存在著塑(su)性普遍降(jiang)低(di)的趨勢
夾雜物(wu)含量(liang)和分(fen)布對疲勞裂紋擴展速率(lv)（金(jin)屬）和斷裂韌(ren)性參數（陶(tao)瓷）有直接(jie)影響
失效起始部位與材料不連續或微觀結構特點之(zhi)間存在著關(guan)聯(lian)，例如第二相晶粒(li)。結構可以更(geng)好(hao)地(di)了解材料(liao)(liao)的性能(neng)。因此，金相學幾乎涉(she)及零部(bu)件壽命的所有(you)階段(duan)內均有(you)使用：從初期材料(liao)(liao)研發到檢(jian)驗、生(sheng)產、制(zhi)造工(gong)藝甚至所需的缺(que)陷分析。金相學的原則就(jiu)是要(yao)確保產品可靠性。
[Translate to chinese:] 圖(tu)1：珠光體灰鑄鐵
對材料微觀結構的分(fen)析有(you)助于確(que)定材料是(shi)否正確(que)加工(gong)，因此在許多行業中是(shi)一個(ge)關(guan)鍵問題。正確(que)的金(jin)相檢驗(yan)基(ji)本步驟包括：取樣、試樣制備（切(qie)片(pian)和切(qie)割、裝配、平面研磨、粗拋光(guang)、細拋光(guang)，蝕刻）、顯微觀察、數字成像和記錄，以及通過體視學或圖像分(fen)析方法提取定量(liang)數據。
金相分(fen)(fen)析的(de)第一步(bu)(bu) - 取樣(yang)(yang) – 是(shi)任何后(hou)續研(yan)究(jiu)的(de)成功都至關重要：待(dai)分(fen)(fen)析的(de)試樣(yang)(yang)必(bi)須代表被評估的(de)材(cai)料(liao)。第二個同樣(yang)(yang)重要的(de)步(bu)(bu)驟是(shi)正(zheng)確制備金相試樣(yang)(yang)。
金相學是(shi)科學也是(shi)藝(yi)術，原因就在于(yu)其揭示材(cai)料的真實結構而不造成重大變(bian)化或損(sun)壞，從而展現(xian)和測量那些感興趣的特(te)征。
蝕(shi)(shi)刻(ke)是可變性最(zui)(zui)(zui)大的步(bu)驟，因此必須仔細選擇(ze)最(zui)(zui)(zui)佳(jia)蝕(shi)(shi)刻(ke)劑，并控(kong)制蝕(shi)(shi)刻(ke)溫度(du)和蝕(shi)(shi)刻(ke)時(shi)間，確保獲得可靠且可再現的結果。通常(chang)需要進(jin)行反復試驗(yan)來確定該刻(ke)蝕(shi)(shi)的最(zui)(zui)(zui)佳(jia)參數。
金(jin)屬及其合金(jin)在各個技術領域發展中(zhong)仍(reng)然發揮著突出作用，因為它們和任(ren)何其他(ta)材料相比具有(you)更廣(guang)泛的(de)性能。標準化(hua)金(jin)屬材料的(de)數量已(yi)經擴(kuo)展到了幾(ji)千種(zhong)，并仍(reng)在不斷增加以滿足新的(de)要(yao)求(qiu)。
但隨著(zhu)技術規格的演(yan)進(jin)發展，陶瓷、聚合(he)(he)物(wu)或(huo)天然材料已(yi)被添加到(dao)(dao)更廣泛的應用中，金(jin)相(xiang)學(xue)(xue)(xue)已(yi)擴展到(dao)(dao)包括從電子(zi)到(dao)(dao)復合(he)(he)材料的新材料。“金(jin)相(xiang)學(xue)(xue)(xue)"正(zheng)在(zai)被更普遍的“材料學(xue)(xue)(xue)"所取代，也涉(she)及陶瓷“陶瓷學(xue)(xue)(xue)"或(huo)聚合(he)(he)物(wu)“塑性(xing)學(xue)(xue)(xue)"。
與金(jin)屬不同(tong)，高性(xing)(xing)(xing)能或工(gong)程設計的(de)(de)陶瓷(ci)硬度更(geng)(geng)高，即(ji)便本質上更(geng)(geng)易碎。其性(xing)(xing)(xing)能更(geng)(geng)突(tu)出，包括(kuo)優(you)良的(de)(de)高溫(wen)性(xing)(xing)(xing)能、良好的(de)(de)耐(nai)磨性(xing)(xing)(xing)、抗(kang)氧化性(xing)(xing)(xing)及在(zai)腐蝕環境中的(de)(de)蝕刻性(xing)(xing)(xing)。然(ran)而，這些材料的(de)(de)化學(xue)成分（雜(za)質）和微觀(guan)結構會(hui)直接影響(xiang)其這些性(xing)(xing)(xing)能優(you)勢。
與(yu)金相制品類(lei)似，陶瓷(ci)樣本制備進行(xing)微觀結構(gou)研究時必須(xu)進行(xing)連續步(bu)驟(zou)，但每(mei)個步(bu)驟(zou)都需要仔(zi)細選擇參數，并(bing)且必須(xu)進行(xing)優化，不(bu)僅針對每(mei)種(zhong)類(lei)型的陶瓷(ci)，而且針對特(te)定等級。由于其(qi)(qi)固有(you)的脆性，建議在從切片到最(zui)終拋光的每(mei)一個準(zhun)備步(bu)驟(zou)中用金剛石代替傳(chuan)統磨料。考慮到陶瓷(ci)的耐化學性，其(qi)(qi)蝕刻處理會是一大(da)挑(tiao)戰。
光學(xue)顯微鏡在觀(guan)察(cha)材料微觀(guan)結構方(fang)面的應用已有數十(shi)年。.
明場（BF）照(zhao)明是(shi)金相學分析當(dang)中最為常見的觀察(cha)方式。在反射(she)(she)明場(chang)中，來自光(guang)(guang)源的光(guang)(guang)路會(hui)(hui)穿過物(wu)鏡(jing)并(bing)在樣本表(biao)面(mian)上反射(she)(she)再返(fan)回經過物(wu)鏡(jing)，最終(zhong)抵達目鏡(jing)或攝像頭(tou)進行(xing)觀察(cha)。由于反射(she)(she)光(guang)(guang)進入物(wu)鏡(jing)后(hou)產生了大量的光(guang)(guang)反射(she)(she)，光(guang)(guang)滑平坦的表(biao)面(mian)就會(hui)(hui)形成一個非(fei)常明亮(liang)的背景，那些不平整的表(biao)面(mian)特征，如裂紋，氣孔，蝕(shi)刻晶(jing)界，或具有(you)(you)高(gao)反射(she)(she)性的特征物(wu)質，如沉淀物(wu)，二(er)相夾雜(za)物(wu)等，反射(she)(she)光(guang)(guang)會(hui)(hui)有(you)(you)不同角度的反射(she)(she)和(he)散射(she)(she)甚至被部(bu)分吸收，這(zhe)些特征就會(hui)(hui)顯(xian)得(de)更暗。
暗場（DF）則是(shi)人(ren)們鮮少了解但(dan)相(xiang)當強大(da)的(de)照明技術(shu)。暗場照明的(de)光路(lu)通(tong)過物(wu)(wu)鏡的(de)外空心環(huan)（暗場環(huan)），以(yi)高(gao)(gao)角(jiao)度(du)入(ru)射到樣本(ben)上，從(cong)表面反(fan)(fan)射，然(ran)后通(tong)過物(wu)(wu)鏡的(de)內部(bu)，最(zui)后到達目鏡或照相(xiang)機。這(zhe)種(zhong)類(lei)型的(de)照明會使(shi)平面看起來(lai)很暗，因為在(zai)高(gao)(gao)入(ru)射角(jiao)反(fan)(fan)射的(de)絕大(da)多數光都無(wu)法通(tong)過物(wu)(wu)鏡內的(de)鏡片(pian)。對于表面平整(zheng)且偶爾出現非(fei)平整(zheng)特征（裂紋、氣孔、蝕刻(ke)晶界等(deng)）的(de)樣本(ben)，暗場像顯示的(de)背(bei)景較暗，而與非(fei)平整(zheng)特征相(xiang)對應的(de)區域較亮形(xing)成對比。
明場：只直(zhi)接落在樣本表面(mian)并(bing)在表面(mian)吸收或反射的光(guang)線。圖像質量參(can)數(shu)由亮度(du)、分辨(bian)率(lv)、對比(bi)度(du)和(he)景深。
差分干涉對比(bi)度(du)（DIC）又稱為Nomarski對比(bi)，可(ke)幫助看(kan)清樣本表面上較(jiao)小的高度(du)差(cha)，因(yin)此可(ke)增強特(te)征對比(bi)。DIC使用渥拉斯登棱(leng)鏡以(yi)及起偏器(qi)和驗偏器(qi)，其透射軸相互垂直（以(yi)90°交叉(cha)）。棱(leng)鏡分裂的兩個光波在樣本表面反射后發生(sheng)干(gan)涉，使高度(du)差(cha)成為可(ke)見的顏色和紋理變(bian)化。
通(tong)常(chang)情況下，反射光路(lu)顯(xian)微(wei)鏡提供了大(da)部分數所需觀察的(de)信(xin)息，但在某些(xie)(xie)情況下，尤其是聚(ju)合物和(he)復合材料，那些(xie)(xie)用(yong)(yong)(yong)標準樣品制備方法(fa)和(he)反射光路(lu)顯(xian)微(wei)鏡可能無法(fa)獲得全部所需要的(de)信(xin)息，這時使用(yong)(yong)(yong)透射光路(lu)顯(xian)微(wei)鏡（用(yong)(yong)(yong)于透明材料）和(he)色素或染料，能夠幫助(zhu)獲得那些(xie)(xie)被隱藏的(de)微(wei)觀結(jie)構(gou)。
由于很多熱固性材料對常用的(de)金相蝕刻劑無(wu)反(fan)應，因此(ci)能夠增強離散(san)特性中折射率(lv)差異的(de)透射偏振光通(tong)常能夠很好地觀(guan)察樣本(ben)的(de)微(wei)觀(guan)結構。
偏光：自(zi)然光(guang)(guang)由具有任意多個振動方(fang)向的光(guang)(guang)波組成。偏振光(guang)(guang)濾片只能讓(rang)光(guang)(guang)波平行(xing)于傳輸方(fang)向振動。兩個偏鏡以90°交叉產(chan)生最(zui)大消光(guang)(guang)（變(bian)暗）。如(ru)果(guo)偏振器之間的樣(yang)本改變(bian)了光(guang)(guang)的振動方(fang)向，就(jiu)會出現特征性的雙折射顏色。
微分干涉對比度（DIC）：DIC可觀察到高度差和相差。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，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，盡管無法從中獲得真實的形貌信息。
微(wei)觀(guan)結(jie)構的本色在金相學(xue)中的應用通常非常有(you)限，但(dan)是當利用某些光學(xue)方法（如(ru)偏振光或(huo)DIC）或(huo)樣品制備(bei)方法（如(ru)彩色蝕刻(ke)）時，顏(yan)色可以顯示有(you)用的信息(xi)。
偏(pian)振(zhen)光顯微術對(dui)于(yu)檢查(cha)非立方晶體結構與金(jin)屬（如Ti、Be、U和Zr）非常有幫助(zhu)。遺憾的(de)(de)(de)是，主要的(de)(de)(de)商用(yong)合金(jin)（Fe、Cu、Al）對(dui)偏(pian)振(zhen)光不(bu)敏感(gan)，因(yin)此彩色或著(zhu)色蝕刻提供了一種額(e)外的(de)(de)(de)方法(fa)來揭(jie)示和辨別微觀結構中的(de)(de)(de)特(te)征。
圖2：樹枝狀結(jie)構的彩色晶粒
顏(yan)色（色調）蝕(shi)刻劑通常(chang)(chang)采用化學方法(fa)（浸泡在溶液中）或(huo)(huo)電(dian)(dian)化學方法(fa)（浸泡在帶有電(dian)(dian)極和外加電(dian)(dian)位的溶液中），在樣品表面(mian)產(chan)生(sheng)薄膜(mo)，這通常(chang)(chang)取決于特征。薄膜(mo)與反(fan)射光相互作用并通過(guo)干(gan)涉產(chan)生(sheng)顏(yan)色，這在正常(chang)(chang)明場照明下(xia)可以(yi)觀(guan)察到，但是通過(guo)偏(pian)振光和相位延遲（λ或(huo)(huo)波片）可以(yi)顯著(zhu)增強。另外，熱著(zhu)色或(huo)(huo)氣相沉積是產(chan)生(sheng)干(gan)涉膜(mo)的替代方法(fa)。
在鋼合金中，所謂的(de)“第二相"成分可以(yi)通過蝕(shi)刻選擇(ze)性地(di)著色(se)，這提(ti)供了一(yi)種分別識別和量化它們的(de)方法(fa)。用彩(cai)色(se)蝕(shi)刻法(fa)鑒別鋼中的(de)鐵素體和碳化物是一(yi)種常用的(de)方法(fa)。
干涉(she)膜(mo)的生(sheng)長可(ke)以是(shi)樣品表面特征（如晶(jing)粒）晶(jing)體取(qu)向的函數。對于(yu)用標準試劑蝕(shi)刻（侵蝕(shi)晶(jing)界）產生(sheng)不完整網絡（晶(jing)界）從而阻(zu)止(zhi)數字圖像重建的合金，由于(yu)不同(tong)晶(jing)粒取(qu)向導致的微(wei)觀結構顏色(se)編碼允許進行粒度分析。
定量(liang)金(jin)相學的起(qi)源在于應用光學顯(xian)(xian)微鏡(jing)研究金(jin)屬合金(jin)的顯(xian)(xian)微組(zu)織。材(cai)料科學家必須解決(jue)的第一個基本問題是：
合金(jin)中(zhong)某些特征性尺寸是(shi)多少(shao)，總共有(you)多少(shao)這種類(lei)型的特征？
合金當中存在多少特定(ding)成分？
顏(yan)色（色調）蝕刻劑通(tong)(tong)常(chang)采用化(hua)學方法(fa)（浸泡在溶(rong)液中(zhong)）或電(dian)化(hua)學方法(fa)（浸泡在帶有電(dian)極和外加電(dian)位(wei)的溶(rong)液中(zhong)），在樣品(pin)表面(mian)產生薄膜，這通(tong)(tong)常(chang)取決(jue)于特征。薄膜與反射(she)光相(xiang)互作用并通(tong)(tong)過干涉產生顏(yan)色，這在正(zheng)常(chang)明場照(zhao)明下可以觀(guan)察到，但是通(tong)(tong)過偏振光和相(xiang)位(wei)延(yan)遲（λ或波片）可以顯著增強。另外，熱著色或氣相(xiang)沉積是產生干涉膜的替代方法(fa)。
在鋼合(he)金中(zhong)，所謂的“第二(er)相"成分可以通過蝕(shi)刻選擇性地著(zhu)色，這提供了一種(zhong)分別識別和量化(hua)它們的方(fang)法(fa)。用(yong)彩色蝕(shi)刻法(fa)鑒別鋼中(zhong)的鐵(tie)素體和碳化(hua)物是(shi)一種(zhong)常(chang)用(yong)的方(fang)法(fa)。
干涉膜(mo)的(de)生(sheng)長可以是樣(yang)品表面特征（如晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒）晶(jing)(jing)(jing)(jing)體取(qu)向(xiang)的(de)函數(shu)。對于用標準試劑蝕刻（侵蝕晶(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)）產生(sheng)不(bu)(bu)完整網絡（晶(jing)(jing)(jing)(jing)界(jie)）從而阻止數(shu)字圖像重建的(de)合金，由于不(bu)(bu)同(tong)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒取(qu)向(xiang)導致的(de)微(wei)觀(guan)結構顏色編碼允許進行(xing)粒度(du)分析。
圖3：含有球狀(zhuang)石墨的球墨鑄(zhu)鐵（HC PL Fluotar 10倍物鏡，明場）
多年來，使用(yong)圖(tu)表評(ping)級和(he)視覺比(bi)較是能夠用(yong)半定量描述回答這些(xie)問題的方法。如今(jin)，現代的電(dian)動化(hua)和(he)計算機(ji)化(hua)顯微(wei)鏡(jing)和(he)圖(tu)像(xiang)分析(xi)系統為自(zi)動化(hua)國際或行業(ye)標準所涵蓋的大多數(shu)評(ping)價和(he)評(ping)估方法提供(gong)了快速(su)和(he)準確的手段。
測(ce)量(liang)(liang)(liang)通(tong)常在(zai)一系列二維圖像上(shang)進行，可分為兩大類：用(yong)于量(liang)(liang)(liang)化離散晶(jing)粒的大小、形(xing)狀和分布的測(ce)量(liang)(liang)(liang)（特(te)征測(ce)量(liang)(liang)(liang)）和與基體微觀結構相關的測(ce)量(liang)(liang)(liang)（現場測(ce)量(liang)(liang)(liang)）。
第一組的幾個例子是鋼中(zhong)(zhong)夾雜物含量的測定、鑄鐵中(zhong)(zhong)石墨的分類以及熱噴涂(tu)(tu)涂(tu)(tu)層或(huo)燒結零件中(zhong)(zhong)孔(kong)隙(xi)度的評估。
現場測量的常見(jian)應用(yong)是(shi)通過截取法(fa)或平面法(fa)確定平均(jun)晶粒(li)尺寸，以(yi)(yi)及通過相分(fen)析(xi)估計微觀結構成分(fen)的體積分(fen)數。使(shi)用(yong)圖像分(fen)析(xi)軟件，多(duo)個相位(wei)狀態都可以(yi)(yi)在單一(yi)的視野中進行檢測、量化并以(yi)(yi)圖形(xing)表示。
宏觀(guan)檢驗(yan)技術經(jing)常用于常規質量控制以(yi)及(ji)失效分析或(huo)研(yan)究。這些技術通常是顯微觀(guan)察的前奏，但有時也可以(yi)單獨用作接受或(huo)拒(ju)絕的標(biao)準。
圖4：鋼的表(biao)面(mian)硬化。
宏(hong)觀(guan)蝕刻(ke)試驗(yan)可(ke)能(neng)是(shi)該組內信息量最大(da)的(de)(de)工具(ju)并且廣泛用于材(cai)料(liao)加工或(huo)成形的(de)(de)許多階段(duan)的(de)(de)質量檢驗(yan)。借助(zhu)于體(ti)視(shi)顯微鏡和(he)各種各樣的(de)(de)照明模式，而宏(hong)觀(guan)刻(ke)蝕通過揭示材(cai)料(liao)微觀(guan)結構中缺(que)乏均勻(yun)性來(lai)提(ti)供組件均勻(yun)度(du)的(de)(de)整體(ti)視(shi)圖。其中部分舉例如下(xia)：
凝固或加工(gong)產(chan)生的宏觀結(jie)構(gou)模式(shi)（生長模式(shi)、流線、帶狀等）
焊縫熔深和熱影響區
由于凝固(gu)或(huo)工作引起的(de)物理(li)不(bu)連續性（孔隙(xi)、裂(lie)紋）
化(hua)學和(he)電化(hua)學表面(mian)改性(xing)（脫(tuo)碳、氧化(hua)、腐(fu)蝕、污染）
由于淬火(huo)不規則，鋼合金或(huo)鋼型的表面硬化(hua)深度（表面硬化(hua)）
磨削或(huo)加工不當造成的損壞
過熱或疲勞(lao)引起的(de)熱效應
金屬(shu)合(he)金由(you)于其廣泛的(de)性能，在許(xu)多技術和應用中發揮著突(tu)出的(de)作用。目前(qian)有(you)幾千(qian)種(zhong)標(biao)準(zhun)化合(he)金可(ke)供選擇(ze)，隨著新需求的(de)發展可(ke)能需要新的(de)合(he)金，這(zhe)一(yi)數字還在持續增(zeng)長(chang)。
金相學是對合金微觀(guan)(guan)結構(gou)的(de)研究，合金微觀(guan)(guan)結構(gou)包括：相態、夾雜(za)物(wu)和其他成分(fen)的(de)微觀(guan)(guan)空(kong)間(jian)分(fen)布。人們使用(yong)了各種技(ji)術(shu)（通(tong)常采用(yong)顯微鏡技(ji)術(shu)）來揭示合金的(de)微觀(guan)(guan)結構(gou)。
合金的微觀結(jie)構對(dui)其許多重(zhong)要的宏(hong)觀性(xing)能有重(zhong)要影響，如抗(kang)拉(la)強度、延伸率(lv)(lv)和熱導(dao)率(lv)(lv)或(huo)導(dao)電率(lv)(lv)。對(dui)微觀組織和合金性(xing)能之間關系的透(tou)徹理解是(shi)金相學(xue)領(ling)域的根本原因。金相學(xue)知識用于冶金（合金設計(ji)和開發）和合金生產。
但同時，人(ren)們也開發出(chu)了多種多樣(yang)的(de)陶瓷(ci)和聚合物(wu)材料來滿足諸(zhu)多不同的(de)應(ying)用。金相(xiang)學的(de)基本原理可以(yi)應(ying)用到所有材料的(de)特征分析當(dang)中。因此，更通用的(de)術語“材料學"開始取代金相(xiang)學。
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