[科普中国]-金相学

一门研究金属与合金内部组织和结构的科学。其主要内容是利用金相 显微镜和电子显微镜，研究金属与合金因化学成分、冷凝条件、压力加工、焊接、热处理所引起的内部组织结构的改变及其对性能的影响规律。近年 来，对金属断口形态的研究已经成为金相学的一个重要组成部分。广义的金相学与金属学相似。1

介绍1863年英国人索比（H.C.Sorby） 发明的金相技术是这一学科的奠基性工作。金相学过去曾定义为研究金属及合金的成分、组织结构以及它们同性之间关系的科学。随着这一学科研究领域的不断扩 大，从20世纪20年代开始，在德国逐渐改用“Metallkunde” （金属学） 一词来表征这一学科，在苏联、相应的名词为Метаоведение； 在英、美等国家相应改为“physical metallurgy” （物理冶金）。而金相学一词则成为金属学的一个分支学科名称，常用于指 其中以显微组织研究为主要的部分。

金相学主要借助于光学显微术和电子显微学来研究金属及合金在不同状态下组织结构以及各种缺陷的特征，如相的尺寸、形貌、分布及取向关系，晶料、 晶料间界的尺寸、形貌、取向关系、位错、空洞、裂纹、断口等。2

金相学的研究意义1、 合金钢热处理的研究

钢的热处理原理是以钢在加热和冷却过程中的相变为依据的，金相技术则是相变研究的重要手段。利用金相法研究不同钢种在不同温度下的等温分解过程，并综合成等温转变曲线，从中引出了临界淬火速度的概念，明确了不同合金元素对淬透性的影响。形状记忆合金也是通过金相分析而发现的。人们对Cu-Zn合金作高温金相分析发现，马氏体针随温度的升降，长度会缩短和伸长，此类马氏体称为热弹性马氏体，具有形状记忆效应。在冷却时使它变形，再加热到临界点以上时，又恢复到原有形状。

2、 控制机械产品的质量

产品生产过程中的每一个环节，比如我们锅炉行业，从原材料验收、焊接工艺评定、加工工艺的控制的质量评定等，都要分别按照不同的标准，通过金相和其他的检验来确定合格与否。

3、 失效分析

机械装备和零件在使用过程中难以避免的，会出现变形、断裂、磨损及腐蚀等形式的失效，分析失效原因，并找出预防及补救措施，就是失效分析。失效分析涉及众多学科和技术，需要广泛收集原始资料并运用多种技术手段进行测试分析。其中对于判别失效最重要和最广泛的手段就是金相分析，而某些失效事故往往只须金相分析就可做出结论。

金相学的研究技术1、 金相显微镜

金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显微镜中观察，故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。

金相显微镜是金相分析的主要仪器。20世纪初使用开始使用倒立式金相显微镜，影响成像质量的主要因素是像差，特别是色差和像域弯曲。早期采用延长摄影距离的办法来改进，所以出现了大型的卧式显微镜，如东德的Neophot系列。60 年代后，金相专用的平场宽视域物镜的研制成功，无需长距离投影已经可以保证摄影质量。目前金相显微镜采用立式投影，结构紧凑。采用高分辨率的摄像头或更高分辨率的数码相机进行金相照片拍摄，既提高了效率，也降低了成本。

光学显微镜的景深与物镜的数值孔径成反比，随着放大倍数的加大，景深迅速下降。尤其是用侵蚀法显示组织，试样上的凹陷深度一般为数微米，超出了油浸物镜的景深。80年代后期推出“共焦激光扫描显微镜”利用激光束扫描试样，解决了光学显微镜景深浅的问题，分辨率也有所提高。

2、 制样技术

金相试样绝大多数需要经过研磨、抛光、合适的组织显示，才能进行观察和分析。如果使用不正确的制样程序，会造成假象，即观察到的图像并不是真正的内部组织状态，而是伪组织。试样在机械研磨、抛光的过程中，表层发生了严重的塑性变形。所以试样制备技术对于金相研究具有重要的意义，也是金相学中最活跃的研究领域。

侵蚀试剂是显示组织的重要手段。至今金属和合金的侵蚀试剂已经有数百种。另外还采用了真空沉积、电解阳极、热染、真空阳极及磁侵等侵蚀技术。其中值得重视的是恒电位控制法，用于电解和抛光不同金属或不同状态的金属的同种金属，对显微组织中的析出相、碳化物进行侵蚀或进行选择性侵蚀。比一般的侵蚀方法更有效、可靠，而且具有良好的重现性。 国外已经研制了系列化的制样设备，并推荐了适用于不同材料的制样规范，致力于压缩制样步骤，提高制样质量和缩短制样时间。

3、 分析技术

金相组织的判定是金相分析的核心，它包括定性和定量两方面。在常规的金相检验中，以各种金相检验标准作为判定的依据。我国已经相继发布和修订了包括国标和部标在内的金相标准100余种，内容涉及钢铁、非铁材料冶金产品以及汽车，机械、焊接等各种典型零部件的金相检验标准。 金相组织的评定正在由定性分析向定量分析发展，并已逐步体现在金相检验标准中。如YB27-77《钢的晶粒度测定法》对晶粒度的测定方法规定“一般采用比较法”，GB6394-1986《钢的平均晶粒度测定法》等效采用美国ASTM E112-81，同时规定了采用比较法、面积法、截点法三种方法。2002年根据ASTM E112-96对GB/T6394重新起草发布。由于测量误差正比于测量次数平方根的倒数，因此要提高测量精度，所需测量次数应以二次方律增长，而手工测量难以满足这一要求。于是出现了图像分析仪。利用计算机来完成成百上千次的重复测量和运算，从而为定量金相的应用创造了条件。 图像分析仪可以测出面积、周长、直径等参数。把这些基本的参数进行不同组合，可完成复杂的图像识别功能。再将处理结果进行转换，获得最终结果。

发展展望金相学的诞生已经一个多世纪了，并已成为一门成熟的学科。但是，随着科学技术的发展，金相学也在不断充实新的内容和扩大它的领域。

首先，观察手段的改进使金相学起了明显的变化。光学显微镜虽然有简单方便的优点，但是它的分辨率不高，仅能观察金相组织中几十微米尺度的细节。目前，它的主要发展趋势是定量金相学，也就是把光学显微镜配上电子计算机，对显微组织的一些特征进行定量的分析。为了获得更高的分辨率以观察更细微的内部结构，透射式电子显微镜在三十年代初研制成功，经过半个世纪的发展，它的分辨率已接近或达到分辨单个原子的水平。后来，为了观察凸凹不平的大块试样，扫描电子显微镜又应运而生。这些电子光学仪器不但有极高的分辨率，并且能进行微区电子衍射分析，给出有关的晶体结构数据。不仅如此，在配上X射线谱仪及电子能量谱仪后，还能进行小到几纳米范围的化学成分分析。由此可见，这些电子光学分析仪器已经使我们对金属的显微组织结构的研究深入到原子的层次，成为现代金相学研究的重要手段。

其次，随着新材料的不断出现，金相学的范围也逐渐扩大，并渗透到其它材料领域中去，发展成为材料科学。在半导体材料的早期发展中，不少金相工作者参予其事。位错等晶体缺陷的概念主要是在金属研究中形成的，现在不但已经是半导体等晶体材料的一项质量指标，并也在地质矿物学中开始受到重视。G.P.区是合金的固溶体中在予沉淀过程中生成的溶质原子偏聚区，现在这一名词也已在矿物研究中得到应用。合金强化也已应用到高分子材料中去。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学