彩色金相技术的发展和研究现状0

彩色金相技术的发展和研究现状

彩色金相技术的发展和研究现状 2011年12月04日 来源： 从某种意义上讲，彩色金相技术起源于钢中非金属及矿物质的分析和鉴别，因为这些天然的矿物大多具有天然的固有色彩，同时还具有明显的光学各向同性和各向异性效应，因此通过观察各类夹杂物本来色彩的差别和变化，可作为鉴别钢中非金属夹杂物的依据之一，这完全是一种天然的彩色金相。早在70年代初，我国就开始利用光学金相法，观察和研究钢中非金属夹杂物的色彩和光学特征，并发表了关于铬铁矿、氧化亚锰和硅酸盐夹杂物的本来色彩和光学特征的彩色照片。西方国家的科研工作者利用热染法显示各种显微组织。如1947年GEInmanul用热染法显示了25-20奥氏体中的σ相。EBeraha应用热染法成功地显示了钦合金的显微组织。尽管在应用热染法显示显微组织方面也有不少的研究工作，但总得来看，西方国家在这方面起步较晚，而且应用也不甚广泛。国内在60年代初期就开始对热染法进行广泛的研究，上海交通大学结合铸造高温合金K3的研究工作，用热染法成功地显示了合金中的初生碳化物、次生碳化物、γ、γ+γ’共晶以及基体γ相，结果表明，应用氧化着色法对铸态和热处理状态的铸造耐热合金的相分析是十分有效和方便的。1949年10月，在美国费城召开的材料工程会议上，H.Kawitz在会上发表了关于“彩色金相的某些应用”文。重点介绍了应用阳极化和化学试剂法产生的干涉膜。60年代末，联邦德国PePperho解筹人通过对真空镀膜法的研究指出，不同的合金相因其具有各自不同的光学常数，通过表面等厚膜产生的干涉效应，可产生不同的干涉色。在此基础上，H.EBuller等人进行大量的研究工作，并总结出版了“干涉层金相图谱”一书，对彩色金相的物理形膜方法和形膜机制进行较系统的论述。E.Beraha和B.ShPigler等著的《彩色金相》一书，对化学腐蚀沉积干涉膜技术进行了深入系统的论述。介绍了各种彩色显示试剂，并发展了多种系列的彩色显示试剂。同时对各种化学试剂的作用做了系统的论述，对采用化学方法获得的彩色衬度，对非均厚膜的薄膜干涉理论进行了解释。70年代中，彩色金相技术的发展在西欧取得了显著的成就，由于当时真空镀膜法、离子溅射形膜法和恒电位法相继问世，使彩色金相的干涉膜技术不断地发展和完善。70年代，国内的许多研究院所和高等院校相继开展彩色金相的研究工作。1980年由中国金属学会举办了第二届全国金相图片展，有十八个省市自治区的九十多个单位，选出了813幅图片公开展览。1980年出版的《钢中非金属夹杂物图谱》一书，列举了钢中各类非金属夹杂物光学特征的彩色图片72幅，这是我国首次公开出版的彩色金相图谱，如实地纪录和反映了钢中各类非金属夹杂物本来色彩和光学特征，使其更有直观的参考价值。1991年出版的《彩色金相技术》分“原理及方法”和“应用图册”两部分，它的出版反映了我国彩色金相已趋于成熟，特别是应用图册部分中，汇集了北京理工大学、南京理工大学、五二研究所和中国科学院金属研究所等若干单位多年在彩色金相技术发面的研究成果，也反映彩色金相的适应性是非常规范的，应用的潜力是很大的。国内最新的彩色金相研究的著作是2002年7月由机械工业出版社出版的《铸铁彩色金相学》，该书借助彩色金相的方法将高温组织及室温转化相进行彩色显示，然后根据获得的金相组织用铸铁的现代凝固结晶理论去论述凝固组织的形成、转变及相互关系。作者在书中运用了大量彩色图片进行分析，并从这些彩色图片中观察到在常规金相中未能显示的结晶现象。显示技术的变革，在金相技术的理论上开辟了一个崭新的天地，由于在实验技术上引用了一系列的近代形膜方法，大大丰富了光学金相的内容，增加了反映显微组织状态的信息，为精确的定量分析创造了有力的条件，充分挖掘了光学金相技术的内在潜力，开拓了新的应用领域，大大促进了彩色金相技术的发展。计算机彩色金相技术光学显微镜用于合金组织的研究，由索拜(sorby)开始至今己有上百年的历史，对揭穿合金内部组织的奥秘起了十分重要的作用。几十年来，一方面新型的、鉴别率更高的、功能齐全的各式金相显微镜相继问世；另一方面，针对不同类型的合金，创造了显示其内部组织的各式试剂及显示方法。但总的来说，合金组织的显示都是依靠黑白衬度，即不同的合金组织呈现不同的灰度。但利用灰度差别来区分组织，很多情况下是不够灵敏的。虽然人们早就会利用热氧化法和某些化学浸蚀剂，把金属或合金的显微组织染成五颜六色，但是将彩色金相作为一门专门的技术来研究的时间并不是很长，利用计算机技术处理彩色金相既有许多传统黑白金相所没有的特点：首先，计算机彩色金相既有更高的鉴别力；其次由于光的薄膜干涉对于显微区域中的成分偏析、晶粒位向以及应力状态等都很敏感。因此，彩色金相能够提供更加丰富的显微组织及其他很有意义的信息；此外，彩色金相是显示难于浸蚀的合金或复合材料组织的有效方法，而黑白金相往往无能为力的，计算机处理的彩色金相图像在组织识别和分析上又更进了一步。正是由于这些优越性，使计算机彩色金相新技术显示了强大的生命力。1 计算机彩色金相的主要特点计算机彩色金相的突出特点不仅是色彩艳丽，衬度鲜明、美丽悦目，更重要的是计算机彩色金相对组织的分辨能力较黑白金相高出了许多倍，大大提高了金相鉴别能力，增加了试样表面可提供的信息量，组织鉴别清晰，可靠性和重现性亦好，利用计算机彩色金相技术可以发现许多新的实验现象，提示合金基体组织的一些重要细节，为发展新型高性能合金材料奠定了基础，有利于揭示材料微观世界的奥秘，为金相技术满足现代科技的需要展现了广阔的前景，随着现代科学技术的飞跃发展，计算机彩色金相必将取代传统黑白金相。1)、计算机彩色金相系统引入合金材料的金相检测，可大大提高鉴别力及对各种组织的区分能力，对准确作出金相分析提供了依据，为探索新型合金的凝固机理开辟了一条崭新的途径。2)、利用计算机彩色金相技术，可清晰地突出Al-Si合金初生晶的成分偏析状况，比较容易区分奥贝球铁的各组成相，可以准确显示Ni基合金的晶粒位向。3)、由于彩色金相具有鉴别能力强、组织显示精确、信息量丰富等特点，为计算机处理金相图像以及金相图像计算机管理提供了方便。随着材料科学的发展，要求研究者准确地显示材料的显微组织，而常规的黑白金相分析法，往往由于金属表面显微组织衬度不足、特征不清，而难以区分和鉴别甚至出现判误。计算机彩色金相技术，不仅仅是光学金相方法在显示技术上的一个革新，事实证明，传统的光学金相对许多组织的分辨率不高，不能完全归因于放大倍数不够，而恰是显示精度的不足。因此，计算机彩色金相在显示精度上的进步，带来了光学金相的显著改善，具有重要的意义和巨大的效益。此外，显示方法的这种变革，在金相技术的理论上，开辟了一个新的领地：在实验技术上，引入了一系列现代化实验手段，大大丰富了光学金相的内容；计算机多媒体显示方法的这一革新，增加了反映组织状态的信息，充分挖掘了光学金相的潜力，开拓了新的应用领域，不能不说是一种新突破。2 颜色衬度与显微结构的内在联系和彩色金相图像的科学分析在金属材料的表面上，影响各种组织结构因素可以概括为如下几个方面：l)成分的差别2)晶体结构的差别3)晶体位向的差别4)晶体缺陷的差别5)应力应变状态的差别这些差别可以独立存在的，而大多数情况下则是交叉并存的。例如，不同的合金相，成份、结构、位向、晶体缺陷、应力应变状态都可有或多或少的差别；对于成份显微偏析而言，则主要是成份的差别；对如某些非扩散型相变产物而言，例如马氏体和残余奥氏体，则成分上没有差别，而在晶体结构、位向和晶体缺陷方面存在差别；对于片状马氏体和板条状马氏体而言，成份和结构都无差别，只在亚结构或晶体缺陷上存在差别；……，所有这些组织结构的因素，我们都是通过颜色衬度利用计算机成像技术反映出来。1)、成分偏析的显示实践证明，计算机彩色金相系统为偏析现象的研究提供了极为有效的手段。如前所述，薄膜干涉所产生的颜色衬度对基体组织的成分最为敏感，所以计算机彩色金相系统对于成分偏析的显示很有特色，无论枝晶偏析、带状偏析，都可产生鲜明的颜色衬度，即使是微小的晶内偏析，或者扩散型相变中相界附近的成分不均匀性，也可能显示出颜色的差别，而且各种偏析显示，不会被基体组织所掩盖，组织和成分偏析能同时显示清楚，这是计算机彩色金相技术最重要的特点之一。由于合金的大多数相变都是扩散型相变，在相变过程中都发生着成分重新分布，因此，在微观区域中，普遍地存在着成分不均匀的现象，而彩色衬度把它们鲜明地显示出来。这使计算机彩色金相系统提供的信息量大大增加。2)、马氏体、贝氏体和残余奥氏体识别钢中马氏体和下贝氏体组织都是针状叶，在黑白金相中难以清楚区分开来，在中低碳合金钢中，残余奥氏体也很难显示出来，然而彩色金相通过颜色衬度利用计算机图像识别技术，使这些问题得到了较好的解决。因为通过计算机彩色图像显示，下贝氏体呈黄青色针，马氏体为棕红色，残余奥氏体为浅橙色。3)、铸铁组织的彩色显示铸铁的性能不仅取决于其中石墨的形态和分布，也取决于基体的组织结构。为了获得一些特殊的性能，往往在铸铁中加入某些合金元素，形成合金铸铁，铸铁或合金的组织往往比钢还要复杂。用传统黑白金相的方法，铸铁组织中的细节是显示不清楚的。计算机彩色金相系统却可以帮助人们认识到铸铁中各种复杂的组织状态，对进一步研究组织和性能的关系提供了极大的方便。4)、用彩色金相方法显示晶体位向在计算机彩色金相技术的实践中发现，颜色衬度对晶体的不同位向有很好的表现。在单向合金中，用适当的彩色显示方法，可以把不同的晶粒染成不同的颜色，通过用蚀坑的方法，判定不同的颜色，对应于不同的晶粒位向。建立彩色金相的薄膜干涉基础理论之后，上述现象可以得到很好的解释：(l)由于晶体的各向同性，不同位向晶粒的表面有不同的光学性质；(2)不同位向晶粒的表面能量不同，在化学方法形膜时，化学反应速度不同、膜的沉淀速度不同，结果有不同的位向晶粒表面，形成不同厚度的干涉膜；(3)在金属表面形成干涉膜时，不论何种方法，在薄膜与金属的界限上，一般总是倾向于使界面上具有最小的错配度，即具有最低界面能；因此，在不同晶粒位向的晶粒上外延生成的薄膜，可能有不同的取向。以上诸方面，都可造成干涉条件的变化，从而造成不同的干涉色。随着材料科学的发展，要求研究者准确地显示材料的显微组织，而传统的黑白金相分析法，往往由于金属表面显微组织衬度不足，特征不清而难以区分和鉴别，甚至出现判误。计算机彩色金相技术处理的合金试样颜色色彩斑斓、衬度鲜明、美丽悦目，大大提高金相鉴别能力，增加了试样表面可提供的信息量，可靠性与重现性亦好，有利于揭示材料微观世界的奥秘。另外，随着现代科学技术的发展，高技术材料的重要性日益增加，这些材料的性能，在很大程度上取决与他们的微观结构和组织，但是这些材料一般都具有较高的化学稳定性，因此用传统黑白金相的方法做组织、结构的分析无能为力的。此外，这些材料往往有一定的透光能力，显微镜下观察时衬度很差，观察效果不好。初步的实验结果表明，计算机彩色金相完全可能解决这些难题，成为这些新型材料的重要研究手段。目前的金相分析系统都是建立在以黑白灰色调的基础之上，这可作为元素含量或相组成的定性评析方法；而计算机彩色金相方法为元素或相组成定量分析和计算机金相图像处理、金相图像计算机管理提供了方便。计算机彩色金相技术的发展为定量金相奠定了良好的基础，材料的宏观性能与其微观组织结构之间的依赖关系，已经随着材料科学的发展由定性评估过渡到定量分析的阶段。目前在我国工厂中广泛使用的等级标准（如晶粒度标准、碳化物标准等）只能作为定性判断材料组织合格与否的参考和初级判据，而不能由其确定材料性能与组织间的定量关系。计算机彩色金相由于能对相的类型、形貌、尺寸及分布提供较准确、较丰富的信息，从而使计算机彩色金相在建立组织与性能的定量关系中发挥出更大的作用。这对于材料科学的发展有极其深远的意义。计算机彩色金相系统的开发具有较高的社会效益和经济效益。(end)

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