姚鸿年.金相实验技术的现状及其发展 [J].理化检验：物理分册，1994（Vol.30 No.5）
金相实验技术的现状及其发展
姚鸿年
（浙江大学 杭州510027）
摘要 金相学的创立，始于人们在显微镜下研究金属样品并发现了金属材料的显微组织。本文简要叙述了金相学的建立、发展厉史与当前现状。金相学，在发展过程不同时期，包含了各不同学科的知识与技术；现代金相技术，包括光学、电子光学及其他物理方法。但，最普通日常使用的金相研究方法是传统的光学显微镜法。传统金相发展十分活跃，包括制样新技术、设计精良的金相显微镜及近代金相研究方法。
主题词 金相学、发展史、研究方法
“金相”一词，大致在40 年代译自英语metallograph，包含有金属的相片或金属的相貌之意，而“金相”一词是金相学（metallography）的同源词，它来自由希文μέταλλο（金属）与Γράψτε（写）组成的新拉丁词metallographia，原意是在金属上刻写，即今日之金属平印术。英国人Henry Clifton Sorby利用显微镜、照相术研究了陨石、岩石与钢铁的微观组织以后，金相学（metallography）一词始引入英语（1870 ~ 1875 年），并赋予了新的含意，当时具体指的是金属光学显微镜研究的记载（科学），这与50 年代从俄文译出的金属学是同一字源。
当今“金相学”已成为相当复杂的主题，可以由多种不同学科的知识组合起来，随着科学技术的进步与发展，在各个发展阶段包含了不同分支学科的知识。
1 金相研究史概况
金相研究自断口开始， 通过断口的粗细认识到晶粒的存在（图1），使人们进一步研究晶位内部的微细部分，19世纪初期，即有人开始从事这方面的研究，当时相关的研究方法（金相磨片制备技术）与研究设备（放大镜、显微镜、照相机）已基本具备，即自Hook发明显微镜以后，显微镜已成为生物研究的有力工具。而早在金相研究之前数千年，人们已掌握金属表面的磨光抛光方法（我国古代称“庴”）。英冶金学者Sorby利用岩相研究的“复印法”（Natural Print），及摄影术,研究并记录了多种钢铁的金相组织，发表了多篇最早“金相研究文章（图2、3），进而用显微镜观察研究更微细部分，并描绘如图4。其后Sorby在高倍显微镜下分辨并描绘了放大650 倍的珠光体组织（1886 年）……，从此奠定了金相研究的初步基础。所以当时“金相学”的含意是金属显微镜观察与摄影技术，即Metallography是由Metal与Photography组成的。并包含有微观Micrologia之意。
20世纪初，Robert Austin等人，将相律应用于冶金研究，建立了相图，结合金相组织的研究，使人们对于金属材料有了比较系统的认识，确立了合金的成分与金相组织、材料性能之间的关系，20 年代出版了金相学的首批专著， 其内容包括相图分析与显微组织的研究。
自伦琴发现X射线以后，布拉格于1912 年确立了X射线衍射理论，使X射线成为研究晶体（包括金属）内部结晶结构的有力工具，根据X射线衍射花样极衍射峰位数据，可以确定金属材料晶体结构的晶型与原子排列的参数，使人们对于金属材料的研究从微米范围跃至原子数量级，即出现了以物理方法研究的技术，这就是金属物理或物理冶金学名称的由来。至此，对于微观世界的研究出现了显微组织与晶体结构两个范畴，即金相学成为研究金属及其合金组分、加工、与其宏观组织、微观组织与晶体结构对材料性能之间关系的一门学科。
显微镜受光折射率的限制，最高鉴别距离约0.25μm；X射线衍射已能测出纳米尺度晶体（金属）内部原子排列参数。但X射线衍射测定是整体材料总体物理的平均值，从微米到纳米尚缺乏可检测直接观察“像”的仪器。为提高人们对于微观世界更细的观察，曾致力于光源的改革，用波长更短的紫外线作光源，但收效甚微。由于X射线无法聚焦，所以以点光源发散的投射 光显微镜，限于焦点尺寸，其鉴别能力尚不及光学显微镜。
1932年Ruska发明电子显微镜以后，1940年Mehl用复型方法研究了金属更细微的组织，使鉴别达到数十纳米，揭示了金属材料中诸如时效GP区，回火马氏体等超显微组织。随着电镜制造水平的提高，当加速电压超过100kv，电子束足以透过数十以至数百纳米的金属薄膜试样。60年代开展的薄膜电镜研究，证实了晶体中位错的存在并直接观察到了位错的移动。使人们对于材料的强度理论有了正确地认识。按照Abbe的论断，显微镜的极限鉴别距离是波长的一半，而100KV 时电子束波长仅0.0037nm，所以，用电镜观察单个原子是有可能的。80年代推出的高分辨电镜，可以直接观察晶体中原子的排列与单个原子；近年来高分辨电镜对于晶格像的研究，揭示了诸如位错、共格等结构的具体原子排列，使人们对于材料的微观世界有了更进一步的认识。
60年代后期，金相研究增添了新的有力武器，即扫描电镜。扫描电镜虽然与透射电镜同一时期提出，但他的实用化是依靠了近代的微电子技术，到1965 年才有首台实用的商品扫描电镜。扫描电镜的最大优点是具有良好的垂直鉴别率，是断口观察理想的设备。虽然早期电子断口采用透射电镜复型技术，但扫描电镜的推出，使电子断口学得以发展完善。美国金属学会（ASM）对于名词“金相学”给出如下定义：“金相学是涉及金属及合金组织与结构的科学，包括用肉眼、采用低倍放大镜、光学显微镜、电子显微镜及X 射线衍射等各项技术”。
所以广义金相学应包括：研究金属及其合金的组分（相图）、金相组织（宏观组织、显微组织与电子显微镜金相研究）、晶体结构与物性之间关系的一门科学。
如果仅从“相”即成像技术考虑，狭义金相学，指研究金属与合金的相、组织（宏观、微观金相组织）与性能之间关系的一门科学。在金相组织项内应包括常规金相组织与电子显微镜下金相组织的研究。由于透射电镜的普及率仍不高，所以我们目前使用最广的仍是传统的金相学，是以光学金相研究为基本内容的金相学。
图5 金相试样制备工艺图
2 传统金相研究方法现状
传统金相研究方法包括金相试样的制备、金相显微镜与摄影技术三个方面。
2.1 金相试样制备技术的进展
金相试样制备早期借用玻璃工艺与宝石加工工艺，选用金刚砂、铁红作为磨光、抛光的材料，仅注意试样表面的平整与光滑。现代对金相制备的要求不仅要求表面平整光滑，更重要的是表层应无畸变等缺陷的引入，浸蚀后能显示材料真实的金相组织。金相抛光机理的研究指出：金相抛光包含有磨粒刃口的切削作用，与磨料、织物的滚压擦光作用，后者是引起表层金属畸变的主要原因。为减少磨光、抛光过程表层的畸变程度，应尽量降低切削速度，选用最硬、最锐利的金刚石磨料，在抛光时滴入润滑剂，并力求尽量缩短磨光、抛光时间。目前欧、美各国均采用低速。金刚石抛光、磨光技术，试样制备时间已缩短到10min左右。
金相试样制备国际现状是，设备精密、自动化、抛光材料钻石化，制备工艺规范化。
以下仅就Strues公司介绍的试样制备工艺规范作简要的介绍。该公司经多年研究，总结成图5 所示的Metalogr an。图中划分成7个区域。根据试样材料的硬度与脆韧程度，确定试样所属的区城，然后按该区域推荐工艺进行。对于脆韧适中不同硬度还划出了三个快速制样区，即椭圈形区域，这三个区城推荐的制祥工艺仅包括一道磨光、一道抛光，在较短时间内即可获得满意的结果。
推荐工艺参数包括磨粒位度、傲光机转速（ 约15 。r /~ ） 、润滑剂类别、磨推压力与磨抛时间等。
2.2 金相显微镜的变迁
自从复式显微镜发明以来，光学系统与光学器件不断得到改善。1840年引入高倍油浸物镜，1853年引入暗场照明方法，1870年完成了复消色差物镜的设计，1901 年Le Chatelier倒立光程的引入，到20 世纪初已经具备了倒立光程的金相显微镜。
金相显微镜与摄影技术的结合，出现了第一代带摄影装置的金相显微镜。由于当时物镜质量尚不完善，像场弯曲十分显著，特别是初期的复消色差物镜。为提高摄照像的清晰度，只能延长摄影距离，故设计成横卧的大型卧式金相显微镜，如莱资的MM5、蔡司的Neophot等。60年代以后，随着科学材料的进步与计算设计的完善，物镜质量显著提高，金相专用的平场宽视域物镜的研制成功，使当代金相显微镜日趋完善。在共扼焦面上经物镜放大的初像已相当平坦、清晰，所以卧式投影相机已失去作用，为金相显微镜的小型化提供有利条件。为保留负片摄影装置，借用原有立式设计，所以高性能立式设计是当前金相显微镜的典型机型，如莱资MeF4，蔡司Neophot 2000型等。
使用显微镜是为了鉴别肉眼无法分辨的微小细节。显然，鉴别率是光学显微镜最重要的技术指标。可是对于金相研究来说，金相试样上的微小细节能否在显微镜不被分辨检出，受制约的首先是景深而不是鉴别率。金相试徉一般需要经化学浸蚀，使晶界或某些组成相被溶解形成凹陷沟坑，才能显示金相组织，一般浸蚀凹陷的深度有数微米到数十微米。高倍金相观察时轻浸蚀也会形成微米凹陷。根据鉴别距离公式，d与物镜的数值孔径N.A.成反比，最高倍物镜（油镜）的鉴别距离可达0.25μm；而景深（垂直鉴别率）与N.A.的平方成反比，最高倍物镜（油镜）的景深大致为0 .1μm，显然，用这样的物镜观察金相试样，许多细节均在鉴别范围以外，仍“视而不见”。所以现代的金相显微镜均不采用油镜，最高N.A.在0.90 左右。此时景深与鉴别率相当，如下表数据所示。
附表 研究型金相显微镜MeF4 型物镜的数据分析
*油漫物债仅为对比而列入
表中： d. 鉴别极限 df. 景深 N A. 数值孔径 λ. 光源波长 M. 总放大倍数
新型金相显微镜，除具有平场宽视域光学透镜外，尚配置了多种照明方法与映衬效果。如暗场、偏光、微分干涉相衬等，按性能价格比来分析，各主要厂商生产的研究型金相显微镜处在同一技术水平上。可按实际需要与经济条件合理选购。
此外，随着摄影技术的进展，底片的银粒细度显著改善。早期的大型卧式金相显微镜采用8 寸玻璃基板底片，其后改为5 寸× 6 寸标准相机。近年来更趋于小型化，因高分辨的35mm 底片，已足以将物镜所鉴别的细节记录下来，兼之35mm彩色底片的冲印十分方便，现今大多已不再使用单页底片。由此可见，显微镜的总体尺寸并不能成为显微镜优劣的标志。具有优良物镜的小型金相显微镜，利用35mm相机也能获得优良的金相照片。仪器的小型化是发展的必然趋势。
3 金相研究方法发展趋势
金相研究，需要有高景深的显微镜，其发展趋势可以从下述仪器现状进行推测：
3.1 电视显微镜
电视显微镜早有多种产品，它是由显微镜与摄像机、显示终端所组成。随着微电子技术的发展，CCD摄像元件已进入实用化阶段。1991年日本三菱Kasei公司推出的VS-30H电视显微镜系统，仅用单只物镜，经物镜放大的初像投在CCD芯片上。由闭路电视系统在显示终端上得到再放大图像。显微镜主体是一手握笔式摄像头。目前CCD 的分辨已达1000线，用以替代目镜直接显示在终端屏上可以满足物镜分辨率的要求。近年数字化电子相机已经商品化，它的摄影图像是记录在小型磁盘上，可转换成彩色照片，也可直接显示在计算机屏幕上，或由打印机直接打出黑白或彩色照片。可以预期，由高质量物镜、数字化技术组成的电子金相系统，将成为金相研究新型的装置。达到微米级分辨距离与微术级景深是完全可能的。
3.2 扫描电幼比较金相学研究
扫描电镜金相研究的最重要贡献是创立了断口金相学。扫描电镜已成为断口研究必不可少的工具。数十年来韧窝断口未曾为金相显微镜鉴出，这是由于光学显微镜景深不足所致。一般韧窝尺寸有数微米，而韧窝凹陷高差有数十至数百微米,这当然是光学显微镜无法鉴别的。一般对电子断口鉴别率的要求不高，早期商品已足够有余。目前商品扫描电镜的鉴别距离可达数个纳米（如剑桥360为4nm），高聚焦场发射扫描电镜的鉴别距离可高达十分之几纳米（如日本电子890为0.7nm）。这些设备是研究先进材料的有力工具，但对于常规金相工作指标过高，不切合实用。金相要求价格适中的简易型扫描电镜，10nm鉴别距离已足够应用。
扫描电镜的鉴别能力远高于光学金相显微镜。利用扫描电镜研究金相试样将得到更微细的细节，而且可与断口研究配合。但是扫描电镜图像与光学显微镜图像存在一定差别，因为扫描电镜像能看清视域内全部细节，对于习惯于对许多“视而不见”细节、比较简洁的金相观察者来说，开展扫描电镜比较金相研究是十分必要的，即仔细了解同一视域，同样倍率下金相照片与电镜照片的特征。
3.3 共焦激光扫描显微镜
共焦激光扫描显微镜（CLSM）是80年代后期推出的新型显微镜，能获得真正具有三维清晰的图像。利用微光点光深在某一焦平面上的扫描，通过共焦成像原理，获得该焦面上共焦点区域的像（所有高焦部位没有信息），即所谓“光学切面”。改变聚焦平面，可获得一系列的光学切面，然后通过多层图像叠加（multi-frame技术）在计算机终端上显示试样的三维立体图像。从原理讲，景深是无限的，且由于入射细束激光的漫散极低，实际有效鉴别率高出普通显微镜1.3~1.4倍。多层图像技术需要有较大容量的存储量、较高的计算速度（486微机以上），所以共焦激光扫描显微镜是价格昂贵的显微镜。一般认为，它将成为生物、医学研究的有力工具，但在材料研究领域的成果尚不多见
3.4 扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜是原子尺度的微表面轮廓仪。自1981被提出以来，为晶体表面原子像的观察提供一种新型仪器， 发展十分迅速。
扫描隧道显微镜的基本原理是用一根微细的铂铑合金针尖，移近到试样（良导体）表面，当两者相距0. 5~1nm 时，由于针尖与试样间隙间表面原子电子波函数的重叠，在微小的外加偏压下（10mV - 5V），将会有隧道电流通过。隧道电流的大小与间隙距离有关。当针尖在试样表面上作平面（X - Y）扫描时，隧道电流将随间隙距离而变动。反之若设置成恒定的隧道电流值。则针尖在作X - Y 平面扫描的同时，针尖必须有Z方向的移动。依靠低噪高增益反馈电路，可使针尖在Z 方向移动并记录下Z的真实高度，得到试样扫描区域的立体轮廓的真实数据。通过计算机数字化处理，得到原子尺度三维立体图像。
扫描隧道显微镜能成功地观察到导体表面的原子排列象，是继高分辨电镜以后另一种原子图像。所以扫描隧道显微镜已成为表面物理与先进材料研究的重要工具。由于要观察真实的没有吸附杂质原子的清洁表面，一般扫描隧道显微镜需配置超高真空系统，设备十分昂贵。随着科学技术的进步，利用压电陶瓷来完成X - Y 扫描的方法已相当普遍（上面介绍的共焦激光扫描也是通过压电陶瓷来实现的），而微电子技术的进步，低噪高增益集成电路已成为普通民用电子元件。所以用扫描隧道显微镜（大气型）来研究金相样品是完全可能的。目前大气型扫描隧道显微镜已扩展到材料表面形貌的观察。由于扫描隧道显微镜构造比较简单，没有任何光学放大系统。随着电子元件的普及，设计出价格合宜的适合金相工作者使用的设备是可以实现的。
