光學金相顯微術

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)對這些組織組成物進行光學研究并定性和定量描述的一種技術.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)量的重要標志.在金相技術中分辨率指的是物鏡對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),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,都可以用光學顯微鏡觀察。這對于分析合金性能、了解冶金過程、進行冶金產(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,其中對單色光的五種是球面象差、彗星象差、象散性、象場彎曲和畸變。對復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消色差物鏡。近期的金相顯微鏡,對象場彎曲和畸變等象差,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,這對金相顯微照相尤為重要。因而現(xiàn)已廣泛采用平場消色差物鏡、平場復消色差物鏡以及廣視場目鏡等.上述象差校正程度,都分別以鏡頭類型的形式標志在物鏡和目鏡上。

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信息進行顯示,加以辨識.為此,樣品在觀察前應按一定的操作程序進行必要的加工準備.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,反射本領遠低于基體,這類樣品在拋光后便可直接置于顯微鏡下進行觀察和分析.在拋光過程中還應防止組成物脫落.對于一些含有不穩(wěn)定組織(如淬火馬氏體)的樣品,應防止過熱,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.因為光在樣品表面上均勻反射,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)和斜射(即暗場)兩種：
1、明場:
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,造成反射本領的差別而顯示組織組成物.

2、暗場:
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入物鏡.這對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：
主要特點是利用平面偏振光照射到試樣表面上,考察目的物對平面偏振光的橢圓化效應.這種效應可反映目的物有關光學對稱性的信息,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;橢圓化效應則用檢偏鏡檢查.它主要應用于辨認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靈敏色輝板,樣品的各個晶粒就可以由它們的特征顏色辨認.色輝板可以用來測定晶體擇優(yōu)取向程度并進行回復和再結晶的研究,也可以對多相合金進行相分析及對非金屬夾雜物進行鑒定.在特定條件下還可以研究磁疇結構.

2、干涉顯微術：
其特點是在顯微鏡光學系統(tǒng)中增加了特殊設計的光學裝置,使光線通過時被分成兩束,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入目鏡;另一束光從一個比較板上反射進入目鏡.這兩束反射光在光束分離器上相遇時會發(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,從而提高了測量高度差的靈敏度

3、相襯顯微技術：
利用相位差信息(樣品表面由細微浮凸導致相位差),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位置上放一個環(huán)形的相位差板,將反射光減弱并移相,再安放一個相應的環(huán)形光闌,就可以把表面細微高低不同引起的光學相差轉(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,把相襯和顯微干涉技術結合起來,能把細微的浮凸表現(xiàn)為色彩對比,更有效地提供表面細微組織的信息.

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、低溫時組織變化,可以將樣品置于有加熱或冷卻裝置的樣品臺上,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),這種技術的應用有很大的局限性.

5、定量金相：
也稱體視金相它主要以體視學為基礎,研究顯微組織的定量關系。