徠卡顯微鏡如何觀察金屬和合金的顯微結(jié)構(gòu)特征

金屬材料的許多重要的宏觀性質(zhì)是對微結(jié)構(gòu)高度敏感。臨界的機械性能，如拉伸強度或伸長率，以及其它熱或電氣性能，是直接關(guān)系到的顯微組織。 微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系的理解對材料的開發(fā)和制造的關(guān)鍵作用，是金相的Zui終目的。

金相，正如我們今天所知道的，在很大程度上要歸功于19世紀(jì)的科學(xué)家亨利·克利夫頓索爾比的貢獻。他與現(xiàn)代制造鋼鐵謝菲爾德（英國）的開創(chuàng)性工作強調(diào)了微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的親密紐帶。 當(dāng)他走向他生命的Zui后說：“在創(chuàng)業(yè)初期，如果鐵路事故已經(jīng)發(fā)生，我曾建議該公司應(yīng)承擔(dān)軌道，并將它與顯微鏡觀察，我會被看成是一個適合男人送的庇護。但是，這是現(xiàn)在正在做的......“

舊的，但重要的

連同顯微鏡技術(shù)和新的發(fā)展，Zui近，隨著計算機的幫助下，金相一直是非常寶貴的工具，科學(xué)和工業(yè)的進步在過去的一百多年。

一些微觀結(jié)構(gòu)，并建立使用光學(xué)顯微鏡金相宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系Zui早的包括：

• 與減小晶粒尺寸的屈服強度和硬度普遍上升

• 各向異性的機械性能與柱狀晶粒和/或首選的晶粒取向

• 降低延展性隨著夾雜物含量的總趨勢

• 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)有直接的影響（陶瓷）

• 故障起始位點與材料的不連續(xù)性或顯微結(jié)構(gòu)特征，如第二相粒子的關(guān)聯(lián)

通過檢查和定量的材料的微觀結(jié)構(gòu)，它的性能可以更好地理解。因此，金相是一個組件的壽命期間所使用的幾乎所有載物臺：從Zui初的材料開發(fā)，以檢測，生產(chǎn)，制造過程的控制，甚至失效分析如果需要的話。金相幫助的原則，以確保產(chǎn)品的可靠性。

圖1：珠光體灰鑄鐵

建立一個直觀的，但方法

材料的微觀結(jié)構(gòu)有助于確定材料是否已經(jīng)被正確地處理，分析，因此通常在許多行業(yè)中一個關(guān)鍵的問題。進行適當(dāng)?shù)慕鹣鄼z驗的基本步驟包括：取樣，樣品制備（切片和切割，安裝，磨平，粗糙，Zui后拋光，刻蝕），顯微鏡觀察，數(shù)碼影像和文檔，以及定量數(shù)據(jù)提取，通過體視或圖像分析方法。

樣品被分析具有代表性的材料的被評估： - 采樣 - 金相分析的第一步是將任何隨后的研究的成功是至關(guān)重要的。第二，同樣重要的，步驟是要正確制備金相試樣，并在這里不存在獨特的方式來實現(xiàn)所期望的結(jié)果。

金相歷來描述為既是科學(xué)也是一門藝術(shù)，以及用于此語句在于該經(jīng)驗和直覺是露出的材料的真實結(jié)構(gòu)，而不會造成顯著改變或損害同樣重要，以揭示其原因使測所關(guān)注的特征。

蝕刻可能是Zui變步長，所以慎重選擇Zui佳的蝕刻成分和蝕刻溫度和蝕刻時間的控制是強制性的，獲得自信和可重復(fù)的結(jié)果。經(jīng)常一個試錯實驗方法需要找到這個步驟中的Zui佳參數(shù)。

多金屬

金屬及其合金多種形式的技術(shù)發(fā)展仍然發(fā)揮了突出的作用，因為他們提供了一個更廣闊的范圍比任何其他材料集團的場所。 標(biāo)準(zhǔn)化的金屬材料的數(shù)量擴展到幾千個，并在不斷增加，以滿足新的需求。

然而，由于規(guī)格已經(jīng)進化，陶瓷，已添加的聚合物或天然材料來覆蓋更廣闊的應(yīng)用范圍，并且金相已經(jīng)擴展到包括從電子到復(fù)合材料的新材料。術(shù)語“金相”現(xiàn)在被換成了更普遍的“金相學(xué)”也與陶瓷“Ceramography”或聚合物“Plastography”處理。

與此相反，以金屬，高性能或工程陶瓷具有較高的硬度值，即使它們在本質(zhì)上是基本上脆。 等優(yōu)秀特性在惡劣環(huán)境優(yōu)良的高低溫性能好，耐磨損，抗氧化，或腐蝕。然而，充分利用這些材料，可提供的化學(xué)組成的強烈影響 - impurities-和微觀結(jié)構(gòu)。

同樣地金相制備，順序步驟來進行，以制備陶瓷樣品進行顯微結(jié)構(gòu)的調(diào)查，但仔細挑選的參數(shù)是必需的，在每一個步驟，并且必須優(yōu)化，不僅為每一種類型的陶瓷，也為特定等級。其固有的脆性使得它建議更換與傳統(tǒng)的金剛石磨料從切片到Zui后的拋光每一個準(zhǔn)備步驟。蝕刻可以是一個挑戰(zhàn)，因為陶瓷的耐化學(xué)性。

除了明場,光鏡已使用了幾十年，以提供深入的材料的微觀結(jié)構(gòu)。

明場（BF）照明是用于金相分析中Zui常用的照明技術(shù)。在事件的BF，光路來自光源，穿過物鏡，反射離開樣品的表面上，通過物鏡返回，并Zui終到達目鏡或照相機進行觀察。 平坦面產(chǎn)生明亮的背景下，由于產(chǎn)生大量的入射光變成物鏡的反射，而非平坦的功能，如裂紋，氣孔，蝕刻晶粒邊界或特征具有不同的反射率，如沉淀和第二載物臺的夾雜物在表面上出現(xiàn)較深的入射光被散射和反射在各種角度或甚至部分地吸收。

暗場（DF）是一個不太為人所知，但強大的照明技術(shù)。光路為暗場照明通過物鏡的外中空環(huán)通過，落到試樣在入射高角度，反射離開表面，然后穿過物鏡的內(nèi)部，并Zui終到達目鏡或相機。這種類型的照明導(dǎo)致平坦表面出現(xiàn)暗，作為光絕大多數(shù)反射在高入射角射門物鏡的內(nèi)部。為具有一個平坦的表面偶爾非平面特征的樣品 - 裂紋，氣孔，蝕刻晶界等 - 對DF圖像顯示了黑暗的背景與對應(yīng)于所述非平面功能，其中散射更多的光進入物鏡亮的區(qū)域。

明場：只有直射光落在樣品表面，在那里它被吸收或反射。圖像的質(zhì)量參數(shù)是亮度，分辨率，對比度和景深。

Darkfield無界：只有折射，衍射或反射光落在樣品表面。 暗視場適合與結(jié)構(gòu)表面的所有樣品，也可用于可視化下面的分辨率極限的結(jié)構(gòu)。 表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在亮暗背景。

微分干涉對比（DIC），也被稱為諾馬斯基對比度，有助于可視化在試樣表面小的高度差，從而提高了特性的對比。DIC使用渥拉斯頓棱鏡一起偏振器和分析器，其透射軸垂直（正交90°）彼此。兩個光波分割由棱鏡制成從樣品表面反射后到干擾，渲染為變化的顏色和質(zhì)地可見高度差。

對于大多數(shù)情況下，入射光顯微鏡提供大部分所需的信息，但對于某些情況下，特別是聚合物和復(fù)合材料，透射光顯微鏡（透明材料）和使用的污漬或染料可以提供深入了解的微觀結(jié)構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)的散裝樣品制備和正常的事件時，照明將繼續(xù)隱藏。

因為許多熱固性材料是惰性的共同金相腐蝕劑，樣品的微觀結(jié)構(gòu)通常Zui好使用透射偏振光觀察到增強的離散特征折射率的差異。

偏振：自然光由光波與任何數(shù)量的振動方向。偏振濾光器只讓通過并行傳輸?shù)姆较蛘駝拥墓獠?。兩個偏振器相交成90°產(chǎn)生的Zui大消光（暗色）。 如果偏振器之間的樣本改變光的振動方向，特性雙折射的顏色出現(xiàn)。

微分干涉對比（DIC）：DIC可視高度和相差。沃拉斯頓棱鏡將偏振光轉(zhuǎn)化為普通和平凡的浪潮。 這些波振動以直角彼此傳播以不同的速率和在物理上是分開的。 這導(dǎo)致樣品表面的三維圖像，盡管沒有實際地形信息可以從它衍生的。

偏振光：自然光由光波與任意數(shù)量的振動方向。偏振濾光器只讓通過并行傳輸?shù)姆较蛘駝拥墓獠ā蓚€偏振器相交成90°產(chǎn)生的Zui大消光（暗色）。 如果偏振器之間的樣本改變光的振動方向，特性雙折射的顏色出現(xiàn)。

生活是豐富多彩

微結(jié)構(gòu)的天然顏色通常在金相應(yīng)用中非常有限的用途的是，但利用某些光學(xué)方法，如偏振光或DIC，或樣品制備方法時，像彩色蝕刻顏色可以揭示的有用信息。

偏光顯微鏡是金屬與非立方晶體結(jié)構(gòu)，例如Ti，鈹，U和Zr的檢查非常有用的。不幸的是，在主要的商業(yè)合金（鐵，銅，鋁）不向偏振光敏感，所以顏色或色調(diào)的蝕刻提供了能夠揭示和在顯微組織中鑒別特征的額外方法。

圖2：色顆粒具有樹枝狀結(jié)構(gòu)

顏色（色調(diào)）的蝕刻劑通常是化學(xué)上施加（通過浸漬在溶液中）或電化學(xué)（浸漬在溶液與電極和施加的電勢），它通常設(shè)有依賴性試樣的表面上的薄膜的制造。薄膜交互入射光和通過其可在正常明照明可觀察干涉生成的顏色，但使用偏振光和相位延遲（拉姆達[λ]或波片）被顯著增強。此外，氧化著色或蒸鍍是創(chuàng)建干涉膜的替代方法。（奧林巴斯顯微鏡）

在鋼合金中，所謂“第二相”組分可以選擇性地通過蝕刻，它提供了一個方法來識別，并分別對其進行量化著色。按顏色區(qū)分腐蝕鐵素體和碳化物鋼是一種常見的程序。

干涉膜的生長可以是特征，例如，晶粒的結(jié)晶方位的功能，在樣品表面。對于合金，其中與標(biāo)準(zhǔn)試劑（攻擊晶粒邊界）產(chǎn)生一個不完整的網(wǎng)絡(luò)（邊界），從而防止數(shù)字圖象重建蝕刻，微結(jié)構(gòu)的由于不同晶粒取向的顏色編碼允許執(zhí)行粒度的分析。

定量是不是質(zhì)量好

定量金相的根源在于光鏡，以金屬合金微觀結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用。 該材料科學(xué)家必須解決的第一個基本問題是：

• 什么的某些特征在合金的尺寸和如何將這些類型的特征的許多有哪些？

• 如何特定組成部分多存在于合金？

圖3：球墨鑄鐵具有球狀石墨（HC PL Fluotar 10X 物鏡，明場）。

許多年來，使用圖表的評分和視覺比較的已有能力應(yīng)答半定量陳述這些問題的唯一辦法。如今，現(xiàn)代化的機動和電腦顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)提供了快速，準(zhǔn)確的手段自動化大部分由國際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的評估和評價方法。

測量通常是由在一系列的二維圖像并且可分為兩大類：那些用于量化的大小，形狀，和離散顆粒（特性測量）的分布和那些與基體組織（現(xiàn)場測量） 。

第一組的幾個例子是鋼，石墨鑄鐵的分類，以及孔隙率的評價在熱噴涂或燒結(jié)部的夾雜物含量的測定。

一個視場測量的常見應(yīng)用是通過攔截或地上物的方法的平均粒徑的測定和微結(jié)構(gòu)組分的體積分數(shù)通過相位分析進行估計。利用圖像分析軟件，多個載物臺可以在單個視場進行檢測，定量，并以圖形表示。

不僅微而且宏觀

宏觀檢驗技術(shù)經(jīng)常被采用的常規(guī)質(zhì)量控制以及在故障分析或研究報告。這些技術(shù)通常的前奏顯微鏡觀察，但是它們有時單獨用作標(biāo)準(zhǔn)的接受或拒絕。

圖4：鋼的表面硬化。

該測試宏觀浸蝕可能是本組中Zui翔實的工具，它被廣泛應(yīng)用于材料加工或形成的許多載物臺用于質(zhì)量檢驗。用立體顯微鏡的幫助下與種類繁多的照明模式，宏觀腐蝕提供了一個組件的均勻性的程度通過揭示在材料的微觀結(jié)構(gòu)的均勻性的缺乏的整體圖。一些實例是：

• 從凝固或工作（增長模式，流線，帶等）產(chǎn)生的宏觀結(jié)構(gòu)模式

• 熔深和熱影響區(qū)

• 物理間斷（孔隙，裂縫）由于凝固或工作

• 化學(xué)和電化學(xué)表面修飾（脫碳，氧化，腐蝕，污染）

• 表面硬化深度（表面淬火）的鋼合金或因違規(guī)淬火模式

• 不當(dāng)造成研磨或加工損害

• 由于過熱或疲勞熱效應(yīng)