金相學

1863年英國人索比（H.C.Sorby）發明的金相技術是這一學科的奠基性工作。金相學過去曾定義為研究金屬及合金的成分、組織結構以及它們同性之間關係的科學。隨著這一學科研究領域的不斷擴 大，從20世紀20年代開始，在德國逐漸改用“Metallkunde” （金屬學）一詞來表徵這一學科，在蘇聯、相應的名詞為Метаоведение；在英、美等國家相應改為“physical metallurgy” （物理冶金）。而金相學一詞則成為金屬學的一個分支學科名稱，常用於指 其中以顯微組織研究為主要的部分。

金相學主要藉助於光學顯微術和電子顯微學來研究金屬及合金在不同狀態下組織結構以及各種缺陷的特徵，如相的尺寸、形貌、分佈及取向關係，晶料、晶料間界的尺寸、形貌、取向關係、位錯、空洞、裂紋、斷口等。

1、合金鋼熱處理的研究

鋼的熱處理原理是以鋼在加熱和冷卻過程中的相變為依據的，金相技術則是相變研究的重要手段。利用金相法研究不同鋼種在不同溫度下的等溫分解過程，並綜合成等溫轉變曲線，從中引出了臨界淬火速度的概念，明確了不同合金元素對淬透性的影響。形狀記憶合金也是通過金相分析而發現的。人們對Cu-Zn合金作高溫金相分析發現，馬氏體針隨溫度的升降，長度會縮短和伸長，此類馬氏體稱為熱彈性馬氏體，具有形狀記憶效應。在冷卻時使它變形，再加熱到臨界點以上時，又恢復到原有形狀。

2、控制機械產品的質量

產品生產過程中的每一個環節，比如我們鍋爐行業，從原材料驗收、焊接工藝評定、加工工藝的控制的質量評定等，都要分別按照不同的標準，通過金相和其他的檢驗來確定合格與否。

3、失效分析

機械裝備和零件在使用過程中難以避免的，會出現變形、斷裂、磨損及腐蝕等形式的失效，分析失效原因，並找出預防及補救措施，就是失效分析。失效分析涉及眾多學科和技術，需要廣泛收集原始資料並運用多種技術手段進行測試分析。其中對於判別失效最重要和最廣泛的手段就是金相分析，而某些失效事故往往只須金相分析就可做出結論。

1、金相顯微鏡

金相顯微鏡是專門用於觀察金屬和礦物等不透明物體金相組織的顯微鏡。這些不透明物體無法在普通的透射光顯微鏡中觀察，故金相和普通顯微鏡的主要差別在於前者以反射光，而後者以透射光照明。在金相顯微鏡中照明光束從物鏡方向射到被觀察物體表面，被物面反射后再返回物鏡成像。這種反射照明方式也廣泛用於集成電路矽片的檢測工作。

金相顯微鏡是金相分析的主要儀器。20世紀初使用開始使用倒立式金相顯微鏡，影響成像質量的主要因素是像差，特別是色差和像域彎曲。早期採用延長攝影距離的辦法來改進，所以出現了大型的卧式顯微鏡，如東德的Neophot系列。60 年代后，金相專用的平場寬視域物鏡的研製成功，無需長距離投影已經可以保證攝影質量。目前金相顯微鏡採用立式投影，結構緊湊。採用高解析度的攝像頭或更高解析度的數碼相機進行金相照片拍攝，既提高了效率，也降低了成本。

光學顯微鏡的景深與物鏡的數值孔徑成反比，隨著放大倍數的加大，景深迅速下降。尤其是用侵蝕法顯示組織，試樣上的凹陷深度一般為數微米，超出了油浸物鏡的景深。80年代後期推出“共焦激光掃描顯微鏡”利用激光束掃描試樣，解決了光學顯微鏡景深淺的問題，解析度也有所提高。

2、制樣技術

金相試樣絕大多數需要經過研磨、拋光、合適的組織顯示，才能進行觀察和分析。如果使用不正確的制樣程序，會造成假象，即觀察到的圖像並不是真正的內部組織狀態，而是偽組織。試樣在機械研磨、拋光的過程中，表層發生了嚴重的塑性變形。所以試樣製備技術對於金相研究具有重要的意義，也是金相學中最活躍的研究領域。

侵蝕試劑是顯示組織的重要手段。至今金屬和合金的侵蝕試劑已經有數百種。另外還採用了真空沉積、電解陽極、熱染、真空陽極及磁侵等侵蝕技術。其中值得重視的是恆電位控制法，用於電解和拋光不同金屬或不同狀態的金屬的同種金屬，對顯微組織中的析出相、碳化物進行侵蝕或進行選擇性侵蝕。比一般的侵蝕方法更有效、可靠，而且具有良好的重現性。國外已經研製了系列化的制樣設備，並推薦了適用於不同材料的制樣規範，致力於壓縮制樣步驟，提高制樣質量和縮短制樣時間。

3、分析技術

金相組織的判定是金相分析的核心，它包括定性和定量兩方面。在常規的金相檢驗中，以各種金相檢驗標準作為判定的依據。我國已經相繼發布和修訂了包括國標和部標在內的金相標準100餘種，內容涉及鋼鐵、非鐵材料冶金產品以及汽車，機械、焊接等各種典型零部件的金相檢驗標準。金相組織的評定正在由定性分析向定量分析發展，並已逐步體現在金相檢驗標準中。如YB27-77《鋼的晶粒度測定法》對晶粒度的測定方法規定“一般採用比較法”，GB6394-1986《鋼的平均晶粒度測定法》等效採用美國ASTM E112-81，同時規定了採用比較法、面積法、截點法三種方法。2002年根據ASTM E112-96對GB/T6394重新起草發布。由於測量誤差正比於測量次數平方根的倒數，因此要提高測量精度，所需測量次數應以二次方律增長，而手工測量難以滿足這一要求。於是出現了圖像分析儀。利用計算機來完成成百上千次的重複測量和運算，從而為定量金相的應用創造了條件。圖像分析儀可以測出面積、周長、直徑等參數。把這些基本的參數進行不同組合，可完成複雜的圖像識別功能。再將處理結果進行轉換，獲得最終結果。

金相學的誕生已經一個多世紀了，並已成為一門成熟的學科。但是，隨著科學技術的發展，金相學也在不斷充實新的內容和擴大它的領域。

首先，觀察手段的改進使金相學起了明顯的變化。光學顯微鏡雖然有簡單方便的優點，但是它的解析度不高，僅能觀察金相組織中幾十微米尺度的細節。目前，它的主要發展趨勢是定量金相學，也就是把光學顯微鏡配上電子計算機，對顯微組織的一些特徵進行定量的分析。為了獲得更高的解析度以觀察更細微的內部結構，透射式電子顯微鏡在三十年代初研製成功，經過半個世紀的發展，它的解析度已接近或達到分辨單個原子的水平。後來，為了觀察凸凹不平的大塊試樣，掃描電子顯微鏡又應運而生。這些電子光學儀器不但有極高的解析度，並且能進行微區電子衍射分析，給出有關的晶體結構數據。不僅如此，在配上X射線譜儀及電子能量譜儀后，還能進行小到幾納米範圍的化學成分分析。由此可見，這些電子光學分析儀器已經使我們對金屬的顯微組織結構的研究深入到原子的層次，成為現代金相學研究的重要手段。

其次，隨著新材料的不斷出現，金相學的範圍也逐漸擴大，並滲透到其它材料領域中去，發展成為材料科學。在半導體材料的早期發展中，不少金相工作者參予其事。位錯等晶體缺陷的概念主要是在金屬研究中形成的，現在不但已經是半導體等晶體材料的一項質量指標，並也在地質礦物學中開始受到重視。G.P.區是合金的固溶體中在予沉澱過程中生成的溶質原子偏聚區，現在這一名詞也已在礦物研究中得到應用。合金強化也已應用到高分子材料中去。