光学金相显微术

物理学技术

根据金属样品表面上不同组织组成物的光反射特征，用显微镜在可见光范围内对这些组织组成物进行光学研究并定性和定量描述的一种技术。它可显示500～0.2μm尺度内的金属组织特征。

简介

早在1841年，俄国人阿诺索夫(П．П．Аносов) 就在放大镜下研究了大马士革钢剑上的花纹。至1863年,英国人索比(H.C.Sorby)把岩相学的方法，包括试样的制备、抛光和腐刻等技术移植到钢铁研究，发展了金相技术，后来还拍出一批低放大倍数的珠光体和其他组织的金相照片。索比和他的同代人德国人马滕斯(A.Martens)及法国人奥斯蒙(F. Osmond)的科学实践，为现代光学金相显微术奠定了基础。至20世纪初，光学金相显微术日臻完善，并普遍推广使用于金属和合金的微观分析，迄今仍然是金属学领域中的一项基本技术。

金相显微镜

是用可见光作为照明源的一种显微镜。分立式和卧式,见图1。它们都包括光学放大、照明和机械三个系统。

放大系统

是影响显微镜用途和质量的关键。主要由物镜和目镜组成。其光路见图2。显微镜的放大率为：

式中M显表示显微镜放大率；M物、M目和f物、f目分别表示物镜和目镜的放大率和焦距；L为光学镜筒长度；250为明视距离。长度单位皆为mm。

分辨率和象差

透镜的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量显微镜质量的重要标志。在金相技术中分辨率指的是物镜对目的物的最小分辨距离。由于光的衍射现象，物镜的最小分辨距离是有限的。德国人阿贝(Abbé)对最小分辨距离(d)提出了以下公式：

式中λ为光源波长；n 为样品和物镜间介质的折射系数（空气;n=1；松节油：n=1.5）；嗞为物镜的孔径角之半。

从上式可知，分辨率随着n和嗞的增加而提高。由于可见光的波长λ在4000～7000┱之间。在嗞角接近于90°的最有利的情况下，分辨距离也不会比0.2μm更高。因此，小于0.2μm的显微组织，必须借助于电子显微镜来观察（见电子显微学）,而尺度介于0.2～500μm之间的组织形貌、分布、晶粒度的变化，以及滑移带的厚度和间隔等，都可以用光学显微镜观察。这对于分析合金性能、了解冶金过程、进行冶金产品质量控制及零部件失效分析等，都有重要作用。

象差的校正程度，也是影响成象质量的重要因素。在低倍情况下，象差主要通过物镜进行校正，在高倍情况下，则需要目镜和物镜配合校正。透镜的象差主要有七种，其中对单色光的五种是球面象差、彗星象差、象散性、象场弯曲和畸变。对复色光有纵向色差和横向色差两种。早期的显微镜主要着眼于色差和部分球面象差的校正，根据校正的程度而有消色差和复消色差物镜。近期的金相显微镜，对象场弯曲和畸变等象差，也给予了足够的重视。物镜和目镜经过这些象差校正后，不仅图象清晰，并可在较大的范围内保持其平面性，这对金相显微照相尤为重要。因而现已广泛采用平场消色差物镜、平场复消色差物镜以及广视场目镜等。上述象差校正程度，都分别以镜头类型的形式标志在物镜和目镜上。

光源

最早的金相显微镜，采用一般的白炽灯泡照明，以后为了提高亮度及照明效果，出现了低压钨丝灯、碳弧灯、氙灯、卤素灯、水银灯等。有些特殊性能的显微镜需要单色光源，钠光灯、铊灯能发出单色光。

照明方式

金相显微镜与生物显微镜不同，它不是用透射光,而是采用反射光成像,因而必须有一套特殊的附加照明系统，也就是垂直照明装置。1872年兰(V.vonLang)创造出这种装置,并制成了第一台金相显微镜。原始的金相显微镜只有明场照明，以后发展用斜光照明以提高某些组织的衬度。

样品的制备

在金相样品表面上的各组织组成物，反光度必须有所差别方能在显微镜下利用各种光学信息进行显示，加以辨识。为此，样品在观察前应按一定的操作程序进行必要的加工准备。样品准备和以后组织显示大致程序可用图3表示。

磨平和抛光

一般在带有金相砂纸的金相分析专用的磨平机上磨平之后再在抛光机上进行抛光，抛光过程需要使用抛光剂，如三氧化二铬、氧化镁等。抛光除机械方法外，还可采用电解、化学、化学-机械和电解-机械等法。经抛光后样品表面呈镜面。有些合金的组织组成物,如金属与合金中的夹杂物（图4）和铸铁中的石墨，反射本领远低于基体，这类样品在抛光后便可直接置于显微镜下进行观察和分析。在抛光过程中还应防止组成物脱落。对于一些含有不稳定组织（如淬火马氏体）的样品，应防止过热，以避免组织发生变化.

腐刻

大多数经抛光的试样是不能看到组织的。因为光在样品表面上均匀反射，各不同组织的反射率差别很小，不能被肉眼察觉。因而需要采用以下腐刻方法加大各相之间的衬度。①化学及电化学方法:化学腐刻（4%-8%硝酸酒精、苦味酸氢氧化钠溶液、铁氰化钾等）电解腐刻（包括恒电位腐刻），阳极腐刻及氧化（热染）等；②物理方法：真空显示（选择性蒸发），离子束溅射，干涉层等。目前，广泛使用的化学腐刻剂，大多数都是基于经验；近年来已发展出如恒电位电解腐刻、离子束腐刻和干涉层金相技术等方法，可较好地控制条件，保证实验的重复性。后者利用镀层的干涉效应，能真实地反映组织形貌。

光学信息显示

金相样品按所需的分析方法制备后即可进行分析观察,常用的分析方法见图5 ，可分为常规分析方法和特殊分析方法。

常规分析方法

由于样品制备简单，显微镜不需特殊的附件，操作简便，是观察和研究金属微观组织形貌的最常用方法；直接使用垂直反射光的振幅及波长信息，样品经磨平、抛光、腐刻后即可置于显微镜下观察分析，按照明方式有直射（即明场）和斜射（即暗场）两种。

明场

照明光线直射到样品上观察,出由于样品表面上不同晶粒或不同相之间化学性质的差异，在同一腐蚀介质中发生不均匀的溶解，造成反射本领的差别而显示组织组成物。

暗场

采用了从物镜外斜射照明，使样品的镜面呈现暗的视野，使表面上的微小浮凸的反射光产生足够大的对比而被显示出来。如浮凸颗粒是透明或半透明的，经内界面漫反射的光亦将进入物镜。这对金属和合金材料中的微缺陷和非金属夹杂物的鉴定分析是很有用的。例如图6表示利用奥氏体晶界腐刻后在内界面处形成沟壕使光产生漫反射，从而勾画出晶粒的形状。

特殊分析方法

光学金相显微镜除利用垂直反射光的振幅信息反射成像外；还可利用在特殊照明条件下产生的不同的光学信息来显示样品中的组织组成物，它们的发展为光学金相显微术增添了一系列的特殊分析方法（图3）。

偏振光显微术

主要特点是利用平面偏振光照射到试样表面上，考察目的物对平面偏振光的椭圆化效应。这种效应可反映目的物有关光学对称性的信息，从而判断它是晶体各向同性或各向异性。照明用的平面偏振光经起偏镜得到；椭圆化效应则用检偏镜检查。它主要应用于辨认各向异性晶体不同取向的区域，或透明夹杂物的透视颜色。如果在垂直照明器和检偏镜之间放入一个灵敏色辉板，样品的各个晶粒就可以由它们的特征颜色辨认。色辉板可以用来测定晶体择优取向程度并进行回复和再结晶的研究，也可以对多相合金进行相分析及对非金属夹杂物进行鉴定。在特定条件下还可以研究磁畴结构。

干涉显微术

示意如图7。其特点是在显微镜光学系统中增加了特殊设计的光学装置，使光线通过时被分成两束，一束光通过物镜，在试样上反射返回，重新穿过光束分离器进入目镜；另一束光从一个比较板上反射进入目镜。这两束反射光在光束分离器上相遇时会发生干涉，利用所产生的干涉条纹的形状，可以判断轻微浮凸的空间形态，并可根据条纹位移量和相邻条纹间距之比，定量给出浮凸高度。多光束干涉的发展，使干涉条纹更为窄锐，从而提高了测量高度差的灵敏度（见马氏体相变中的图3、图6）。

相衬显微技术

利用相位差信息（样品表面由细微浮凸导致相位差），将反射光减弱到和衍射光振幅相近，并改变反射光的相位，使其和衍射光同相或相差π。装置是在普通显微镜的物镜和目镜之间的适当位置上放一个环形的相位差板，将反射光减弱并移相，再安放一个相应的环形光阑，就可以把表面细微高低不同引起的光学相差转换为振幅差,提高各组织间的衬度（图8）。近期发展的微差干涉技术，把相衬和显微干涉技术结合起来，能把细微的浮凸表现为色彩对比，更有效地提供表面细微组织的信息。

光学金相显微术

特种金相方法

高温和低温金相一般的金相研究均在室温下进行，只能观察室温下的组织及快冷固定下来的高温组织。大多数组织随温度的升高或下降而变化。为了连续观察高、低温时组织变化，可以将样品置于有加热或冷却装置的样品台上，并抽真空保证样品在高温下不被氧化，低温下不凝聚水汽。其次要用长焦距的物镜（透射或反射式）。但由于低温或高温显微镜只能观察到引起表面高低不同的变化，而有些表面反应与内部不同（如高碳钢在高温下可以在表面析出石墨，低温下首先在表面形成马氏体等），这种技术的应用有很大的局限性。

定量金相也称体视金相，它主要以体视学为基础，研究显微组织的定量关系（见定量金相技术）

参考书目

田白玉、杨体强：《光学金相摄影技术》，科学出版社，北京，1983。 B.K.T.Conn & E.J.Bradshaw eds.,Polarized Light in Metallography,London,1952. 　S. Tolansky, Multiple-beam Interferometry of Surfaces and Films,clorendon Press,Oxford,1948.

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