光學(xué)金相顯微術(shù)

根據(jù)金屬樣品表面上不同組織組成物的光反射特征,用顯微鏡在可見光范圍內(nèi)對(duì)這些組織組成物進(jìn)行光學(xué)研究并定性和定量描述的一種技術(shù).它可顯示500～0.2μm尺度內(nèi)的金屬組織特征。

一、分辨率
透鏡的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量顯微鏡質(zhì)量的重要標(biāo)志.在金相技術(shù)中分辨率指的是物鏡對(duì)目的物的最小分辨距離.由于光的衍射現(xiàn)象,物鏡的最小分辨距離是有限的.分辨距離不會(huì)比0.2μm更高。因此,小于0.2μm的顯微組織,必須借助于電子顯微鏡來觀察(見電子顯微學(xué)),而尺度介于0.2～500μm之間的組織形貌、分布、晶粒度的變化,以及滑移帶的厚度和間隔等,都可以用光學(xué)顯微鏡觀察。這對(duì)于分析合金性能、了解冶金過程、進(jìn)行冶金產(chǎn)品質(zhì)量控制及零部件失效分析等,都有重要作用。

二、象差的校正程度,也是影響成象質(zhì)量的重要因素
在低倍情況下,象差主要通過物鏡進(jìn)行校正,在高倍情況下,則需要目鏡和物鏡配合校正.透鏡的象差主要有七種,其中對(duì)單色光的五種是球面象差、彗星象差、象散性、象場(chǎng)彎曲和畸變。對(duì)復(fù)色光有縱向色差和橫向色差兩種.早期的顯微鏡主要著眼于色差和部分球面象差的校正,根據(jù)校正的程度而有消色差和復(fù)消色差物鏡。近期的金相顯微鏡,對(duì)象場(chǎng)彎曲和畸變等象差,也給予了足夠的重視.物鏡和目鏡經(jīng)過這些象差校正后,不僅圖象清晰,并可在較大的范圍內(nèi)保持其平面性,這對(duì)金相顯微照相尤為重要。因而現(xiàn)已廣泛采用平場(chǎng)消色差物鏡、平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡以及廣視場(chǎng)目鏡等.上述象差校正程度,都分別以鏡頭類型的形式標(biāo)志在物鏡和目鏡上。

三、照明方式 
金相顯微鏡與生物顯微鏡不同,它不是用透射光,而是采用反射光成像,因而必須有一套特殊的附加照明系統(tǒng),也就是垂直照明裝置.以后發(fā)展用斜光照明以提高某些組織的襯度.

四、樣品的制備 
在金相樣品表面上的各組織組成物,反光度必須有所差別方能在顯微鏡下利用各種光學(xué)信息進(jìn)行顯示,加以辨識(shí).為此,樣品在觀察前應(yīng)按一定的操作程序進(jìn)行必要的加工準(zhǔn)備.磨平和拋光：經(jīng)拋光后樣品表面呈鏡面.有些合金的組織組成物,如金屬與合金中的夾雜物(圖4)和鑄鐵中的石墨,反射本領(lǐng)遠(yuǎn)低于基體,這類樣品在拋光后便可直接置于顯微鏡下進(jìn)行觀察和分析.在拋光過程中還應(yīng)防止組成物脫落.對(duì)于一些含有不穩(wěn)定組織(如淬火馬氏體)的樣品,應(yīng)防止過熱,以避免組織發(fā)生變化. 腐刻：大多數(shù)經(jīng)拋光的試樣是不能看到組織的.因?yàn)楣庠跇悠繁砻嫔暇鶆蚍瓷?各不同組織的反射率差別很小,不能被肉眼察覺.因而需要采用以下腐刻方法加大各相之間的襯度。

五、常規(guī)分析方法
按照明方式有直射(即明場(chǎng))和斜射(即暗場(chǎng))兩種：
1、明場(chǎng):
照明光線直射到樣品上觀察,由于樣品表面上不同晶粒或不同相之間化學(xué)性質(zhì)的差異,在同一腐蝕介質(zhì)中發(fā)生不均勻的溶解,造成反射本領(lǐng)的差別而顯示組織組成物.

2、暗場(chǎng):
采用了從物鏡外斜射照明,使樣品的鏡面呈現(xiàn)暗的視野,使表面上的微小浮凸的反射光產(chǎn)生足夠大的對(duì)比而被顯示出來.如浮凸顆粒是透明或半透明的,經(jīng)內(nèi)界面漫反射的光亦將進(jìn)入物鏡.這對(duì)金屬和合金材料中的微缺陷和非金屬夾雜物的鑒定分析是很有用的.

六、特殊分析方法
1、偏振光顯微術(shù)：
主要特點(diǎn)是利用平面偏振光照射到試樣表面上,考察目的物對(duì)平面偏振光的橢圓化效應(yīng).這種效應(yīng)可反映目的物有關(guān)光學(xué)對(duì)稱性的信息,從而判斷它是晶體各向同性或各向異性.照明用的平面偏振光經(jīng)起偏鏡得到;橢圓化效應(yīng)則用檢偏鏡檢查.它主要應(yīng)用于辨認(rèn)各向異性晶體不同取向的區(qū)域,或透明夾雜物的透視顏色.如果在垂直照明器和檢偏鏡之間放入一個(gè)靈敏色輝板,樣品的各個(gè)晶粒就可以由它們的特征顏色辨認(rèn).色輝板可以用來測(cè)定晶體擇優(yōu)取向程度并進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶的研究,也可以對(duì)多相合金進(jìn)行相分析及對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行鑒定.在特定條件下還可以研究磁疇結(jié)構(gòu).

2、干涉顯微術(shù)：
其特點(diǎn)是在顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)中增加了特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)裝置,使光線通過時(shí)被分成兩束,一束光通過物鏡,在試樣上反射返回,重新穿過光束分離器進(jìn)入目鏡;另一束光從一個(gè)比較板上反射進(jìn)入目鏡.這兩束反射光在光束分離器上相遇時(shí)會(huì)發(fā)生干涉,利用所產(chǎn)生的干涉條紋的形狀,可以判斷輕微浮凸的空間形態(tài),并可根據(jù)條紋位移量和相鄰條紋間距之比,定量給出浮高度.多光束干涉的發(fā)展,使干涉條紋更為窄銳,從而提高了測(cè)量高度差的靈敏度

3、相襯顯微技術(shù)：
利用相位差信息(樣品表面由細(xì)微浮凸導(dǎo)致相位差),將反射光減弱到和衍射光振幅相近,并改變反射光的相位,使其和衍射光同相或相差π.裝置是在普通顯微鏡的物鏡和目鏡之間的適當(dāng)位置上放一個(gè)環(huán)形的相位差板,將反射光減弱并移相,再安放一個(gè)相應(yīng)的環(huán)形光闌,就可以把表面細(xì)微高低不同引起的光學(xué)相差轉(zhuǎn)換為振幅差,提高各組織間的襯度.近期發(fā)展的微差干涉技術(shù),把相襯和顯微干涉技術(shù)結(jié)合起來,能把細(xì)微的浮凸表現(xiàn)為色彩對(duì)比,更有效地提供表面細(xì)微組織的信息.

4、特種金相方法：
高溫和低溫金相  一般的金相研究均在室溫下進(jìn)行,只能觀察室溫下的組織及快冷固定下來的高溫組織.大多數(shù)組織隨溫度的升高或下降而變化.為了連續(xù)觀察高、低溫時(shí)組織變化,可以將樣品置于有加熱或冷卻裝置的樣品臺(tái)上,并抽真空保證樣品在高溫下不被氧化,低溫下不凝聚水汽.其次要用長(zhǎng)焦距的物鏡(透射或反射式).但由于低溫或高溫顯微鏡只能觀察到引起表面高低不同的變化,而有些表面反應(yīng)與內(nèi)部不同(如高碳鋼在高溫下可以在表面析出石墨,低溫下首先在表面形成馬氏體等),這種技術(shù)的應(yīng)用有很大的局限性.

5、定量金相：
也稱體視金相它主要以體視學(xué)為基礎(chǔ),研究顯微組織的定量關(guān)系。